Влияние способов водоснабжения на водно-физические свойства почвы в аридных условиях юго-востока Казахстана

В статье приведены данные по влажности и плотности почвы в зависимости от вариантов опыта по водосберегающим технологиям. Цель исследований заключалась в научном обосновании применения гидрогеля «Аквасорб» для улучшения водно-физических свойств почвы, что будет напрямую способствовать развитию потребительского и декоративного садоводства в аридных районах юго-востока Казахстана. Опыты по исследованию водно-физических свойств почв поставлены по общепринятым методикам. Показана эффективность гидрогеля «Аквасорб» в регулировании водоудерживающей способности почв и улучшении ее структуры, что положительно сказывается на росте и развитии растений. Лучшая обеспеченность почвенной влагой отмечена в вариантах при внесении препарата 1,5 кг/м³ и 2,0 кг/м³. При использовании препарата создается благоприятный водно-воздушный режим почв, особенно в критические периоды для развития растений.

Введение

Жизнедеятельность растения зависит от условий увлажнения, водного режима растения, который характеризуется комплексом физиологических показателей. Обеспечение оптимальной влажности почв — одно из основных условий для роста и развития растений. Нехватка воды в аридных зонах Казахстана является глобальной проблемой, поэтому поиск альтернативных путей в водосберегающих технологиях имеет большое значение. Для улучшения водного режима почв применяют различные сильно набухающие полимерные гели, которые успешно используют в Англии, Германии, Канаде, Австралии, России, Казахстане [1–6]. Результаты экспериментальных исследований в этих странах показали возможность использования гидрогелей для улучшения физиологического состояния растений, повышения их продуктивности и влагоудерживающей способности почв.

Основной акцент в научно-исследовательской работе по водосберегающим технологиям сделан на применение полимерного гидрогеля «Аквасорб», который используется для улучшения воднофизических свойств почвы. Этот препарат может изменять свойства почвы, благодаря способности адсорбировать большое количество воды, в 200 и более раз превышающее собственную массу, что, в свою очередь, влияет на скорость инфильтрации и испарения, плотность и структуру почвы [7]. При выпадении осадков и поливе он накапливает большое количество воды и постепенно отдает ее растениям. Полимерные гидрогели — это пористые, хорошо набухающие, но не растворяющиеся в воде материалы. Основная часть поглощаемой гидрогелем жидкости (до 90 %) заполняет свободное поровое пространство [8].

Вода — важнейший экологический фактор для растений, она участвует в реакциях фотосинтеза, минеральные соли поступают в растение из почвы только в виде водных растворов. Особая роль воды для растений заключается в постоянном пополнении больших затрат ее на испарение в связи с развитием большой фотосинтезирующей поверхности [9].

При использовании различных водосберегающих технологий возникла необходимость изучения водно-физических свойств почвы при переходе от одного горизонта к другому. Вода в почве имеет огромное значение. С ее количеством и качеством связаны условия произрастания растений. Значение влажности почвы необходимо для определения общих и доступных для растений запасов почвенной влаги, определения рациональных поливных норм при применении различных водоудерживающих технологий и т.д. Содержание воды в почве колеблется в пределах от сильного иссушения до полного насыщения и переувлажнения. Сами растения нуждаются в регулярном поливе, который обеспечивает постоянную оптимальную влажность в корнеобитаемом слое, не менее 60% от полной влагоемкости почвы. Основной путь поступления воды в растение связан с тем, что осмотическое давление в клетках корневой системы выше, чем осмотическое давление почвенного раствора. Наиболее легко усваивается гравитационная (подвижная) вода, которая заполняет широкие промежутки между частицами почвы и просачивается вниз под действием силы тяжести, пока не достигнет грунтовых вод. Свободная вода в почве является основным источником влаги для растений. Эта форма воды представлена двумя видами: капиллярной и гравитационной. Почва, являясь пористым телом, определяет ряд функциональных водных физических свойств: водопроницаемость, влагоемкость, водоподъемную способность и испарение. В хорошо агрегированных почвах основные запасы питательных элементов, микроагрегатов, влаги находятся внутри агрегатов. «Именно почвенные агрегаты обусловливают почвенное плодородие, так как в их поровом пространстве хранятся питательные вещества, влага, которые потребляют растения». Плотность обусловливает формирование объемов порового пространства, мест обитания почвенной биоты и микроорганизмов. Уплотнение почв замедляет рост растений. Нормальный газообмен нарушается при плотности выше 1,45 г/см³. При значении коэффициента структурности больше 1,5 структурное состояние почвы оценивают как отличное [10].

Обеспеченность растений влагой, в первую очередь, зависит от погодно-климатических условий данной местности. Климат района резко континентальный. Зима мягкая, лето жаркое. Средние температуры января — –6...–10 ºС, июля +20…+24 ºС. Среднегодовая температура воздуха +6,2…+8,0 ºС. Абсолютный максимум воздуха +37…+41 ºС, абсолютный минимум –33…–35 ºС. Сумма положительных температур воздуха за теплый период 3250–3400 ºС, за период активной вегетации — 2500–3050 ºС. Безморозный период длится 160–170 дней. Среднегодовое количество осадков в данном регионе 420–500 мм, 70–75 % выпадает в теплое время года. За счет малого количества осадков в летний период (июнь–август) в почве создается жесткий водный режим.

Почва, где произрастают растения, темно-серая, с коричневым оттенком во влажном состоянии, пылевато-комковатой структуры. Механический состав по генетическим горизонтам достаточно однороден. Количество усвояемого фосфора в почве составляет 3,18 мг на 100 г почвы (горизонт А), 1,33 мг на 100 г почвы (горизонт В), калия, соответственно, 77,24–24,00 мг на 100 г почвы, т.е. обеспеченность усвояемыми формами фосфора слабая, калием — высокая, что связано с богатством почвообразующей породы первичными калийсодержащими минералами. Содержание гумуса в горизонте А составляет от 1,7 до 2,4 % [11]. Приведенное выше позволяет считать, что почвенные условия опытного участка благоприятны для выращивания древесных и кустарниковых интродуцентов.

Объекты и методика исследований

Место проведения опытов — Иссыкский государственный дендрологический парк, который является одним из трех пунктов проведения исследований по проекту «Испытание инновационных технологий при развитии садоводства в аридных условиях Казахстана». Он расположен в предгорностепной зоне северного склона Заилийского Алатау в Енбекшиказахском районе Алматинской области.

Учитывая потребность растений во влаге, с климатическими и почвенными условиями данного района, заложен опыт по водосберегающим технологиям в пяти вариантах:

1. — применение водопоглощающего полимера «Аквасорб», норма внесения 1,0 кг/м³ (125 г для деревьев и 90 г для кустарников);
2. — применение водопоглощающего полимера «Аквасорб», норма внесения 1,5 кг/м³ (188 г для деревьев и 135 г для кустарников);
3. — применение водопоглощающего полимера «Аквасорб», норма внесения 2,0 кг/м³ (250 г для деревьев и 180 г для кустарников);
4. — использование оросительной системы капельного типа;
5. — полив по бороздам (контроль).

Нормы гидрогеля были выбраны на основе анализа его эффективности в различных регионах. Для деревьев использовали «Аквасорбс» марки К–4, для кустарников К–2. Согласно проведенным расчетам, в зависимости от варианта опыта, объема вынутого грунта (под деревья и кустарники), вносили от 90 до 250 г препарата на одно посадочное место.

В эксперимент включены следующие виды: ель сибирская — Piceae obovata Ledb.; туя западная — Thuja occidentalis L.; черемуха обыкновенная — Padus racemosa (Lam.) Gilib.; береза бородавчатая — Betula pendula Roth.; липа мелколистная –Tilia cordata Mill.; клен остролистный — Acer platanoides L.; боярышник обыкновенный — Crataegus oxyacantha L.; яблоня домашняя — Malusdomestica cv. ‘Салтанат'; смородина черная — Ribes nigrum L. cv. ‘Минай Шмырев'; барбарис илийский — Berberis iliensis M. Pop. В каждом варианте все виды и сорта представлены 21 экземпляром (по 7 шт в каждой повторности). Опыты поставлены в трехкратной повторности, каждый вариант занимает 0,2 га.

Под влагоемкостью понимают способность почвы вмещать и удерживать в своих порах то или иное количество влаги. Влагоемкость выражают в процентах к массе сухой почвы. Ее величина зависит от свойств и строения почвы, количества влаги и гумуса. Полевая влагоемкость представляет собой предельное количество воды, которое почва в состоянии удержать в полевых условиях после стекания гравитационной влаги. По величине предельно-полевой влагоемкости судят о максимальных запасах общей и полезной влаги, удерживаемых почвой.

Оценка предельно-полевой влагоемкости проводилась по шкале Н.А. Качинского [12]. Почва с влагоемкостью 40–50 % считается наилучшей; 30–40 % — хорошей; 25–30 % — удовлетворительной; менее 25 % — неудовлетворительной.

Результаты исследований и их обсуждение

Плотность почв Иссыкского дендрария на глубине 0–20 см по вариантам составляет 1,18– 1,35 г/см³. Оптимальными для средне- и легкосуглинистых почв являются показатели 1,2–1,4 г/см³. С увеличением глубины плотность почв здесь возрастает более значительно до 2,2–2,4 г/см³. Таким образом, нижние слои почвы являются не совсем благоприятными для полноценного развития растений.

Изучение влажности почвы по вариантам проводили в трехкратной повторности, начиная с поверхностного слоя и до глубины 50 см, с июня по август, с интервалом в 30 дней. По результатам исследования на влажность в июне получены следующие данные. Влажность почвы в 10–50сантиметровом слое колебалась от 11,16 % в варианте «полив по бороздам» до 18,03 % при внесении препарата 2,0 кг/м³ (рис. 1).

В 1, 3, 4, 5-м вариантах опыта наблюдается повышение влажности почвы с увеличением глубины взятия пробы. Во 2-м варианте при норме гидрогеля 1,5 кг/м³ влажность почв на глубине 40–50 см снизилась до 12,83–13,16%. С увеличением нормы внесения гидрогеля в 3-м варианте до 2,0 кг/м³ увеличивается влажность почвы в нижних горизонтах (16,85–18,03%). Из традиционных способов полива капельное орошение способствует равномерному повышению влажности с 12,24 до 14,8% по всем горизонтам почвы.

В июле с повышением температуры воздуха до +36…+38 ºС идет интенсивное иссушение почвы, особенно верхнего 10 см слоя. Так, если в июне самый низкий уровень влажности почвы колебался в пределах 11,16–12,24 % в вариантах 4 и 5, то в июле этот показатель снизился до 8,16–9,48 % (рис. 2).

34

Вестник Карагандинского университета

Несколько выше влажность почвы 10,0–11,8 % по этим горизонтам в 1- и 2-м вариантах. Увеличение нормы внесения полимера до 2,0 кг/м³ в 3-м варианте способствует равномерному повышению влажности по всем горизонтам в полуметровом слое почвы и составляет 13,8–14,3 %. Наибольшее повышение влажности почвы наблюдается в 40-сантиметровом слое почвы в вариантах с внесением полимера 1,5 кг/м³ и 2,0 кг/м³, соответственно влажность равна 17,78–15,50 %. При капельном орошении в самый жаркий период вегетации наблюдается увеличение влажности на глубине 30–50 см до 14,40–14,86 %. Она почти не разнится.

В условиях юго-востока Казахстана в августе наблюдается явный дефицит влаги, что отражается на состоянии растений. Неблагоприятный водный режим растений в этом месяце обусловлен недостатком воды в почве (число дней с температурой выше +30 ºС составляет 24 дня), а также большой сухостью воздуха. В этот критический момент еще сильнее проявляется действие препарата. Ситуация с влажностью почвы несколько меняется по сравнению с предыдущими месяцами. В результате проведенных исследований отмечено явное преимущество всех трех вариантов с внесением полимера в сохранении влажности почвы по сравнению с капельным орошением и поливом по бороздам. В варианте с внесением полимера 1,0 кг/м³ наблюдается постепенное увеличение влажности почвы с увеличением глубины до 50 см от 11,25 до 16,79%, но наибольшего значения влажность почвы достигает в варианте с внесением полимера 1,5 кг/м³ — 16,95–17,33 % в слое 30–40 см (рис. 3).

Наименьшая влажность почвы по всей глубине среза прослеживается в варианте с капельным орошением. Значения по влажности почвы находятся в пределах 7,0–9,1%. Выше значения при поливе по бороздам они получили такое же распределение, как в 4-м варианте, с разницей от 9,2 до 13,8 %.

Заключение

Изучение агрофизических свойств почв опытного участка — предельно-полевой влагоемкости, запасов продуктивной влаги, плотности — показали их полную пригодность для нормальной жизнедеятельности экспериментальных растений. Использование гидрогеля «Аквасорб» позволяет создать благоприятный водно-воздушный режим почвы, обеспечивающий оптимальное физиологическое состояние растений. Изучение динамики влажности почвы показало снижение запасов почвенной влаги в полуметровом слое с июня к августу, особенно в вариантах 4- и 5-м с капельным орошением и поливом по бороздам. Применяемые технологии влагообеспечения оказывают влияние на накопление влаги в течение вегетационного периода. Увеличение нормы полимера до 2,0 кг/м³ способствует равномерному повышению влажности в полуметровом слое почвы за время наблюдений, особенно в критический период в августе. Установлено, что капельное орошение по накоплению влаги уступает первым трем вариантам с применением гидрогеля «Аквасорб». Если сравнивать варианты с использованием гидрогеля, то норма 2,0 кг/м³ дает преимущество перед остальными.

Результаты исследований свидетельствуют о положительном влиянии гидрогеля «Аквасорб» в норме 1,5 кг/м³и 2,0 кг/м³ и на содержание в почве продуктивной влаги на основных этапах развития растений. Проведенный эксперимент показал, что полимерный гидрогель обладает высокой водоудерживающей способностью, а в норме 2,0 кг/м³ достигает максимального значения влажности почв. Это обеспечивает запасы влаги в почве, в том числе и доступной растениям.

Работа выполнена в рамках научно-технической программы BR05236444 — «Испытание инновационных технологий при развитии садоводства в аридных условиях Казахстана».

Список литературы

1. Янов В.И. Возделывание полыни эстрагонной с применением гидрогеля для получения эфирных масел / В.И. Янов // Земледелие. — 2010. — № 1. — С. 31, 32.
2. Кузин Е .Н. Влияние полимерной мелиорации и удобрений на структурное состояние чернозема выщелоченного и урожайность / Е.Н. Кузин, А.Н. Арефьев // Земледелие. — 2013. — № 2. — С. 12–14.
3. Шилов А. Влияние системы удобрений и сильно набухающего полимерного гидрогеля на урожайность пшеницы / А. Шилов, А. Плотников, В. Тарабаев // Главный агроном. — 2013. — № 2. — С. 15–17.
4. DeBell D.S. Growth and physiology of loblolly pine roots under various water table level and phosphorous treatments / D.S. DeBell, D.D. Hook, W.H. McKee // J. For. Sci. — 1984. — Vol. 30. — P. 705–714.
5. Deren D. Agrogel usage in cultivation of trees planted in ridges. [Опыты по применению почвоулучшителя агрогеля при выращивании яблони в гребнях (Польша)] / D. Deren, A. Szewczuk, E. Gudarowska // J. Fruit ornamental Plant Res. — 2010. — Vol. 18, No. 2. — Р. 78–82.
6. Тибирьков А. П. Влияние полимерного гидрогеля и условий минерального питания на урожай и качество зерна озимой пшеницы на светло-каштановых почвах / А.П. Тибирьков, В.И. Филин // Изв. Нижневолж. агроун. компл.: Наука и высшее профессиональное образование. — 2012. — № 3(27). — С. 66–70.
7. Наумов П.В. Оптимизация влагообеспеченности почв с помощью полимерных гидрогелей / П.В. Наумов, Л.Ф. Щербакова, А. А. Окалелова // Изв. Нижневолж. агроун. компл.: Наука и высшее профессиональное образование. — 2011. — № 4. — С. 1–5.
8. Годунова Е. И. Перспективы использования гидрогеля в земледелии Центрального Предкавказья / Е .И. Годунова, В.Н. Гудырин, С.Н. Шкабарда // Достижения науки и техники АПК. — 2014. — № 1. — С. 24–27.
9. Тибирьков А. П. Влияние полиакриламидного гидрогеля на структурно-агрегатный состав пахотного слоя светлокаштановой почвы Волго-Донского междуречья / А.П. Тибирьков, В.И. Филин // Изв. Нижневолж. агроун. компл.: Наука и высшее профессиональное образование. — 2013. — № 4. — С. 1–5.
10. Вальков В.Ф. Почвоведение / В.Ф. Вальков, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников. — М., 2006. — 496 с.
11. Агроклиматические ресурсы Восточно-Казахстанской области Казахской ССР. — Л.: Гидрометеоиздат, 1975. — 159 с.
12. Качинский Н.А. Водно-физические свойства и режимы почв / Н.А. Качинский. — М.: Высш. шк., 1970. — 359 с.