Вплив краплинного зрошення на грунтові процеси
Підвищений попит аграріїв до використання краплинного зрошення для вирощування сільськогосподарських культур (площі цього способу поливання у 2013 р. досягли 75 тис. га) все частіше спонукує науковців шукати доказів його екологічної безпеки для грунтів, родючість яких залишається під державним контролем.
Посилене застосування агротехнічних і хімічних заходів догляду, передбачених інтенсивними технологіями вирощування культур, використання поливної води неналежної якості, особливо у багаторічних насадженнях, де відбувається зволоження одного й того самого обсягу грунту впродовж багатьох років, призводить до деяких змін наймінливіших показників грунту. А інколи ці зміни можуть навіть набувати ознак деградаційних процесів.
Особливість краплинного зрошення
Відомо, що краплинне зрошення, як і інші способи поливу, використовують, перш за все, для зниження залежності сільськогосподарського виробництва від умов природного вологозабезпечення. Але за краплинного зрошення подавання води здійснюється не на всю площу зрошуваної ділянки, а лише у кореневу зону рослин, тобто локально. Локальний характер зволоження як основна технологічна ознака краплинного зрошення обумовлює його переваги і недоліки.
Саме завдяки локальному характеру зволоження забезпечується значна економія води та добрив порівняно з іншими способами поливання, але водночас перевага зумовлює зростання питомого водного та мінерального (внесення із поливом добрив) навантаження на грунт у зонах зволоження. Тому питання ефективності краплинного зрошення органічно поєднане з його екологічною безпечністю.
Безперечно, як і будь-яке інше, краплинне зрошення також спричинює певні зміни стану грунтів, оскільки через локальний характер зволоження формуються всі передумови створення певної їхньої строкатості, що підсилюється дією факторів зовнішнього середовища. Системна нестійкість і знижена здатність до саморегуляції проявляється у грунтах у перші роки після початку зрошення, а подальша їхня еволюція протікає протягом усього періоду зрошення і залежить від багатьох факторів.
Для грунтів, що зрошуються краплинним способом, характерна поява неоднорідності у властивостях, яка має локальний прояв через постійне зволоження одного й того самого об’єму грунту. Ступінь неоднорідності, насамперед, залежить від генетичних особливостей грунтів, що зрошуються, якості поливних вод, природно-кліматичних умов на території зрошування тощо.
Сучасні інтенсивні технології вирощування сільськогосподарських культур (а краплинне зрошення за своєю суттю є засобом інтенсифікації технологій, спрямованих на отримання високих урожаїв) передбачають посилене використання хімічних засобів захисту рослин, удобрення, підвищених норм зрошення, завдяки чому зростає антропогенне навантаження на грунти, стійкість до якого у них різна. В умовах зрошення властивості грунтів можуть зберігатися без істотних змін, поліпшуватися або погіршуватися залежно від дотримання вимог його використання.
Результати досліджень засвідчують різноплановий вплив краплинного зрошення на зміни водного, повітряного, окисно-відновного режимів, активізацію галохімічних процесів, інтенсифікацію біологічних процесів, посилення рухомості сполук і речовин, що входять до складу рідкої та твердої фаз грунту, підвищення мінливості деяких фізичних грунтових параметрів (щільність, твердість, липкість, структурність, водопроникність тощо), у деяких випадках — перерозподілення гранулометричних часток різного розміру в межах грунтового профілю, кількісні та якісні зміни колоїдної частини грунту.
Поряд із генетичними особливостями грунтів визначальну роль у їній стійкості до дії краплинного зрошення відіграють і природно-кліматичні умови території їхнього місцезнаходження, а саме: посушливість клімату, грунтотворні породи, дренованість території, природний рівень зволоження, глибина залягання грунтових вод тощо. Безперечно, всі ці та інші фактори слід враховувати під час проектування систем краплинного зрошення. Наприклад, норми поливання культур мають виключати втрати вологи у нижні горизонти і цим самим зменшувати ймовірність підняття рівнів грунтових вод, а також можливість розмивання агрономічно-цінних агрегатів до найменших фракцій тощо. За відомих рівнів засолення чи осолонцювання грунтів і якості поливної води передбачають заходи із попереднього поліпшення їхніх властивостей шляхом хімічної меліорації. Шляхом правильного вибору меліорантів і добрив впливають на ступінь лужності і кислотності грунтів. Тобто під час проектування краплинного зрошення за даними передпроектних вишукувань попередньо визначають імовірні фактори впливу, негативну дію яких знижують відповідними заходами. Якщо систему краплинного зрошення запроектовано без урахування вказаних показників або за її експлуатації не виконують проектних рекомендацій, то навіть за краплинного зрошення розвиток процесів підтоплення, вторинного засолення, осолонцювання, оглеювання грунтів не виключається.
В Україні краплинне зрошення застосовують для поливання на різних типах грунтів, які за своїми характеристиками є засоленими, солонцюватими, лужними, кислими, із відповідним вмістом гумусу, карбонатів, водорозчинних солей, що мають певну ємність катіонного обміну, насиченість основами, найменшу вологоємність, гранулометричний склад і т. ін. Зрошують навіть ті грунти, які за своїми характеристиками непридатні для цього. До властивостей грунтів завжди додається вплив поливної води, якість якої для краплинного зрошення оцінюють за двома нормативними документами: ДСТУ 2730:1994 і ДСТУ 7286:2012.
Критерії поливної води
Агрономічні критерії поливної води визначають із метою запобігання процесам засолення, осолонцювання, підлуження грунтів та унеможливлення токсичного впливу на рослини, а екологічні критерії — для попередження негативного впливу на компоненти довкілля та здоров’я населення, а саме: зміни стійкості ландшафтів, санітарно-гігієнічного стану та харчової якості сільськогосподарської продукції, характеристик санітарно-гігієнічного стану поверхневих та підземних вод, захищеності горизонтів питних вод від забруднення тощо.
Під час використання для зрошення обмежено придатних (2-й клас) і, особливо, непридатних (3-й клас) за агрономічними й екологічними критеріями вод за традиційних способів поливання (дощування, поверхневий полив) зміни грунтів набувають несприятливих проявів для культурних рослин: ускладнення технологій вирощування, зниження продуктивності, погіршення якості продукції. Такі процеси називають деградаційними, а найпоширенішими серед них є: засолення, осолонцювання, підлуження, ущільнення, знеструктурення, злитизація, кіркоутворення, декальцинація, дегуміфікація, збіднення на елементи живлення, забруднення та ін.
Досліджувані грунти були різними за рівнем природної родючості, а саме: дерновий супіщаний, темно-каштановий середньосуглинковий, чорнозем південний важкосуглинковий, лучно-чорноземний карбонатний важкосуглинковий, чорнозем звичайний важкосуглинковий — та неоднорідними у профільному розподіленні показників, що пов’язано із генетичними особливостями їхнього утворення, із застосуванням різних поливально-зрошувальних норм, поливної води різного хімічного складу на фоні різних технологій вирощування різних сільськогосподарських культур.
Результати вказаних досліджень засвідчують деякі зміни грунтів у зволожуваному об’ємі під краплинними водовипусками, у так званій зоні зволоження. У цій зоні відбуваються всі грунтові процеси, пов’язані з хімічним складом поливної води, її мінералізацією, лужністю та засоленістю грунту тощо. За межами зони зволоження, особливо у багаторічних насадженнях, діють фактори, пов’язані з технологіями вирощування культур, у тому числі системами удобрення та утримування міжрядь.
Як встановлено нашими дослідженнями, краплинне зрошення у зоні зволоження не призводить до критичного переущільнення грунтів, не порушує рівновагу природних процесів грунтоутворення та підтримує водний і поживний грунтові режими на оптимальному рівні. Під впливом води, придатної для такого поливу (1 клас якості), краплинне зрошення сприятливо впливає на формування кількісних і якісних показників структурно-агрегатного стану грунтів, забезпечує вимивання водорозчинних солей із зони зволоження грунтів у глибші шари і не сприяє їхньому осолонцюванню.
Якість поливної води та ущільнення
Якість поливної води за краплинного зрошення має незначний вплив на ущільнення грунтів. Ступінь ущільнення більше залежить від їхнього гранулометричного, мінералогічного і структурно-агрегатного складу та антропогенних факторів, пов’язаних із системою обробітку та утримання міжрядь (рис. 1). За межами зон зволоження у грунтах під багаторічними насадженнями переважає переущільнення, цементація грунтових горизонтів із нехарактерною для кожного типу грунту генетичною структурою. Це відбувається у міжряддях, які протягом експлуатації насаджень перебувають під постійним впливом агротехніки, що зумовлює утворення стаціонарної технологічної колії з максимальними параметрами щільності будови грунту на рівні 1,60—1,69 г/см3. Ці дані підтверджують наявність порушень агротехнологічного процесу, а не вплив краплинного зрошення під час вирощування багаторічних культур.
Мінімізувати вплив агротехніки на грунти у такому разі можна проведенням різноглибинного обробітку міжрядь протягом вегетаційного періоду у фазі фізичної стиглості грунту, якщо їх утримують під чорним паром, та задернінням міжрядь — за утримання грунтів за дерново-перегнійною системою. Водночас вибір глибини і способу обробітку (щілювання, чизелювання, культивація, оранка тощо) має базуватися на особливостях грунтів із урахуванням їхнього гранулометричного складу та потужності гумусованого горизонту. Основний обробіток міжрядь орного шару варто проводити не рідше ніж через три роки.
Що стосується впливу краплинного зрошення на структурно-агрегатний склад, то вміст цінних в агрономічному плані агрегатів у дослідних грунтах під впливом води 1-го і 2-го класів підвищується, а їхня водостійкість знижується, особливо під впливом води 2-го класу (рис. 2).
У досліджуваних грунтах під багаторічними насадженнями, де поливні трубопроводи розташовані на висоті 0,5–0,6 м над поверхнею землі, зниження водостійкості агрегатів, особливо верхнього 0–10-сантиметрового шару, пов’язане із механічною дією крапель. Водостійкість структури грунтів за такого розміщення поливних трубопроводів зменшується у декілька разів, тоді як механічний вплив крапель на цей показник у разі, якщо поливні трубопроводи розміщені по поверхні, мінімальний.
Залежність фізичних показників, у тому числі й водостійкості, від впливу поливної води та її якості знижують постійним надходженням у грунт органічних речовин для утворення нових гумусових сполук через органічне удобрення, вирощування сидератів, правильно обгрунтовані сівозміни та агротехнічні прийоми. Проведені дослідження підтверджують високу ефективність органічних добрив, що вносять щорічно невеликими дозами (10—20 т/га), у поліпшенні властивостей локально зрошуваних грунтів. Однак періодичність їхнього внесення не може бути однаковою для різних типів грунтів, оскільки вони мають різний вміст вуглецю й азоту та різну тривалість післядії.
Краплинне зрошення дає змогу управляти поживним режимом грунтів у будь-який період поливання, а отже, й підтримувати рівень їхньої родючості та продуктивності сільськогосподарських культур завдяки збалансованому надходженню елементів із добрив. Результатами досліджень встановлено підвищення вмісту рухомих фосфору і калію шляхом диференційованого внесення органо-мінеральних, мінеральних та органічних добрив у зони зволоження, розміри яких означені об’ємами кореневої системи культур.
Вторинне засолення як процес накопичення водорозчинних солей у грунтах під час зрошення спричинюється надходженням солей за використання для поливання води із підвищеною мінералізацією. При цьому максимальна кількість усіх водорозчинних та токсичних солей зосереджується у межах зони зволоження грунту, нижня частини якої у деяких грунтах менше засолена, що пов’язано із сприятливими умовами вимивання солей атмосферними опадами в осінньо-зимово-весняний період (рис. 3).
Дослідження, проведені різними авторами у різних природно-кліматичних умовах, мали подібні результати, що дає змогу стверджувати, що за краплинного зрошення межі зон соленакопичення у грунтах практично збігаються із межами зон зволоження, а максимальна кількість солей концентрується у центральній частині зон зволоження або по периферії. Із підвищенням засоленості грунту частка солей, що міститься у грунтовому розчині, зменшується, а саме: за 0,1–0,2% засоленості у ньому міститься близько 70% загальної кількості водорозчинних солей, за 1,0–1,1% засоленості — знижується до 10–20%.
Сольовий режим
Сольовий режим локально зрошуваних грунтів характеризується сезонним чергуванням засолення у теплий період року і розсолення — у холодний. Однак не завжди складаються такі умови, коли кількості атмосферних опадів достатньо для вимивання надлишкової кількості солей, що додатково надійшли у грунт, і їхній вміст виходить за межі, допустимі для вирощування сільськогосподарських культур. Для цього у кінці вегетації проводять одночасні поливи вегетаційною нормою і такою, що забезпечує промивання засоленого шару (друга поливна норма перевищує першу в півтора-два рази). Такі поливи застосовують на грунтах, засолених токсичними солями лужних та лужноземельних металів, задля їхньої детоксикації, що забезпечує зниження засоленості грунту до порогів токсичності солей, які для кожного типу засолення мають свої параметри.
Як встановили науковці ННЦ «Інститут грунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського», засолення грунтів негативно впливає на рівень врожайності і може забезпечувати його зниження до 5–20% за слабкого ступеня, 20–30 — середнього і 30–50% — сильного. Тому для попередження засолення грунтів за краплинного зрошення, особливо тих, де є висока ймовірність цього, виникає необхідність у контролюванні хімічного складу поливної води і сольового складу грунтів не рідше одного разу на два роки.
Осолонцювання грунтів
Найнебезпечнішим процесом у зрошуваних грунтах є осолонцювання як наслідок заміщення поглинутого кальцію натрієм, магнієм і калієм у складі грунтового поглинального комплексу. Саме перевага цих іонів над іонами кальцію сприяє пептизації мулу, гідрофільності, трансформації і деградації мінеральної й органічної складових грунту. Встановлено, що цей процес повільно розвивається в автоморфних грунтах і посилюється за вторинного гідроморфізму (рис. 3).
Найвищі темпи осолонцювання спостерігаються у грунтах, що зрошуються водою, у якій відношення суми одновалентних катіонів натрію і калію до суми всіх катіонів перевищує встановлені ДСТУ 2730 значення. При цьому натрій активно поглинається у перші роки зрошення, далі процес уповільнюється і через три-п’ять років його вміст стабілізується.
Коригування у грунті чи поливній воді співвідношення натрію до кальцію передбачає використання кальцієвмісних меліорантів, до яких належать: гіпс, фосфогіпс, нітрат кальцію, хлорид кальцію, карбонатні шлами, шлами із комплексним складом меліоруючих солей тощо. Ефективність гіпсування грунтів для сповільнення у них процесу вторинного осолонцювання підтверджена нашими дослідженнями на прикладі чорнозему звичайного Одеської області, що тривалий час перебував під впливом мінералізованої поливної води.
Результати досліджень деяких вчених констатують факт про поважчання гранулометричного складу грунтів із збільшенням вмісту мулу та дрібного пилу в грунті через 15–20 років після використання краплинного зрошення. Зміни мінералогічного складу мулистої фракції за зрошення виявляються за використання прісних вод строком понад 15–20 років, а мінералізованих — понад 5–10 років. Є також дані про те, що 10–12-річне застосування краплинного зрошення змінює гранулометричний склад грунту в бік його оглинення.
Наведені вище дані досліджень стосуються переважно процесів у грунтах, що формуються за їхнього довготривалого зрошення у багаторічних насадженнях. Зрозуміло, що в умовах застосування краплинного зрошення для поливання однорічних культур загроза прояву негативного впливу його на стан грунтів значно зменшується, але, звичайно, не виключається.
Такого плану польові дослідження проведено нами у 2008 р. на землях Кам’янсько–Дніпровської дослідної станції ІВПіМ. Метою цих експериментів було визначення впливу краплинного зрошення овочевих культур на вміст у грунті елементів живлення, гумусу, нітратів та грунтову щільність. Джерелом зрошення була свердловина, а поливна вода відповідала 1-му класу якості за ДСТУ 2730. Результати засвідчили, що застосування краплинного зрошення в інтенсивній овочевій сівозміні протягом семи років не призвело до вимивання гумусу із грунту та накопичення нітратів у нижніх його шарах.
Останнє вказує на непромивний водний режим та правильність розрахунків величин поливних норм. На поживний режим грунту більший вплив мала прийнята та чи інша система удобрення, зокрема фертигація, а не саме зрошення в цілому. Краплинне зрошення практично не впливало на щільність будови грунту, що підтвердили результати визначення величин цього показника у зоні зволоження та у зоні міжрядь.
М. Ромащенко, д-р техн. наук,
професор, академік НААН,
С. Рябков, канд. с.-г. наук, ст. наук. співробітник,
Л. Усата, ст. наук. співробітник,
А. Шатковський, канд. с.-г. наук, ст. наук. співробітник,
Інститут водних проблем і меліорації НААН