В метеорологической литературе почвенная засуха определяется как явление иссушения почвы, связанное с атмосферной засухой, т.е. определенными условиями погоды в вегетационный период растений, приводящими к недостаточному обеспечению растительности прежде всего сельскохозяйственных культур водой — к уплотнению почвы и гибели урожая.
Такие явления в почвах степей чаще всего проявляются в периоды с дефицитом атмосферного увлажнения почвы. В этом смысле почвенная засуха обычно обусловлена предшествующей сухой осенью и малым количеством зимних осадков и наступает тогда, когда продуктивные запасы влаги в почвах вместе с выпадающими осадками недостаточны для нормальной вегетации растений. К аналогичным последствиям приводит и кумулятивный эффект засухи. Это явление наступает в почве в случае, когда несколько лет подряд выпадает недостаточное количество атмосферных осадков (1889- 1892, 1930-1931, 1938-1939, 1946-1947б, 1963-1964, 1972- 1975). Обычно эти засушливые годы разделяются более или менее длительными периодами удовлетворительного увлажнения, что способствует компенсированию недостатка влаги в почве. Вместе с тем, после 1982 года в черноземах нашего региона кумулятивный эффект засухи приобрел необратимый характер.
О возможности наступления такой ситуации в сельском хозяйстве В.В.Докучаев писал еще в 1992 году. В своей знаменитой работе «Наши степи прежде и теперь» он писал: «Постигшая крестьянство засуха нагрянула не вчера. Она есть закономерное и неумалимое следствие неправильного ведения земледелия в степных и лесостепных районах России». Сегодня, когда едва ли не каждый год становится сложным для сельхозпроизводителей, мы возвращаемся к словам великого почвоведа. В этом смысле на первый план вновь выходит концепция взаимодействия, атмосферного климата с почвой которые материализуется в почвенный климат. Впервые вопрос о почвенном климате выдвинул П.А. Костычев (1886). Он рассматривал его как преломление атмосферного климата через специфические особенности и свойства почвы. Позже А.А. Измаильский в работе «как высохла наша степь» (1892) указывал, что одни и те же почвы в зависимости от их культурного состояния неодинаково используют атмосферные осадки, создавая различный водный режим почвы. С.С. Неуструев (1930, 1932) считал, что атмосферный климат создает почвенный климат, т.е. температурный и водный режимы почвы, которые непосредственно влияют на почвообразование и функционирование почвы.
При этом он, развивая мысль А.А. Измаильского, считал, что климат и микроклимат почвы представляют собой явления иного порядка, чем атмосферный климат и микроклимат, поскольку последние преломляясь в самой почвенной толще, создают особые гидротермические режимы. В результате этого различные типы (подтипы) почв и даже отдельные виды почв должны отличаться по распределению температуры и влажности почвы. К.П. Вершинин (1939) считал, что микрозональность почвенного покрова обуславливается, в значительной мере особенностью микроклимата почвы при одинаковом атмосферном климате. Этого же мнения придерживался С.П. Кравков (1937) который констатировал, что различные почвы, обладающие разными химическими и физическими свойствами, могут иметь собственные климаты, часто резко отличающимся друг от друга, хотя количество тепла и влаги в атмосфере будет в том или ином пункте земной поверхности одинаково. М.М. Филатов (1945) также рассматривал гидротермический режим почвы как почвенный климат, обусловленный климатом атмосферы, преломленным через свойства почвенной массы.
Аналогичные мысли были высказаны М.И. Сумгиным (1931), который отмечал, что климат почвы является как бы передаточным механизмом между общими климатическими условиями и почвенными процессами.Во всех приведенных определениях почвенный климат рассматривается через призму почвообразования. Вместе с тем, П.И. Колосков (1946) определяет климат почвы как совокупность внутрипочвенных физических явлений годовой и суточной цикличности, влияющих на жизнь и продуктивность почвы и стоящих в зависимости от внешнего климата, почвенного субстрата и воздействия на почву и ее покров.
Развивая эту мысль А.М. Шульгин (1957) прямо указывает на роль производственной деятельности человека в развитие почвенного климата:
В его определении климат почвы рассматривается как «совокупность внутрипочвенных физических явлений с суточным и годовым их ходом, развивающихся во взаимосвязи и взаимообусловленности с атмосферным климатом, почвой, растительностью и производственной деятельностью человека». К.А. Уфимцева (1962) определяет почвенный климат как «многолетний тепловой, водный и воздушный режим почвы, тесно связанный с климатом, растительностью, рельефом, характером почвообразующих пород и другими компонентами ландшафта. Особенности почвенного покрова определяют динамику веществ в почвенном профиле, направление процесса почвообразования и степень плодородия почвы. Поэтому размещение почвенного климата в пространстве хорошо согласуется с распределением генетических типов почв. Анализ приведенных определений показывает, что в большинстве из них почва рассматривается либо как природное явление, развивающееся под влиянием климата атмосферы, либо как деятельная поверхность, под воздействием которой формируется климат атмосферы.
Тем самым почва понимается как составная часть физикогеографической среды, находящаяся во взаимодействии с климатом, но отнюдь не как особая среда его проявления. Между тем почва является именно особой средой, в которой в специфических условиях преломляется и проявляется климат атмосферы. Одной из главнейших особенностей почвенного климата является большое влияние на него деятельности человека. Это связано с тем, что по мере развития общества и научно-технического прогресса она все больше подвергается воздействию техники, которые видоизменяют ход протекающих в ней явлений (Жигэу, 1996, 2015). Нами, уже неоднократно отмечалось, что в процессе длительного использования почвы в земледелии, особенно при его низкой агрономической культуре, происходит ухудшение физических свойств этой почвы — таких как плотность сложения, пористость,
структурное состояние, водопроницаемость.
При этом в почвах образуются специфические агрофизические профили, которые не имеют природных аналогов .Концепция физических основ плодородия почв предполагает определенные параметры агрофизических свойств (плотность сложения, общая и дифференциальная пористость и др.) для каждой культуры в отдельности (оптимальные параметры). Точно так же функционирование каждой почвенной системы предполагает определенный интервал агрофизических параметров.
В этом смысле для наших черноземов оптимальными значениями плотности сложения считаются показатели 1,0- 1,3 г\см³. Из таблицы 1 устанавливаем, что агрофизические параметры пахотных черноземов варьируют в широком интервале значений, что неблагоприятно сказывается на водно-физические и гидрофизические свойства почвы. В случае излишне рыхлых агрофизических профилях почва способна усваивать все количество воды, поступающей с осадками. Вместе с тем, при излишней пористости почва характеризуется низкой капиллярной пористостью и высокой некапиллярной (пористостью аэрации) на долю которой приходятся около 2/3 общей пористости. При таком высоком объеме пористости аэрации с поверхности почвы происходит интенсивное физическое испарение влаги, поэтому в таких почвах нормальный режим влажности устанавливается лишь в начале вегетации.
В последующем периоде запасы влаги очень быстро уменьшаются, и наступает почвенная засуха. Поверхностно уплотненные почвы (корковый тип агрофизичекого профиля) характеризуются крайне низким показателями общей пористости с поверхности. В связи с этим такие почвы обладают крайне низкой водопроницаемостью (табл.2). В связи с чем атмосферная влага либо застаивается на поверхность почвы, либо стекает по уклону. Вследствие этого в таких почвах усваивается лишь незначительная часть атмосферных осадков. Тем самым в поверхностно-уплотненных почвах отмечается постоянный дефицит влажности.
Мелкоуплотненные почвы характеризуются высокими показателями плотности сложения и крайне неблагоприятной общей пористостью в нижней части пахотного слоя (0-10 см) и в подпахотном горизонте. И в этом случае почвы характеризуются крайне низкой водопроницаемостью. Плотный подпахотный горизонт препятствует инфильтрации влаги в средние и нижние горизонты. Это приводит к преимущественному накоплению влаги в верхней части пахотного горизонта. Высокий уровень увлажнения в весеннем периоде обусловливает размокание структуры и дезагрегацию почвенного вещества. По мере испарения влаги происходит консолидация почвенного вещества с образованием бесструктурной корки. В поровом пространстве последней преобладают тонкие поры, из которых влага труднодоступна растениям. К тому же в эти поры корни не проникают, в связи с чем растения развивают слабую корневую систему.
При консолидации корка растрескивается с образованием широких трещин, по которым идет интенсивное физическое испарение влаги. Все это приводит к тому, что даже в годы с нормальным количеством атмосферных осадков в почвах устанавливается ощутимый дефицит влаги. Аналогичная гидрофизическая обстановка складывается и в среднеуплотненных почвах. Вместе с тем, по сравнению с поверхностно- и мелкоуплотненными почвами почвенная засуха наступает несколько позже, поэтому на таких почвах в нормальные климатические годы можно получить относительно хорошие урожаи озимых, гороха, а в отдельные годы — и ярового ячменя. Глубокоуплотненные почвы характеризуются низкой водопроницаемостью. Вместе с тем, активный корнеобитаемый слой составляет до 50 см. В связи с этим на таких почвах в нормальные климатические годы дефицит влажности наступает в июле. Почвенная засуха здесь более ощутима в засушливые годы/периоды. Вместе с тем, и в нормальные годы урожаи отдельных культур (кукурузы, подсолнечника, сои и др.) на 20-30% ниже, чем на почвах с рыхлым агрофизическим профилем.
Существенные изменения претерпевает поровое пространство почвы. Это связано в первую очередь с процессами разрушения структуры и деградации структурных агрегатов.Разрушение структуры предполагает ее излишние измельчение под влиянием сельскохозяйственной техники и в процессе вспашки или же других обработок. Разрушение предполагает также дезагрегацию почвенной массы вследствие минерализации почвенного гумуса. Низкие темпы образования свежего гумуса (участвующего в структурообразование) не обеспечивают образование новых агрегатов. Из-за этого в почвах устанавливается устойчивая тенденция обесструктуривания. Этому способствует также резкое сокращение роли биологического фактора в структурообразование. Деградация структурных агрегатов предполагает существенное изменение основных свойств структурных агрегатов.
А это предполагает, в первую очередь, снижение водоустойчивости структуры. При этом разрушение агрегатов 7-3 мм сопровождается образованием, главным образом, агрегатов < 1 мм характеризующихся тонкими порами, из которых влага недоступна растениям. Другими процессами деградации почвенных агрегатов являются их процессы уплотнение. Нашими исследованиями установлено, что наиболее существенные изменения претерпевают агрегаты 7-5 и 5-3 мм. Это режимообразующие агрегаты, которые обеспечивают функционирование почвенной системы.
Их уплотнение сопровождается сокращением агрегатной пористости и их диаметра. Вследствие этого уменьшается влагоемкость почвы, а также степень подвижности и мобильности почвенной влаги (табл. 3, 4). Эти изменения приводят, также к ухудшению гидротермического и водно-воздушного режимов.Одновременно с уплотнением почвы и разрушением структуры наблюдается ухудшение тесно связанных с ними водных свойств почв, от которых зависит режим влажности, баланс влаги, воздушный режим, влагообеспечивающая способность и в итоге
–плодородие. Наиболее информативными показателями сугубо гидрологической деградации почв являются: – уменьшение полной влагоемкости (влаговместимости) почвы (ПВ);
– уменьшение наименьшей (предельно полевой) влагоемкости (НВ) почвы, характеризующий удержание влаги в почве после стекания ее избытка (гравитационной влаги) и ее оптимальное содержание;
– увеличение влажности почвы, при которой происходит увядание растений (ВЗ), т.е. показателя почвенной засухи.
– уменьшение диапазона активной (продуктивной) влаги (ДАВ), т.е. интервала от НВ до ВЗ, или запаса влаги, которую растения могут использовать, т.е. показателя влагообеспечивающей способности почвы.
Признаком деградации почв является не только изменение в неблагоприятную сторону величины перечисленных выше показателей, но и продолжительность их наличия в почве. Так, длительное существование при влажности, соответствующей полной влагоемкости, ухудшает воздушный режим и использование влаги растениями. Нашими исследованиями установлено, что такие условия в нашем регионе чаще всего создаются весной, в годы с высоким количеством атмосферных осадков в этот период года. С этим связано сезонное переувлажнение почв.
Следует отметить, что аналогичные явления отмечаются и в других черноземных регионах (Зайдельман, 1998, 2000: Зайделман и др. 1993, Сапожников, 2000). Более того, как нашими исследованиями, так и исследованиями выше перечисленных авторов, установлено, что площадь сезонно переувлажненных земель постоянно увеличивается. Многочисленными полевыми исследова- ниями, проведенными нами в последние 10-12 лет установлено, что сезонное переувлажнение связано с стратификацией агрогенного слоя на пахотный и подпахотный горизонты.
Последний характеризуется крайне низкой водопроницаемостью (0,02-0,01 мм\мин), что создает условия для переувлажнения пахотного слоя и образования капиллярно-посаженной влаги. В этих условиях в почвах периодически в поверхностном слое протекают анаэробные процессы, приводящие к деградации почвенной биоты и ощелачиванию почвенного раствора.Данные, представленные в таблице 4, указывают на снижение в 1,2-1,3 раза общей пористости, при увеличении плотности сложения от 1,0 до 1,6 г\см³.
Существенные изменения претерпевает дифференциальная пористость. Объем пор, занятых прочносвязанной влагой (<0,2м), увеличивается более чем в 2 раза. При этом более чем в два раза сокращается объем влагопроводящих пор (именно в них содержатся продуктивные запасы влаги), в связи с чем, по мере уплотнения почвы уменьшаются запасы продуктивной влаги. Более чем в 4 раза сокращается объем пор, занятых свободной влагой. При плотности более 1,45 г\см³ уменьшается объем пор, обеспечивающих обмен веществ между почвой и атмосферой. Увеличения объема влагосохраняющих пор (<1,0м) обеспечивает увеличение влажности увядания в 1,5 раза.
Наименьшая влагоемкость сокращается незначительно (на 3,3%). Вместе с тем, в связи с увеличением значений влажности увядания диапазон активной влаги сокращается в 1,7-1,8 раза. Все это указывает на интенсификацию почвенной засухи по мере увеличения степени уплотнения почвы. Отмеченные изменения происходят на фоне гидрологической деградации агроландшафта. В этом плане многочисленные исследования в соседних регионах свидетельствуют о том, что пахотные почвы в условиях агроценозов меньше обеспечены влагой, чем это возможно в данных климатических условиях. Основной недобор влаги происходит в результате сноса снега и поверхностного стока талых вод с полей,
глубокого промерзания почв — в процессе длительного использования в земледелие. Средняя многолетняя глубина промачивания за осенне-зимне-весенний период составляет около 100 см на пашне и около 180 см в степи, при поступлении влаги 78 и 171 мм соответственно (Базыкина, Бойко, 2010). Случаи глубокого промачивания почвенного профиля (более 200 см) на пашне наблюдается реже, чем в степи. Период расхода влаги из почвы пашни под сельскохозяйственными культурами всегда короче, чем в степи, под целинной растительностью.
Его величина в теплое полугодие, по многолетним данным, довольно значительная (116 мм) а под целинной – 152 мм, а с учетом осадков вегетационного периода еще больше (334 под посевами и 467 мм в степи). Это можно объяснить значительным расходом влаги из почв пашни на физическое испарение (80-100 мм за сезон)
до развития сельскохозяйственных культур и после их уборки. Кроме того, культурные растения используют почвенную влагу интенсивнее и полно, в связи с чем почвы под сельскохозяйственными культурами суше, чем под целиной растительностью. Так, средний осенний дефицит влаги в слое 0-150 мм в степи равен 150 мм, а под сельскохозяйственными культурами – 167 см, т.е. чернозем агроценозов суше, чем естественных ценозов (Базыкина, Бойко, 2010).
Таким образом, можно заключить, что гидрологическая деградация носит комплексный характер, а снижение ее эффекта возможно только в условиях оптимизаций агроценозов путем их адаптации к условиям ландшафта. Для этого необходимо знать, каковы возможности андшафта и какие факторы их лимитируют. Эту информацию можно получить лишь на базе почвенных
изысканий. Последние стоят намного меньше, чем потери или недоборы урожаев. При этом следует учесть, что степень гидрологической деградации во времени будет увеличиваться параллельно физической деградации.
В этом смысле недалеки годы, когда урожаи будет уменьшаться даже в нормальные климатические сезоны. Почвенные изыскания в целях адаптации агроценозов к условиям ландшафта проводятся Республиканским центром прикладного почвоведения.