Гипсование почв

Свойства солонцовых почв

Солонцы и солонцеватые почвы занимают в России более 30 млн га (26 млн га), из которых около 11 млн га пашни. В целом, солонцы и сильносолонцеватые почвы занимают в странах СНГ около 115 млн га, из которых пашни — 23,9 млн га.

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 щёлочности и неустойчивым водным режимом.

Улучшение солонцовых почв путём 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 Ca²⁺ с одновременным внесением органических удобрений.

При этом пептизированные натрием органические и минеральные коллоиды вымываются из верхних слоёв почвы в нижние, образуя плотный солонцовый горизонт. Натрий, поглощённый ППК, вытесняется раствором углекислого газа (угольной кислотой), образуя карбонаты и гидрокарбонаты — гидролитически щелочные соли натрия, щёлочность (pH) почвенного раствора при этом становится более 9:

Значение гипсования почв

Гипсование почв способствует улучшению водного и воздушного режимов почв, физических, биологических и химических свойств солонцов, повышает их плодородие и микробиологическую активность, снижает щёлочность и содержание обменного натрия в ППК, повышает степень насыщенности его кальцием, облегчает почвообработку. Вносимый гипс усиливает коагуляцию почвенных частиц, способствуя образованию прочной комковатой структуры. Действие гипса сохраняется в течение 8-10 лет.

Согласно данным полевых опытов, внесение гипса в качестве удобрения на тяжелосуглинистых дерново-подзолистых почвах в дозе 300-500 кг/га под клевер даёт среднюю прибавку урожая сена 1,62 т/га, на средних и лёгких суглинистых почвах — 1,11 т/га, на супесях — 0,72 т/га, на серых лесных и выщелоченных чернозёмных 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 чернозёмных почвах составляет 3-6 ц/га зерна, на каштановых — 2-3 ц/га. Гипсование даёт прибавку урожая зерна на 0,3-0,6 т/га, сена клевера — на 0,6-1 т/га, повышается урожайность сахарной свёклы.

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:

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 щёлочность 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 эффективность гипсования почв оказывает влияние:

• орошение;
• глубокая вспашка;
• снегозадержание;
• применение 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 трёхъярусными или мелиоративными плугами для припахивания CaCO₃ или CaSO₄, 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 счёт 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 поглощённого кальция. С развитием солонцеватости доля поглощённого кальция уменьшается, а поглощённого 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 поглощённого 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 внесением 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 расчёта 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 CaSO₄⋅2H₂O, тогда для замещения избытка натрия в 1 г почвы до безопасного содержания (К) — 0,086 (Na — KТ)/100 г (CaSO₄⋅2H₂O). 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 объёмной 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 — ёмкость поглощения, мг·экв/100 г почвы;
• H — мощность мелиорируемого слоя, см;
• d — объёмная масса мелиорируемого слоя, г/см³.

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 поглощённого натрия менее 10% от суммы катионов. Норма внесения гипса для многонатриевых солонцов должна соответствовать сумме замещаемого поглощённого натрия до уровня 10% и части магния, которая превышает 30% от суммы катионов:

Для малонатриевых солонцов дозы гипса определяются по содержанию поглощённого 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 приёма: перед вспашкой и под культивацию после вспашки. Причём 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 учёта содержания действующего вещества в применяемых для гипсования материалах норму внесения корректируют по формуле:

где Д_ф — фактические нормы внесения материала для гипсования, т/га, Д_д. 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 чернозёмов:

• на корковых содовых солонцах норма составляет 8-10 т/га,
• при слабой щёлочности — 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.

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 (CaSO₄⋅2H₂O) представляет собой серый или белый мягкий порошок, содержащий 71-73% (класс Б) и 85% (класс А) CaSO₄⋅2H₂O. Получается путём размола природного гипса. Остаток на сите с размером ячеек 0,25 мм не должен быть более 25%. (до 85%) CaSO₄. 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%) CaSO₄ и 1,5-3% P₂O₅ (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 нём фосфор.

Сыромолотый гипс и фосфогипс можно использовать как кальциевое удобрение под бобовые культуры из расчёта 300-400 кг/га.

Глиногипс — природные залежи рыхлой, не требующей размола, породы, с содержанием до 60-90% CaSO₄ и 1-11% глины.

Пиритные огарки и технические кислоты, например, серную H₂SO₄, азотную НNO₃ и фосфорную H₃PO₄ также можно использовать для кислования щелочных почв. Кислование — более быстрый и эффективный, но экономически более затратный способ устранения щёлочности 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 трёхъярусным 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 CaCO₃ значительно уступает гипсу CaSO₄⋅2H₂O. Образующийся при этом Na₂SO₄ удаляется орошением. Для самомелиорации проводят обработку степных и лугово-степных солонцов плантажными трёхъярусными 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 расчёта 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 — приём перемещения скрепером (бульдозером) на солонцеватые (солонцовые) пятна плодородной почвы прилегающего основного зонального типа почв, чаще всего чернозёмов, слоем 15-20 см. В расчёте 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 учётом 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

• Никляев В. С. Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. М.: «Былина». 2000
• Минеев В. Г., Сычёв В. Г., Гамзиков Г. П. и др. Агрохимия. Учебник. / Под ред. Минеева В. Г. М.: Изд-во ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова. 2017
• Ягодин Б. А., Жуков Ю. П., Кобзаренко В. И. Агрохимия. / Под ред. Б. А. Ягодина М.: Колос. 2002
• Баздырев Г. И., Лошаков В. Г., Пупонин А. И. и др. Земледелие. Учебник для вузов. М.: Издательство «Колос». 2000