Гипсование почв — прием химической мелиорации солонцовых почв, имеющих большую долю натрия в почвенном поглощающем комплексе (ППК) и щелочную реакцию с помощью гипса (СаSO4⋅2Н2O). Солонцовые почвы характеризуются неблагоприятными физическими, химическими, физико-химическими и биологическими свойствами и низким плодородием.
Метод гипсования почв научно обоснован и разработан отечественными учеными. Главной заслугой в изучении солонцовых почв принадлежит академику К.К. Гедройцу.
Свойства солонцовых почв
Солонцы и солонцеватые почвы занимают в России более 30 млн га (26 млн га[1]), из которых около 11 млн га пашни.[2] В целом, солонцы и сильносолонцеватые почвы занимают в странах СНГ около 115 млн га, из которых пашни — 23,9 млн га.[1]
Солонцы распространены в южных районах Поволжья, Западной и Восточной Сибири, Южном Урале и Северном Кавказе, степных районах Казахстана. Встречаются отдельные участки солонцов в виде вкраплений в основных земельных массивах.
Эти почвы характеризуются высокой связностью, плохими физико-химическими свойствами. Во влажном состоянии они диспергируют под действием высоких концентраций натрия, превращаясь в мажущую массу. Обработка таких почв приводит к высокой глыбистости. В сухом состоянии их обработка невозможна. Урожаи в этом случае низкие и плохого качества. Микробиологическая деятельность ослаблена из-за высокой щелочности и неустойчивым водным режимом.
Улучшение солонцовых почв путем изменения реакции и состава катионов достигается гипсования.
К.К. Гедройцем предложен метод гипсования солонцов, заключающийся в вытеснении из почвенного поглощающего комплекса катионов Na+ и заменой их на Са2+ с одновременным внесением органических удобрений.
При этом пептизированные натрием органические и минеральные коллоиды вымываются из верхних слоев почвы в нижние, образуя плотный солонцовый горизонт. Натрий, поглощенный ППК, вытесняется раствором углекислого газа (угольной кислотой), образуя карбонаты и гидрокарбонаты — гидролитически щелочные соли натрия, щелочность (рН) почвенного раствора при этом становится более 9:
Щелочная реакция почвы неблагоприятна для большинства сельскохозяйственных культур и почвенных микроорганизмов. При этом снижается доступность растениям фосфора, железа, марганца, бора.
Часто солонцы располагаются пятнами различного размера (от нескольких метров до сотен метров в поперечнике) среди преобладающих зональных почв, например, каштановых, бурых, черноземных почв лесостепной, степной и полупустынной зон.
Коренное улучшение солонцов достигается вытеснением из ППК натрия и заменой его на катионы кальция, удалением образующихся солей натрия за счет вымывания и разрушением солонцового горизонта. Для мелиорации солонцовых почв устраняют углекислые соли натрия заменой кальцием, а образующийся Na2SO4 — вымыванием.
Отрицательное влияние натрия на физические свойства почвы зависят от его содержанием в ППК. Значительное действие натрия на свойства почвы и урожайность культур отмечается при содержании обменного Na более 10% от ЕКО. Поэтому гипсование проводят, если доля обменного натрия в ППК более 10%.
Наряду с натрием в составе обменных катионов может содержаться до 15-35% магния.
Значение гипсования почв
Гипсование почв способствует улучшению водного режима почв, физических и химических свойств солонцов, повышает их плодородие, снижает щелочность и содержание обменного натрия в ППК, повышает степень насыщенности его кальцием.
Согласно данным полевых опытов, внесение гипса в качестве удобрения на тяжелосуглинистых дерново-подзолистых почвах в дозе 300-500 кг/га под клевер дает среднюю прибавку урожая сена 1,62 т/га, на средних и легких суглинистых почвах — 1,11 т/га, на супесях — 0,72 т/га, на серых лесных и выщелоченных черноземных почвах — 0,65 т/га. Действие гипса на урожайность культур на кислых почвах обусловлено повышением кальциевого и серного питания растений, а также повышением доступности калия, который больше вытесняется из ППК.
Средняя эффективность гипсования на черноземных почвах составляет 3-6 ц/га зерна, на каштановых — 2-3 ц/га. Гипсование дает прибавку урожая зерна на 0,3-0,6 т/га, сена клевера — на 0,6-1 т/га, повышается урожайность сахарной свеклы.
Эффективность гипсования солонцов лесостепной зоны доказана в опытных и производственных условиях. Прибавка урожаев зерна колосовых культур ежегодно на протяжении 7-8 лет после однократного внесения гипса в дозе 10 т/га составляет 0,5 т/га. В степной зоне эффективность гипсования снижается: на лугово-степных солонцах ежегодная прибавка урожая зерновых в среднем за 8-10 лет составляет 0,3-0,4 т/га.
Классификация солонцовых почв
В зависимости от содержания натрия в ППК почвы подразделяются на:
- несолонцеватые с долей натрия до 3-5% от ёмкости поглощения,
- слабосолонцеватые — 5-10%,
- солонцеватые — 10-20%,
- солонцы — свыше 20%.
Солонцы также подразделяются на мелкие, или корковые, с глубоким залеганием солонцового горизонта до 7 см, средние — с глубиной залегания 7-15 см, и глубокостолбчатые — с залеганием на глубине свыше 15 см.
Помимо солонцов распространены засолённые почвы. По степени засоления, то есть по количеству солей и глубине залегания соленосных горизонтов, засоленные почвы подразделяются на:
- слабосолончаковатые с долей солей более 0,25% на глубине 80-150 см;
- солончаковатые с долей солей более 0,25% на глубине 30-80 см;
- солончаковые с залеганием соленосного горизонта на глубине 5-30 см;
- солончаки с содержанием в верхнем слое не менее 1% солей, достигая иногда более 10%.
По составу солей солончаки разделяют на:
- сульфатные с преимущественным содержанием Na2SO4,
- содовые — Na2CO3 и NaHCO3,
- хлоридные — NaCl и MgCl2,
- смешанные.
Процессы, протекающие при внесении гипса в почву
При попадании гипса в щелочную среду происходит реакция:
Na2CO3 + CaSO4 → CaCO3 + Na2SO4,
кальций постепенно вытесняет натрий из ППК:
Образующийся сульфат натрия является гидролитически нейтральной солью, в небольших количествах не наносит вреда растениям, однако при гипсовании солонцов, где содержание натрия более 20% ЕКО, его удаляют вымыванием из корнеобитаемого слоя.
Устранение карбоната натрия из почвенного раствора и замена в ППК натрия на кальций если не ликвидирует, то снижает щелочность среды. При этом происходит коагуляция почвенных коллоидов, улучшая физические, физико-химические и биологические свойства солонцовых почв (улучшаются условия обработки, аэрация и водопроницаемость).
Гипс одновременно является источником кальция и серы для питания растений.
Эффективность гипсования
На повышение эффективности гипсования почв оказывает влияние:
- орошение;
- глубокая вспашка;
- снегозадержание;
- применение местных и промышленных удобрений;
- при внесении навоза прибавки урожая от гипса и навоза суммируются.
Оптимальными формами удобрений на солонцовых почвах являются сульфат аммония и простой суперфосфат.
Изменения, вызванные гипсованием, сохраняются на протяжении многих лет.
В лесостепной зоне гипсование солонцов эффективнее, чем в степной зоне, преимущественно гипсованию подвергаются солонцовые пятна с участием до 30% в луговостепных комплексах с глубиной залегания грунтовых вод более 1,5-2,0 м. Солонцовые почвы степной зоны вместо гипсования подвергают самомелиорации, то есть обрабатывают плантажными трехъярусными или мелиоративными плугами для припахивания СаСO3 или СаSO4, залегающих под солонцовым горизонтом.
Некоторые солонцы подвергают комплексной мелиорации, включающую мелиоративную обработку с поверхностным внесением стартовых доз гипса для устранения почвенной корки, а также фитомелиорацию для активации самомелиорации за счет внутрипочвенных запасов кальция.
Наряду с гипсованием в систему агротехнических мелиоративных мероприятий входит посев многолетних трав, внесение органических и минеральных удобрений. На слабосолонцеватых почвах способствуют их улучшению повышенные дозы навоза, компостов и других органических удобрений, вносимые под глубокую вспашку.
Почвы сухостепной и полупустынной зон, как правило, характеризуются высоким содержанием поглощенного кальция. С развитием солонцеватости доля поглощенного кальция уменьшается, а поглощенного натрия и магния увеличивается. Процесс рассолонцевания должен сопровождаться замещением обменного натрия и части магния кальцием. Коренное преобразование солонцов возможно при:
- замещении натрия кальцием, при содержании натрия более 10% от суммы катионов;
- вытеснении части поглощенного магния, которая составляет более 30% от суммы катионов;
- насыщении кальцием поглощающего комплекса до 70% от суммы катионов.
Перекос в структуре посевных площадей мелиоративных севооборотов, например, преобладание многолетних трав в неорошаемых условиях степной зоны, приводит к снижению интенсивности рассоления, или преобладание зернопаровых звеньев в севообороте приводит к дефициту органического вещества в почве.
В богарных (неорошаемых) условиях из-за медленного взаимодействия мелиорантов с почвой положительное действие продолжается долго, полный эффект проявляется через 4-5 лет. Для повышения эффективности гипсования необходимо улучшать влагообеспеченность богарных почв, для чего применяют снегозадержание, глубокую заделку мелиорантов. При орошении возникает опасность вторичного засоления солонцовых почв.
Эффективность гипсования почв возрастает в сочетании с внесеним органических и минеральных удобрений. Среди минеральных удобрений наибольший эффект достигается от физиологически и гидролитически кислых форм.
Изменения агрохимических и физических свойств солонцовых почв происходят медленно, сохраняются длительное время, поэтому повторные мелиорации при необходимости проводят не ранее чем через 10 и более лет.
Дозы, сроки и способы внесения гипса
В основе расчета потребности солонцовых почв в химических мелиорантах заложена степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса кальцием. Необходимость в химической мелиорации солонцовых почв возрастает при переходе от слабосолонцеватых к солонцеватым почвам и солонцам, то есть с увеличением доли натрия в ЕКО с 5-10 до 20% и более.
Из уравнения химической реакции взаимодействия гипса и карбоната натрия почвы следует, что для замещения 1 г натрия по эквивалентной массе необходимо 0,086 г СаSO4⋅2Н2О, тогда для замещения избытка натрия в 1 г почвы до безопасного содержания (К) — 0,086 (Na — KТ)/100 г (СаSO4⋅2Н2O). Для слоя почвы толщиной 1 см на площади в 1 га (108 см2) доза гипса Д (т/га) составит:
где Na — содержание натрия, ммоль на 100 г почвы; K — коэффициент безопасного содержания натрия, как правило, равен 0,1 (10%); Т — ёмкость поглощения, ммоль на 100 г почвы.
Для всего мелиорируемого слоя (H, см) почвы при объемной массе d (г/см3) эквивалентная доза гипса Д (т/га) составит:
где 0,086 — мг-экв CaSO4⋅2H2O, г; Na — содержание натрия, ммоль на 100 г почвы; K — коэффициент безопасного содержания натрия, как правило, равен 0,1 (10%); Т — емкость поглощения, мг-экв/100 г почвы; H — мощность мелиорируемого слоя, см; d — объемная масса мелиорируемого слоя, г/см3.
Пример. В массиве южного чернозема солонец характеризуется емкостью поглощения Т = 25 ммоль/100 г почвы, содержание натрия Nа = 6 мг-экв/100 г почвы, мощность мелиорируемого слоя Н = 25 см, объемная масса мелиорируемого слоя d = 1,6 г/см3. Доза гипса СаSO4⋅2Н2O при этом составит:
Д = 0,086 (5 — 0,1 ⋅ 20) ⋅ 20 ⋅ 1,7 = 12,0 т/га.
По степени насыщенности солонцов кальцием их подразделяют на:
- ненасыщенные кальцием — при содержании его в поглощающем комплексе менее 70%. Такие солонцы встречаются в полупустынной зоне;
- насыщенные кальцием — при его содержании в поглощающем комплексе около 70% от суммы катионов. Доза гипса для мелиорации таких солонцов может быть определена по вышеприведенной формуле.
Ненасыщенные солонцы могут быть многонатриевые, или типичные, и малонатриевые, то есть с содержанием поглощенного натрия менее 10% от суммы катионов. Норма внесения гипса для многонатриевых солонцов должна соответствовать сумме замещаемого поглощенного натрия до уровня 10% и части магния, которая превышает 30% от суммы катионов:
Для малонатриевых солонцов дозы гипса определяются по содержанию поглощенного магния:
Для солонцовых почв, содержащих карбонат натрия (соду), увеличивают норму внесения гипса для нейтрализации негативного действия соды на растения. Насыщение почвенного поглощающего комплекса кальцием почв сухостепной и полупустынной зон до 65-70% способствует подавлению диспергирующей роли натрия и магния.
В условиях степного богарного (неорошаемого) земледелия гипсование почв эффективно при условии среднегодового количества осадков более 400 мм. В сухостепной зоне со среднегодовым количеством осадков менее 300-350 мм химическая мелиорация эффективна только при орошении.
Большие дозы гипса можно вносить поэтапно в течение 2-3 лет. Лучшее место в севообороте для внесения гипса — чистые пары и пропашные культуры. Вносят его обычно под зяблевую вспашку. Допустимо вносить гипс под яровую пшеницу и однолетние травы. На корковых солонцах гипс вносят после вспашки с заделкой культиваторами. На средних и глубоких столбчатых солонцах с мощностью перегнойного слоя более 20 см гипс заделывают плугами с предплужниками. На солонцах с меньшей мощностью перегнойного горизонта гипс вносят в два приема: перед вспашкой и под культивацию после вспашки. Причем соотношение первой и второй частей дозы зависит от количества выворачиваемого плугами на поверхность солонцового горизонта: чем его больше, тем большая часть дозы вносится после вспашки.
Солонцы и солонцеватые почвы, как правило, встречаются пятнами среди зональных почв. Если они занимают до 30% площади поля, то гипс вносят по солонцовым пятнам, если более 30%, гипсование проводят по всей площади.
Для учета содержания действующего вещества в применяемых для гипсования материалах норму внесения корректируют по формуле:
где Дф — фактические нормы внесения материала для гипсования, т/га, Дд.в. — норма внесения чистого гипса, т/га, %д.в. — содержание гипса в материале для гипсования, %.
Для определения примерных норм внесения гипса можно пользоваться зональными рекомендациями:
- в зоне черноземов:
- на корковых содовых солонцах норма составляет 8-10 т/га,
- при слабой щелочности — 3-4 т/га,
- на средне- и глубокостолбчатых солонцах — 3-4 т/га,
- при наличии соды 5-10 т/га;
- в зонах каштановых и бурых почв:
- на солонцеватых почвах — 1-3 т/га,
- на средне- и глубокостолбчатых солонцах — 3-5 т/га,
- на корковых хлоридно-сульфатных солонцах — 5-8 т/га.
Таблица. Ориентировочные нормы гипса, т/га
| Корковые солонцы | ||
| а) содовые | ||
| при незначительной щелочности гипса | ||
| б) хлоридно-сульфатные средне- и глубокостолбчатые солонцы | ||
| при наличии соды | ||
| Солонцеватые почвы | ||
Мелиорирующее действие материалов для гипсования зависит от его растворимости, определяющаяся влажностью почвы, гранулометрическим составом мелиоранта и степенью перемешивания с солонцовым слоем. Поэтому в условиях орошении дозы гипса могут быть уменьшены на 25-30%, в богарных условиях его лучше вносить под чистые пары, при их отсутствии — при основной обработке под однолетние травы, пропашные или яровые зерновые культуры.
Материалы для гипсования
Гипс сыромолотый (СаSO4⋅2Н2O) представляет собой серый или белый мягкий порошок, содержащий 71-73% (класс Б) и 85% (класс А) CaSO4⋅2H2O. Получается путем размола природного гипса. Остаток на сите с размером ячеек 0,25 мм не должен быть более 25%. (до 85% [3]) СаSO4. Получается при размоле природного гипса. В воде плохо растворим, поэтому на эффективность влияет тонина помола. Гранулометрический состав: все частицы должны иметь размер < 1 мм, не менее 70% частиц — < 0,25 мм при влажности не более 8%. Большая влажность приводит к слеживанию гипса, превращая его в глыбы.
Фосфогипс — отход производства двойного суперфосфата, преципитата и экстракционной фосфорной кислоты, представляет собой серый или белый порошок, содержащий 70-75% (89-93% [3]) СаSO4 и 1,5-3% Р2O5 (15-25 кг/т). По эффективности превосходит гипс. При большой влажности слеживается, поэтому, как и сыромолотый гипс, его хранят в сухих хранилищах. При применении учитывают содержащийся в нем фосфор.
Сыромолотый гипс и фосфогипс можно использовать как кальциевое удобрение под бобовые культуры из расчета 300-400 кг/га.
Глиногипс — природные залежи рыхлой, не требующей размола, породы, с содержанием до 60-90% СаSO4 и 1-11% глины.
Пиритные огарки и технические кислоты, например, серную Н2SO4, азотную НNO3 и фосфорную Н3РO4 также можно использовать для кислования щелочных почв. Кислование — более быстрый и эффективный, но экономически более затратный способ устранения щелочности почвенного раствора, при это в ППК натрий заменяется на водород. Несмотря на это, улучшаются питание растений и доступность азота, фосфора и других питательных веществ.
Для замены натрия в ППК можно применять кальцийсодержащие отходы промышленности, например, дефекат, однако использование их ограничено.
Самогипсование
Некоторые хлоридно-сульфатные и сульфатно-хлоридные солонцы каштановых почв могут содержать на глубине 35-45 см слои гипса. Для окультуривания таких почв применяют самогипсование, то есть проводят плантажную вспашку трехъярусным плугом на глубину 45-50 см, при которой происходит перемешивание гипсоносного слоя с верхним солонцовым горизонтом. Весной после глубокой вспашки поле выдерживают до 1,5 месяца под паром, затем дискуют и проводят вспашку через каждые 30-40 дней. В зимний период применяют снегозадержание, а на следующий год высевают яровую пшеницу с подсевом многолетних трав, например, люцерны, житняка, донника и др.
При высоком содержании в подпахотном слое карбоната кальция (известковых пород) его также можно использовать для самомелиорации солонцовых почв, однако действие СаСO3 значительно уступает гипсу CaSO4⋅2H2O. Образующийся при этом Na2SO4 удаляется орошением. Для самомелиорации проводят обработку степных и лугово-степных солонцов плантажными трехъярусными или иными мелиоративными плугами. При однократной обработке в степной зоне получают устойчивые прибавки урожаев зерновых культур — 0,4-0,6 т/га, сена трав — 0,7-0,8 т/га.
Иногда применяют метод планировки, то есть перевозят незасоленную почву на солонцовые участки на протяжении 3-5 лет из расчета 500 т на 1 га. Метод трудоёмок, требует больших экономических затрат и не может получить широкого распространения.
Для улучшения свойств слабосолонцеватых почв, как правило, прибегают к самомелиорации, землеванию и фитомелиорации.
Землевание — прием перемещения скрепером (бульдозером) на солонцеватые (солонцовые) пятна плодородной почвы прилегающего основного зонального типа почв, чаще всего черноземов, слоем 15-20 см. В расчете на 1 га попадает примерно 10 т кальция, часть которого вовлекается в мелиорацию нижележащего солонцеватого (солонцового) горизонта.
Фитомелиорация эффективна при любых видах мелиорации при условии правильного подбора культур, чередования и оптимальных технологиях возделывания. Для различных регионов России разработаны группировки культур по соле- и солонцеустойчивости, устойчивости к засухе, переувлажнению и иным неблагоприятным условиям. Так, в структуре мелиоративного севооборота соотношение площадей пара и культур должны способствовать интенсивному рассолению и рассолонцеванию с учетом используемых видов мелиорации (гипсование, кислование, самогипсование, землевание).
Фитомелиорация в комплексе с другими видами мелиорации должна способствовать обеспечению оптимального режима органического вещества почвы для улучшения водопрочной структуры, повышения биологической активности и активации взаимодействия мелиоранта с ППК.
Литература
Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. Под ред. В.С. Никляева. — М.: «Былина», 2000. — 555 с.
Агрохимия. Учебник/В.Г. Минеев, В.Г. Сычев, Г.П. Гамзиков и др.; под ред. В.Г. Минеева. — М.: Изд-во ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, 2017. — 854 с.
Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия/Под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Колос, 2002. — 584 с.: ил.
