Вода – основной ограничительный фактор для сельскохозяйственного производства во многих частях мира. На орошаемых землях производят более 40 % продовольствия в мире. Кроме того, рост спроса на воду для городских и сельскохозяйственных целей объясняется увеличением численности населения. Один из наиболее вероятных вариантов удовлетворения этих потребностей – использование воды с повышенным уровнем минерализации, включая дренажные воды, образующиеся при орошении посевов сельскохозяйственных культур, муниципальные сточные воды и грунтовые воды низкого качества. В то же время при их использовании необходимо применение дополнительного количества воды для выщелачивания солей из корнеобитаемого слоя с целью предотвращения чрезмерного накопления солей, ограничивающего урожайность сельскохозяйственных культур. Риск засоления почвы снижается по мере изменения ее текстуры от мелкой к крупной, что обусловлено более крупными порами песчаных почв, которые обеспечивают более быстрый дренаж [1, 2].
Один из наиболее перспективных современных методов удобрения сельскохозяйственных растений – фертигация, который предусматривает подачу растворенных минеральных элементов вместе с поливной водой. Однако при ее необоснованном применении существует потенциальная опасность засоления почвы с дальнейшими негативными последствиями как для растений, так и для свойств почвы. При этом изменение осмотического давления из-за увеличения концентрации минеральных веществ в почвенном растворе делает воду менее доступной для корневых систем растений [3].
Сельскохозяйственные культуры по-разному реагируют на засоление почвы. Некоторые из них могут формировать приемлемый урожай при достаточно высоком уровне солей в почве, а другие очень чувствительны к засолению, что во многом связано со способностью растений адаптироваться к изменениям осмотического давления в почвенном растворе [4, 5].
Для рекультивации засоленных почв необходимы оценка и мониторинг их состояния. Степень минерализации почвенного раствора определяется путем измерения электропроводности (ЕС) водной суспензии из почвы. Это метод можно использовать в различных условиях, однако его применение связано с отбором образцов почвы и способам измерения ЕС почвенной суспензии. Поэтому сложно проконтролировать изменение содержания солей в динамике на небольшой площади, поскольку отбор проб почвы происходит с нарушением исследуемой среды (структура почвы, потоки воды и др.), занимает много времени и зачастую дорого стоит.
Засоление почвы можно также оценивать косвенными методами путем измерения объемного электросопротивления (ER, Ом·см), или объемной электропроводности (ECa,
Ом·м). Разработка проксимальных систем почвенных датчиков и геофизических методов измерения ECa или ER облегчает сбор больших данных с использованием менее дорогостоящей, более простой и менее трудоемкой в использовании техники. Эти датчики могут быть инвазивными или не инвазивными, в том числе монтироваться на транспортных средствах. При этом желательно использовать наименее инвазивные методы и самые совершенные датчики для сбора большего количества данных [6].
Еще один важный фактор, связанный с плодородием почвы, – устойчивость почвенных агрегатов (WSA), которая определяет способность сопротивления почвы разрушающему воздействию осадков, стокаповерхностных вод и ветра. Помимо внешних факторов, на величину этого показателя влияют многие внутренние свойства почвы, например, содержание органических веществ, гранулометрический состав, пористость и др., а также эффективность управления землепользованием [7].
Цель нашего исследования – определение влияния фертигации на засоление почвы и содержания в ней водно-стабильных агрегатов.
Условия, материалы и методы исследований. Экспериментальные исследования осуществляли в западной части города Прага на территории кампуса Чешского университета естественных наук с географическими координатами 50° 8'N и 14° 23'E. Высота над уровнем моря составляет 286 м, среднегодовая температура воздуха – 9,1°C, сумма осадков – 495 мм. Почва – чернозём суглинистой текстуры с содержанием 22,0…32,5 % песка, 39,5…54,0 % ила и 22,0…28,0 % глины. Предельная полевая влагоемкость почвы и влажность устойчивого увядания составляют 34 и 21 % соответственно. Траву на рассматриваемом участке посеяли весной 2009 г. и с тех пор ее состояние поддерживали в виде короткого газона [8].
Количество доступной влаги в корнеобитаемой зоне представляет собой разницу между фактической влажностью почвы и влажностью устойчивого увядания:
(1)
где TAW – содержание доступной влаги в корнеобитаемой зоне, мм;
θfc – фактическая влажность почвы, %;
θwp – содержание воды в точке увядания, %;
Zr – глубина корнеобитаемого слоя, мм.
Для проведения экспериментов поле было разделено на 4 участка:
с фертигацией питательным раствором А (EC = 1 мСм/см, рН = 6) – высокое засоление;
с фертигацией питательным раствором Б (EC = 2 мСм/см, рН = 6) – низкое засоление;
с поливом водопроводной водой без удобрений (EC = 274 мСм/см, рН = 6,5) – орошение;
без удобрений и полива – контроль.
Для снятия изучаемых характеристик использовали датчики типа 5TE, которые независимо определяют три показателя – объемное содержание воды (VWC) путем измерения диэлектрической проницаемости среды на основе емкостной/частотной технологии, температуру и EC. На каждом участке были установлены по два датчика: один – на глубине
10 см, второй – 20 см. Кроме того, для настройки и загрузки данных в формате Excelс использовали два электронных регистратора Em50 были с программным обеспечением ECH2O. Интервал измерения – 1 ч.
Сведения о погоде получали с метеостанции в Suchdol ежедневно, используя TightVNC, пакет программного обеспечения дистанционного управления. Суточную эвапотранспирацию травяного газона оценивали с использованием DSS-FSS, работающей по модифицированным уравнениям ФАО Penman-Monteith [10].
Количественный показатель общего засоления почвы определяли путем извлечения водорастворимых солей из почвы дистиллированной водой (при отношении почвы к воде 1:5) и измерения удельной электрической
проводимости водной вытяжки. Содержание водостойких агрегатов (WSA) измеряли в соответствии с методологией для устройства ситового просеивания № 12 (Diaz-Zorita, et al., 2002) и стандарта DIN 19683-16 [11]:
(2)
где WSA – индекс водопрочности (стабильности) агрегатов;
Wds – масса диспергированных агрегатов в диспергирующем растворе, г;
Wdw – масса диспергированного агрегата в дистиллированной воде, г.
Пробы для исследования отбирали из почвы в сентябре, ноябре и январе. Образцы биомассы также были взяты после вегетационного периода для оценки общей сухой массы.
Анализ и обсуждение результатов исследований. Электропроводность почвы (ЕС) мало зависела от участка, глубины и сроков отбора проб, на что указывают незначительные (p = 0,173 > 0,05) различия между значениями EC для разных методов фертигации на двух глубинах со временем (рисунок 1).
Доля водопрочных агрегатов была несколько выше в варианте с фертигацией питательным раствором А (высокое засоление) и при простом орошении (без питания) в течение всего экспериментального периода. При этом к концу экспериментального период во всех вариантах с орошением величина WSA была выше, чем в контроле.
Результаты непрерывного мониторинга EC почвы с помощью системы Decagon ECH2O и датчиков 5TE показали, что в ходе опыта величина этого показателя, согласно классификации USDA [12], изменялась в границах, соответствующих почве без засоления и слабо засоленной. В конце экспериментального периода на всех участках засоление почвы отсутствовало.
Выводы. Результаты непрерывного мониторинга электропроводности почвы свидетельствуют, что используемые в опыте концентрации растворов для фертигации не приводят к засолению почвы. При этом в вариантах с орошением, в том числе растворами минеральных удобрений, возрастала доля водопрочных агрегатов.
