Химическая мелиорация земель: цели, технологии, примеры положительных и отрицательных последствий

Введение

Мелиорация земель — коренное улучшение земель в результате осуществления комплекса мер. Мелиорация земель способствует сохранению и повышению плодородия почвы, росту урожайности, устойчивости земледелия, смягчению воздействия колебаний погодно-климатических условий на результаты производства. Среди различных видов мелиорации наиболее масштабными являются орошение и осушение.
Однаrо, для обеспечения наиболее эффективного использования и предупреждения ухудшения экологического состояния сельскохозяйственных угодий и других земель необходимо регулирование не только теплового, водного и питательного режимов, но и содержания химических элементов в почвах, в грунтах и грунтовых водах. Это подразумевает поддержание оптимальных концентраций и химического состава почвенных растворов, состава почвенного поглощающего комплекса (ППК) и кислотно-щелочных условий.
Химическая мелиорация земель состоит в проведении комплекса мелиоративных мероприятий по улучшению химических и физических свойств почв. Химическая мелиорация направлена в основном на улучшение засоленных и кислых почв. Актуальность регулирования химического режима почв обусловлена широким распространением в природе таких почв.


Классификация почв, подлежащих химической мелиорации
Засоленные земли расположены в областях с жарким, сухим климатом на слабодренированных или безотточных территориях. Отрицательный водный баланс и слабая естественная дренированность обусловливают накопление солей в почвах, грунтах или грунтовых водах в результате как аккумуляции продуктов выветривания, так и испарения грунтовых вод при близком их залегании.
Засоление почв, связанное с накоплением водно-растворимых солей в почвах и изменением состава ППК, — один из основных деградационных процессов, определяющих плодородие почв в аридной и семиаридной зонах, климатические условия которых имеют высокую и устойчивую теплообеспеченность и низкое и неустойчивое естественное увлажнение.
Особую группу засоленных почв составляют солонцы — помпы, содержащие в гумусовом горизонте большое количество обменного натрия (> 5...10 %), которое обусловливает развитие неблагоприятных свойств: щелочную реакцию, разрушение почвенной структуры, набухание при увлажнении и сильное уплотнение при иссушении, низкую водопроницаемость. Солонцы распространены в лесостепной, сухостепной и полупустынной зонах.
Кислые почвы в отличие от засоленных характеризуются дефицитом водно-растворимых солей в почвах, увеличением содержания ионов Н+ и А1+3 в ППК и кислой реакцией почвенного раствора (pH < 4...6). Кислые почвы формируются в гумидной зоне в условиях недостаточной теплообеспеченности и избытком естественного увлажнения. [1]
Общим для засоленных и кислых почв является неудовлетворительное состояние, низкое плодородие и ухудшение экологических и социально-экономических функций и значения почв в поддержании экологического равновесия в биосфере.
Мелиорация засоленных и кислых почв
Основная цель мелиорации засоленных и кислых почв — регулирование содержания и химического состава водно-растворимых солей в почвенных растворах, состава ППК и кислотно-щелочных условий в оптимальных пределах. При мелиорации природно-засоленных почв хлоридного, сульфатно-хлоридного и хлоридно- сульфатного типов засоления первым этапом освоения является удаление избытка водно-растворимых солей из корнеобитаемого слоя, мощность которого в зависимости от вида сельскохозяйственных культур составляет 1... 1,5 м. При мелиорации природных солонцов, содово-засоленных и кислых почв первый этап освоения заключается в регулировании химического состава почвенных растворов, состава ППК и кислотно-щелочных условий в корнеобитаемом слое. [3]
Избыточное содержание водно-растворимых солей при нейтральном типе засоления удаляют за счет промывок, т. е. подачи воды на поверхность почвы в количестве, необходимом для растворения и выноса растворенных солей за пределы корнеобитаемого слоя. Химический состав почвенных растворов, состав ППК и pH солонцов и содово-засоленных почв регулируют за счет применения химических мелиораций (внесение гипса, кальцийсодержащих соединений и минеральных кислот), нейтрализации щелочности, вытеснения из ППК ионов Na+, Mg2+ и замены их на ионы Са+2, а также за счет проведения промывки с целью вымывания из корнеобитаемого слоя продуктов химических реакций. Химический режим почвенных растворов, состав ППК и pH кислых почв регулируют, применяя химические мелиорации (внесение извести) без проведения промывок.
Для устойчивого и необратимого регулирования содержания и химического состава водно-растворимых солей в почвенных растворах, состава ППК и кислотно-щелочных условий в почвах необходимо периодически или постоянно проводить промывки и химические мелиорации. В связи с этим при мелиорации природно-засоленных и кислых почв выделяют два периода: период освоения (1...3 года), цель которого — удаление избытка водно-растворимых солей, улучшение химического состава почвенных растворов, состава ППК и pH за счет капитальных промывок и химических мелиораций, и эксплуатационный период, в течение которого поддерживают оптимальное содержание и химизм водно-растворимых солей в почвенных растворах, сое гав ППК и pH за счет проведения ежегодных профилактических промывок или влагозарядковых поливов, промывного режима орошения и периодического внесения химических мелиорантов (гипс, известь и др.)

. [1]
Химическая мелиорация солонцовых почв
Для улучшения свойств и повышения плодородия таких почв необходимо: снижение щелочности; вытеснение ионов Na и Mg2+ из ППК и замещение их ионами Са2+; удаление продукта химических реакций и избытка водорастворимых солей из корт обитаемого слоя; улучшение водно-физических и агрофизических свойств почв. Сложность их мелиорации заключается в необходимости совместного применения различных методов мелиорации химических, водных, агротехнических, биологических.
Химические мелиорации обеспечивают нейтрализацию щелочности и замещение ионов Na+ и Mg2+ в ППК на Са2+. Нейтрализация щелочности происходит при внесении окисляющих мелиорантов, удалении ионов Na+ и карбонатов натрия из почвы. [1]
Водные мелиорации нужны для промывок почв с целью удаления из почвы избытка растворимых солей (хлоридов и сульфатов натрия и магния) с учетом вторичных солей — продуктов химических реакций при внесении химических мелиорантов. Без удаления этих солей обменные реакции будут обратимыми и не дадут мелиоративного эффекта.
При мелиорации содово-засоленных и солонцовых почв применяют химические мелиоранты двух видов — окисляющие и кальцийсодержащие. Окисляющие используют на карбонатных почвах, а кальцийсодержащие — на бикарбонатных и безгипсовых. [2]
Мелиорация кислых почв
В зоне избыточного увлажнения, где широко распространены кислые почвы, проводят осушительные мелиорации, которые обязательно дополняют культуртехническими работами и работами по окультуриванию и раскислению осушаемых почв
В состав культуртехнических работ входят: удаление кустарника и погребенной древесины, корчевание пней, уборка камня, удаление мохового очеса, засыпка ям и старых каналов, уничтожение кочек, планировка поверхности, разделка дернины и первичная обработка почвы.
Окультуривания почвы достигают, применяя комплекс взаимосвязанных приемов: известкование кислых почв, глинование песчаных и пескование глинистых почв, внесение органических и минеральных удобрений, увеличение глубины пахотного слоя, глубокое рыхление, кротование и др. [1]


Обзор основных методов химической мелиорации почв
Гипсование почв
Гипсование почвы – способ химической мелиорации солонцов и солонцеватых почв - внесение в почву гипса для устранения избыточной щелочности, вредной для многих сельскохозяйственных культур. Средством устранения негативных свойств таких почв является внесение в них гипса и других кальцийсодержащих мелиорантов. Обменные реакции происходят по схеме

При гипсовании солонцов образуется много Nа2SО4. Избыток этой соли, вредной для растений, удаляют промыванием. Гипсование проводят в случаях, когда содержание обменного Na >10% от емкости поглощения. Количество гипса, необходимое для замены избытка обменного натрия кальцием, находят по формуле
СаSO4·2H2O в т/га = 0,086 (Nа - 0,05 Е) Н · dv,
где Nа - содержание обменного натрия в мг-экв./100 г почвы; Е - емкость поглощения в мг-экв./100 г почвы; Н - глубина мелиорируемого слоя в см; dv - плотность солонцового горизонта; (Nа - 0,05 Е) – количество замещенного Na в мг-экв. на 100 г почвы.
При использовании гипса на солонцах учитывают характер их заполнения. По этому признаку солонцы подразделяют на содовые и содово-сульфатные, которые мелиорируют гипсом. Встречаются в основном в Черноземной зоне. Хлорно-сульфатные и сульфатно-хлоридные солонцы встречаются в зонах каштановых и бурых почв, где для их мелиорации используют СаСО3 самой почвы, т.е. метод "самомелиорации". [4]
Существует много методов определения норм гипса: метод Гедройца - основан на полном вытеснении обменного Na; Антипова-Каратаева - на вытеснении поглощенного Na активной части почвы; Омского СХИ - на донасыщении солонцов кальцием; метод Мамаевой - на изменении степени дисперсности от дозировок мелиорирующего вещества.
Расчет доз фосфогипса малонатриевых солонцовых почв проводят по порогу коагуляции коллоидной фракции почв
Д (т/га) = M·h·d,
где М – количество CaSO4·2H2O, которое осветляет суспензию почвенного горизонта,
h - мощность слоя, см; d - плотность почвы, г/см3.
Лучше всего гипс вносить с органическими и минеральными удобренями на фоне высокой агротехники в паровом поле в два приема: в паровом поле - первую половину, а вторую - весной под первую культивацию. Используют сыромолотый гипс с толщиной помола <0,25 мм. Гипсование солонцовых почв способствует активизации азотобактера, нитрифицирующих и других бактерий, что влияет на содержание нитратных веществ в почве. [2]
Мелиорирующее действие фосфогипса аналогично гипсу, но на урожай культур он действует сильнее, чем те же дозы гипса, вследствие значительного количества водорастворимого фосфора. Фосфогипс содержит 80-90% СaSO4·2H2O; влажность 8-15%; 1-2% P2O5; 36-38% CaO. Ограничивает его применение высокая гигроскопичность. [1]
Емкость поглощения и состав поглощенных катионов учитывают в определении дозы гипса и в выборе соответствующего мелиоранта. Приемы гипсования и известкования связаны с изменением почвенно-поглощающего комплекса – с вытеснением из ППК ионов натрия, магния, водорода и алюминия с заменой их на ион кальция.
Различные почвы существенно отличаются друг от друга по составу катионов, находящихся в обменном состоянии