Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

Введение

Удовлетворение растущих потребностей и запросов стремительно увеличивающегося населения, обеспечение достаточного количества и качества сельскохозяйственной продукции, а также продовольственной безопасности невозможно без учета экологической чистоты и улучшения мелиоративного состояния почв. Однако среди сельскохозяйственных угодий встречаются почвы с крайне низким плодородием и неудовлетворительным мелиоративным состоянием. В таких почвах присутствуют плотные слои с гипсом, карбонатно-гипсовые и арзыковые горизонты, которые практически непроницаемы для воды и существенно ограничивают плодородие. Общая площадь арзыковых, гипсовых и шоховых почв Ферганской долины превышает 300 тыс. га. Улучшение их мелиоративного состояния и повышение плодородия является важной задачей для увеличения объема сельскохозяйственной продукции [1].

Самыми сложными по агроэкологическим и мелиоративным условиям являются почвы, сформировавшиеся на озерно-пролювиальной равнине Ферганской долины. Особенно сложное экомелиоративное состояние имеет центральная часть – Каракалпакский степ. До начала ирригационно-мелиоративного освоения территория Центральной Ферганы представляла собой ряды слабо закрепленных и незакрепленных песчаных дюн, барханов, между которыми располагались солончаки, озера в низинах, заболоченные участки и болотистые луга. После строительства Большого Ферганского канала (1939) началось освоение земель Центральной Ферганы, а 1960-е гг. стали периодом массового освоения целинных и залежных земель. В этот период в круг орошаемого земледелия вошли также участки с тяжелыми мелиоративными условиями. Особенно активно освоение продолжалось в 1980–1990-е гг., когда были освоены почти все земли, за исключением крупных песчаных массивов.

Однако в процессе эксплуатации вновь освоенных земель возникло множество проблем. Почвы, устойчивые к мелиорации, оказались сильно гипсованными, карбонатно-гипсовыми (арзыковыми) и содержали плотные шоховые горизонты. В таких условиях рост даже диких растений ограничен. Несмотря на долгосрочную эксплуатацию этих земель (40–45 лет), существенных изменений в их мелиоративном состоянии не наблюдается. К числу таких сложных по мелиоративным характеристикам земель Центральной Ферганы относятся и арзыковые почвы территории, прилегающей к Центрально-Ферганскому водохранилищу, введенному в эксплуатацию в 2013 г. На данной территории не возделываются хлопчатник и другие технические культуры – выращиваются лишь рис и дыни, урожайность которых ограничена. В этом регионе широко распространены искусственные пруды и озера, предназначенные для рыбоводства.

Объем воды Центрально-Ферганского водохранилища составляет 350 млн м3, что позволяет улучшить водоснабжение 85 000 га сельскохозяйственных угодий. Однако существует и отрицательное влияние водохранилища на мелиоративное состояние земель. На расстоянии 100–150 м от водохранилища проявляются признаки заболачивания, а на остальной территории активизируются процессы засоления. Повышение эффективности использования земель в зоне влияния Центрально-Ферганского водохранилища требует глубокого изучения текущей агроэкологической и мелиоративной ситуации, анализа применяемых мелиоративных и агротехнических мероприятий, а также разработки научно обоснованных рекомендаций. Изучение морфологических и генетических характеристик почв, их химических и физических свойств, а также мелиоративного состояния позволит определить рациональные и эффективные пути использования земель региона.

В Ферганской долине, особенно в ее центральной части, распространение гипсовых, арзыковых и шоховых почв, а также их химические свойства упоминаются в работах А.А. Менци, М.А. Панкова, А.Н. Розанова и других исследователей. В литературе также представлены различные мнения о происхождении этих почв, их уникальных свойствах и особенностях формирования.

С началом использования арзыковых земель в орошаемом земледелии в 1970-х гг. были выявлены проблемы, связанные с их освоением и мелиорацией. Это вызвало необходимость более глубокого изучения данных почв и проведения ряда научных и прикладных исследований.

Одним из первых исследований, направленных на улучшение мелиоративного состояния и повышения плодородие арзыковых почв, стали работы сотрудников СоюзНИХИ (ныне УзПИТИ), проведенные на экспериментальном участке новоосвоенных земель в Язъяванском районе. Характерными чертами профиля почв этого участка являются: наличие погребенных гумусовых горизонтов, арзыковый слой на глубине 30–50 см, шоховый слой на глубине 50–80 см и сверхплотный (цементированный) песчаный слой на глубине 3–3,5 м. Исследователи обратили внимание на преобладание магния над кальцием в почвах, выдвинув гипотезу о том, что высокую плотность арзыкового слоя обусловливает не кальций, а сульфат магния.

Под руководством акад. К.М. Мирзажонова были проведены практические эксперименты по улучшению мелиоративного состояния арзыковых почв путем глубокого рыхления почвы и внесения органических удобрений, что дало положительные результаты.

В 1976–1993 гг. В.Ю. Исаков исследовал географию, происхождение, морфолого-генетические, физико-химические и водные свойства почв с гипсоносными, арзыковыми и шоховыми (высококарбонатными) горизонтами, сформировавшихся в элювиальных и аккумулятивных условиях Ферганской долины. Также проведены ряд экспериментов по освоению засоленных арзыковых земель и улучшению их мелиоративного состояния. Результаты этих исследований легли в основу почвенно-мелиоративных разделов многих проектов по освоению новых земель и улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель, разработанных проектным институтом «Ферганагипроводхоз».

Эти работы были продолжены и впоследствии выявлены изменения, происходившие в арзыковых почвах под воздействием орошаемого земледелия [2]. Сотрудники НИИ почвенных и агрохимических исследований изучили химические и агрохимические свойства аллювиальных и болотных гидроморфных почв Ферганской долины, проанализировав направления протекающих процессов [3, 4].

Под руководством Г. Юлдашева началось углубленное изучение химических и геохимических свойств почв долины, включая арзыковые почвы [5–7 и др.].

Цель исследования – изучить агрохимические свойства орошаемых луговых арзыковых почв, формирующихся на территориях, прилегающих к Центрально-Ферганскому водохранилищу, а также провести ретроспективный анализ изменений этих свойств по сравнению с предыдущими периодами.

Материалы и методы исследования

Объектом данного исследования являются почвы зоны воздействия Центрально-Ферганского водохранилища и прилегающих к нему территорий. Исследования проводились в период с 2022 по 2024 г. в полевых, лабораторных и камеральных условиях. Материалом для настоящей статьи послужили данные, полученные в ходе этих исследований, касающиеся строения почвенного разреза, морфологических характеристик, засоления, содержания гумуса и NPK.

В процессе полевых исследований использовался метод размещения почвенных разрезов вдоль геохимико-географического профиля. Также применялись «Методические рекомендации» Института почвоведения им. В.В. Докучаева. Лабораторные анализы проводились по методикам, изложенным в пособии «Руководство по проведению химических и агрофизических анализов почвы при мониторинге земель».

Результаты исследования и их обсуждение

Агрохимические свойства почвы – это совокупность характеристик, определяющих ее способность обеспечивать растения питательными веществами и влиять на эффективность применения удобрений и агрохимикатов. В этот набор входят состав и количество органического вещества, положительно влияющего на связность почвы, ее водоудерживающую способность и служащего источником питательных веществ, способность почвы поглощать и обменивать (сорбировать) питательные и токсичные элементы, а также свойства содержать макроэлементы, такие как азот, фосфор, калий, магний, кальций, и микроэлементы, такие как медь, цинк, железо, необходимые для роста и развития растений. Агрохимические свойства и характеристики позволяют правильно выбирать, дозировать и применять удобрения, прогнозировать урожайность и обеспечивать ее стабильность.

Арзыковые почвы, как особая группа засоленных почв, были выявлены в конце 1970-х гг. на северо-западных окраинах конусов выноса Исфайрам-Шахимардансай и на территориях озерно-пролювиальной равнины. Сегодня практически все территории распространения гипсоносных и гипсо-карбонатных почв вовлечены в оросительное земледелие. Эколого-мелиоративное состояние, как и агрохимические свойства освоенных почв, варьируется в зависимости от длительности ирригационного периода, комплекса мелиоративных мероприятий, интенсивности земледелия и других факторов.

Центрально-Ферганское водохранилище и прилегающие территории, зона его воздействия, в геоморфологическом отношении расположены на озерно-пролювиальной равнине. В данном регионе распространены орошаемые луговые арзыковые почвы с различной степенью засоления и с гипсово-карбонатными прослоями на различной глубине разреза. Их плодородие крайне низкое, питательными элементами не обеспечены, а физические свойства неудовлетворительны (высокая плотность и слабая водопроницаемость).

Изученные разрезы почв отличаются от разрезов луговых и лугово-болотных почв региона наличием специфических горизонтов, таких как гипсовые, карбонатные, солончаковые, гипсо-карбонатные и карбонатно-солончаковые слои. Эти образования различаются по внешнему виду, морфологии и микроморфологии, структуре, количеству слагаемых компонентов. Разрезы гипсоносно-окарбоначенных почв резко отличаются от других почв региона, имея трехслойную или трехъярусную структуру.

Верхний «надарзыковый», или «истинный почвенный», горизонт, характерный для мелко и глубоко арзыконосных почв, состоит из мелкозернистой массы. Содержание гипса в этом горизонте может достигать 10 %. В поверхностно-арзыковых почвах верхняя часть разреза состоит из гипсового горизонта с содержанием гипса 20–30 % и более. Этот слой также содержит легкорастворимые соли с варьирующейся степенью засоленности – от слабой до сильной, включая солончаки.

Средний слой профиля – арзыконосный (гипсо-карбонатный) горизонт почв состоит из двух, трех или более арзыковых прослоев, содержащих 10–70 % гипса и 15–40 % карбонатов. Эти слои также включают различное количество легкорастворимых солей, часть которых находится внутри гипсовых кристаллов и гипсо-карбонатных агрегатов. Арзыковые слои плотные и часто включают в разной степени цементированные прослои, что минимизирует аэрацию, ухудшает водопроницаемость и влагозадержание.

Нижний слой профиля представляет собой высококарбонатный – шоховый горизонт, состоящий из карбонатных конкреций, монолитно или фрагментарно цементированных и рыхлых прослоев. Масса этого горизонта на 30–60 % состоит из кальцита, доломита, магнезита и других карбонатных и сульфатных минералов.

На орошаемых землях, прилегающих к водохранилищу, мощность пахотного слоя лугово-арзыковых почв составляет 20–30 см, местами до 40 см. По гранулометрическому составу преобладают песчаные и супесчаные разности. Ниже расположен глинистый, арзыковый слой толщиной до 1–1,5 м, характеризующийся высокой плотностью (1,6–2,1 г/см³), низкой пористостью (25–40 %) и очень слабой водопроницаемостью (0,003 м/сутки и менее). Этот слой является механическим препятствием для корневых систем растений и передвижения влаги. Для мигрирующих химических элементов и соединений являются гидрохимическим барьером.

Барьерная функция арзыкового слоя определяет устойчивость почв к мелиоративным воздействиям. Высокая плотность и низкая пористость минимизируют вертикальный поток влаги. Для промывки солей через слой арзыка толщиной более 1 м требуется значительное количество воды. Вода насыщает мелкие капилляры горизонта, что препятствует дальнейшему движению потока. В результате соли перераспределяются, но их общее содержание не снижается существенно.

Таблица 1

Содержание легкорастворимых солей в орошаемых лугово-карбонатных почвах, %

Источник: составлено авторами.

Весной поверхностный слой почвы частично освобождается от солей за счет осадков. Однако из-за недостаточного количества осадков и неблагоприятных физических свойств почв значительного снижения содержания солей не наблюдается.

В исследованных орошаемых лугово-арзыковых почвах пахотный слой характеризуется средней степенью засоленности. Степень засоления к середине профиля почвы повышается и доходит до очень сильной степени, потом с глубиной несколько понижается. Химизм засоления преимущественно сульфатный, содержание хлоридов повышенное. Токсичные соли представлены магниевыми и натриевыми хлоридами и сульфатами (табл. 1).

Арзыковый слой состоит из нескольких прослоев. Он в первом разрезе начинается с 50 см, во втором – с подпахотного слоя. Прослои арзыкового горизонта содержат наибольшее количество водорастворимых солей. Уровень засоления характеризуется высокой концентрацией токсичных солей. Максимум солей приходится на верхнюю и среднюю часть слоя арзык. В подарзыковых горизонтах, ближе к уровню грунтовых вод, засоление снижается до среднего и слабого уровня.

Уровень мелиоративного состояния арзыковых почв и положительные изменения, вызванные антропогенными факторами (орошением), согласно результатам наблюдений, зависят от их формирования в определенных геоморфологических и литологических условиях. На северной части исследуемой территории расположены древние и современные равнины Сырдарьи. По данным Н. Каландарова [8], в новоосвоенных территориях в результате выравнивания земель в верхних слоях почвенных разрезов преобладает легкий механический состав. В орошаемых почвах содержание питательных веществ в большинстве мест увеличилось на один уровень. Грунтовые воды, ранее находившиеся на глубине 2–2,5 м, поднялись до уровня 1,3–1,8 м, что привело к усилению процессов гидроморфизма. На большей части территории процессы засоления сменились процессами обессоливания.

На юге, в более возвышенных частях озерно-пролювиальных равнин, а также в нижних частях конусов выносов, в морфологической структуре, агрохимических свойствах и мелиоративном состоянии орошаемых лугово-арзыковых почв, согласно данным М. Исагалиева [9], произошли положительные изменения. В частности, содержание гумуса в пахотных горизонтах почв достигло 0,99–1,28 %, общего азота – 0,109–0,129 %, а его подвижных форм – 13,8–16,5 мг/кг. Общее содержание фосфора и калия составило соответственно 0,14–0,16 % и 1,53–1,82 %, количество подвижных форм – 27,8–29,5 мг/кг и 170–197 мг/кг.

В изученных авторами орошаемых лугово-арзыковых почвах Каракалпакских пустынь содержание гумуса в пахотных горизонтах колеблется в пределах 0,55–0,73 % (табл. 2). В подпахотных горизонтах эти показатели составляют 0,46–0,56 %, а в арзыковом слое – 0,15–0,18 %. Общее содержание фосфора в профиле арзыковых почв варьируется в пределах 0,07–0,15 %, в арзыковом слое – 0,07–0,11 %. Общее содержание калия в упомянутых слоях составляет 1,25–1,70 % и 0,95–1,10. По содержанию подвижных форм фосфора почвы относятся к слабообеспеченным, а по содержанию обменного калия – к группе с низкой обеспеченностью. Содержание подвижного P2O5 в пахотных слоях почв составляет 13,0–20,0 мг/кг, в подпахотных слоях – 9,0–17,5 мг/кг, обменного калия – 125–177 и 106–130 мг/кг соответственно.

Таблица 2

Агрохимические свойства орошаемых лугово-арзыковых почв

Источник: составлено авторами.

Рис. 1. Диаграммы содержания гумуса и NPK Источник: составлено авторами по материалам 2024 г.

Агрохимические свойства почв могут изменяться в положительную или отрицательную сторону под влиянием таких факторов, как орошение, применение химических и органических удобрений, эрозия, дефляция, изменение почвенной среды и засоление в условиях интенсивного земледелия.

Рис. 2. Диаграммы содержания гумуса и NPK Источник: составлено авторами по материалам 1977–1978 гг.1]

Содержание гумуса в пахотных слоях почв исследуемой территории в 2024 г. варьировалось в пределах 0,476–1,118 %, а содержание общего азота – в пределах 0,039–0,85 %. В подпахотных слоях почв эти показатели составили 0,373–0,89 % и 0,024–0,046 % соответственно. Сравнение этих данных с показателями 1977–1978 гг. показало, что количество гумуса в пахотном горизонте увеличилось в среднем на 0,097 %, а содержание общего азота – на 0,046 %. В подпахотном горизонте гумус увеличился в среднем на 0,1 %, а азот – на 0,018 % (рис. 1 и 2).

В 2024 г. по сравнению с 1977–1978 гг. наблюдалось снижение как общего, так и подвижного количества фосфора и калия. В пахотных горизонтах снижение составило в среднем 0,004 % для валового фосфора и 0,425 % для общего калия, в подпахотных слоях – 0,006 % и 0,555 % соответственно.

Количество подвижного фосфора в пахотных горизонтах почв в 2024 г. составляло 8,0–20,0 мг/кг, что в среднем на 3,65 мг/кг меньше по сравнению с предыдущими годами. В подпахотных слоях, напротив, его содержание увеличилось на 4,05 мг/кг, достигнув 8,0–17,5 мг/кг. Количество подвижного калия, как и общего калия, уменьшилось в обоих горизонтах, снижение составило 70,5 и 79,5 мг/кг соответственно.

Снижение содержания фосфора (P₂O₅) и калия (K₂O) в условиях орошаемого земледелия может быть обусловлено выносом питательных веществ с урожаем, вымыванием элементов вследствие интенсивного орошения, а также недостаточным внесением фосфорных и калийных удобрений. На исследуемой территории уже много лет выращивается рис, требующий большого количества воды, что также могло способствовать снижению содержания фосфора и калия.

Представленные агрохимические характеристики показывают, что для орошаемых луговых почв, особенно арзыкового слоя, характерно резкое снижение содержания гумуса, общего и подвижного содержания элементов питания.

Заключение

Исследуемые почвы в целом характеризуются низким содержанием гумуса, валового азота и фосфора, бедностью практически значимого подвижного фосфора и обменного калия в обрабатываемых горизонтах, а также крайне низким содержанием подвижного фосфора и калия в гипсовом и арзыковом горизонтах. Водно-физические свойства и агромелиоративные характеристики этих почв неудовлетворительны.

Исследования 2023–2024 гг. показали некоторое увеличение количества гумуса и общего азота по сравнению с 1977–1978 гг. Однако содержание валовых и подвижных форм фосфора и калия снижено. Исключением является подпочвенный слой, в котором содержание подвижного фосфора увеличилось на 4 мг/кг. В целом низкое плодородие почв обусловлено такими лимитирующими факторами, как дефицит гумуса и питательных элементов. Для повышения продуктивности почв необходимо улучшение водно-физических свойств, а также широкое применение органических и минеральных удобрений.