Вода в почве

 Облекая мир в праздничный наряд, 
 Облака земле красоту дарят... 
 ...Зелень трав темней, чем глаза газели, 
 Сладостен ручья вкус и аромат... 
 ...Там, где был пустырь выжженный и голый, 
 Как павлин, земля восхищает взгляд... 

Дакики

Там, где был пустырь выжженный и голый, как павлин, земля восхищает взгляд

В начале книги был подробно описан опыт Ван Гельмонта — голландского алхимика, которого его современники считали чернокнижником и колдуном, как, впрочем, и А. Левенгука, открывшего царство микробов. Ван Гельмонт не обратил внимания на потерю почвой семидесяти граммов своего веса. Зато учел то количество воды, которое пошло на полив посаженной ивы, и сделал вывод о необходимости воды растению. Он считал, что главное в питании растений — вода.

О необходимости полива растения знали еще древние земледельцы Шумера и Египта, но от этого знания до точного расчета дозы полива — достаточно большое расстояние.

Количество воды, потребляемое растениями, значительно превышает поступление таких важных для жизни питательных элементов, как азот, калий, фосфор. Например, пшеница на широте Москвы с одного гектара почвы забирает не больше двухсот килограммов азота, калия, фосфора в год, и в то же время она потребляет тысячу тонн воды. В сухих степях Заволжья потребность пшеницы в воде возрастает еще больше: она поглощает две тысячи тонн воды с гектара. Потребление воды могло здесь быть и больше, но просто в каштановых почвах две тысячи тонн — это весь запас доступной растениям воды. Если учесть, что в сухих степях на каштановые почвы поступает в год двести — четыреста миллиметров осадков, что соответствует четырем — двум тысячам тонн воды на гектар, то станет ясной вся напряженность водного режима растений в этой зоне. Дело в том, что часть этих осадков выпадает зимой и может теряться во время весеннего стока талой воды, другая часть в виде снега сдувается в овраги и тоже теряется для растений. Некоторая доля осадков, иногда весьма значительная — до четверти годовой нормы, может выпадать в виде ливня и тоже стекать по поверхности почвы в овраги и балки. А небольшие дожди в летние месяцы смачивают лишь самую верхнюю, миллиметровую корку почвы и испаряются в воздух, не используясь растениями. Поэтому зона сухих степей для получения высоких и устойчивых урожаев требует орошения, полива.

Вода в почве

Самые простые расчеты показывают, что для орошения тысячи гектаров в течение лета необходимо не меньше двух миллионов тонн воды. Если учесть, что часть поливной воды испаряется, не попадая в растения, часть фильтруется в глубокие слои почвы и тоже пропадает для растений, то эту цифру надо увеличить. Проблема полива больших площадей включает такие вопросы, как методы полива, строительство инженерных сооружений, распределяющих воду, подающих ее к полю, расчеты норм полива и т. п. Всем этим занимается наука мелиорация и составная часть ее — мелиоративное почвоведение.

Почва впитывает воду, удерживает ее. Это свойство почвы называют влагоемкостью. Глины удерживают до шестидесяти процентов воды от веса почвы, суглинки — тридцать — сорок процентов, супеси — двадцать процентов, пески — до десяти процентов. Следовательно, при поливе почва может удержать лишь строго определенное количество воды. Проектируя полив, необходимо прежде всего установить, какой мощности слой почвы надо поливать. Отсюда следуют другие задачи, стоящие перед почвоведами. Они должны знать водопроницаемость почвы, скорость впитывания воды, ее влагоемкость, плотность и т. д.

Важным свойством почвы следует признать так называемую влажность завядания. Это то количество воды в почве, которое растение не может взять и она остается «мертвым балластом». Влажность завядания определяется свойствами почвы и видом растений. Разные растения могут иссушать почву до неодинаковых остаточных запасов воды. Это определяется сосущей силой растения. Если сосущая сила растения больше, чем водоудерживающая способность почвы, то растение отберет у почвы воду, если меньше — оно погибнет от недостатка воды. То есть, чтобы взять из почвы воду, растение должно совершить работу. Если энергетические ресурсы растений позволяют, то они смогут взять необходимую воду, если нет — вода останется в почве.

Выяснилось, что большинство сельскохозяйственных растений не может брать воду из почвы, если необходимо затратить работу больше полутора килоджоулей на килограмм воды. Деревья наиболее работоспособны: они перестают потреблять воду лишь тогда, когда необходимо тратить больше двух с половиной килоджоулей на килограмм воды.

Ясно, что, чем больше тратится энергии на получение воды из почвы, тем меньше урожай фитомассы растений. Оптимальная трата энергии растениями — сто джоулей на килограмм воды — отмечается тогда, когда почва увлажнена до полевой влагоемкости, до такого количества воды в ней, которое остается после отекания избытка. Сразу после полива влажность почвы близка к этому состоянию. Если учесть, что за летние месяцы растения расходуют ежедневно в среднем до тридцати тонн воды, то на потребление этого количества воды им требуется выполнить работу от трех тысяч килоджоулей до тридцати тысяч, что равносильно работе небольшой сельской электростанции.

При поливе необходимо учитывать не только полевую влагоемкость почвы, не только ее исходную предполивную влажность, но и величину влажности завядания, скорость движения в почве, потери воды на испарение непосредственно из почвы и т. д.

Необходимость специальных знаний при орошении не только следствие сложных взаимодействий почвы и воды. Организация полива существенно зависит от размеров орошаемых участков. Чтобы полить одну-две грядки шириной семьдесят сантиметров, длиной два-три метра и общей площадью полтора — два квадратных метра, достаточно взять четыре ведра воды. При этом лейка позволяет равномерно распределять воду по поверхности. Но если поливная площадь измеряется гектарами и сотнями гектаров, то необходимы уже совершенно иные подходы.

Полив больших площадей — сложная гидротехническая, мелиоративная проблема. Воду на поле можно подавать напуском по полосам, можно предварительно нарезать борозды и пускать поливную воду по ним, можно использовать дождевальные установки. Полив напуском - теоретически самый дешевый способ. Но в конечном счете он обходится дороже, поскольку тратится больше воды и почва поливается неравномерно. В начале поля она увлажняется глубже, избыточнее, чем в конце, где воды может и не хватить. Аналогичная ситуация создается и при поливе по бороздам. Полив этими методами должен учитывать уклон местности, скорость впитывания воды, глубину грунтовых вод. Участок для полива должен быть выровнен, или, как говорят мелиораторы, спланирован, чтобы поверхность почвы увлажнялась равномерно и не оставались бугры, не политые водой. Все сказанное относится к поливу по бороздам.

Перечисленные способы полива трудоемки и требуют большой доли ручного труда. Кроме того, эти способы приводят к потере воды на отток в грунтовые воды, на испарение. Часть подаваемой воды (и иногда очень большая) при поливе по полосам расходуется зря.

Сейчас на нашей планете в той или иной степени орошается около ста миллионов гектаров. При норме одного полива в шестьсот тонн на всю эту площадь надо израсходовать шестьдесят миллиардов кубических метров воды. Для примера эту цифру можно сопоставить с запасами воды в озере Чад, которые приблизительно равны шестидесяти миллиардам кубометров. При таких больших расходах воды на полив небольшие ошибки в расчете поливной нормы, перерасход воды сразу скажутся на водном бюджете стран.

Так что экономный полив — это насущная необходимость. Следует учесть, что, пока воду гонят по магистральным и распределительным каналам, она тоже впитывается в почву и частично испаряется. На все это теряется достаточно большое количество воды, поэтому во всем мире разрабатываются другие методы орошения. Был предложен способ подземного орошения. Он основан на свойстве керамических труб пропускать воду сквозь поры своих стенок. По керамическим трубам вода подается в поле. Но, чтобы заложить эти трубы в почву, надо разрыть поле, вырыть на нем канавы, уложить туда трубы и снова закопать. Да и сами трубы стоят недешево. Они могут раскалываться и заиливаться. В первую очередь, конечно, этот вид орошения используется под дорогостоящие технические культуры, например под плантации роз.

Для орошения больших площадей нужны другие методы. Среди них хорошо себя зарекомендовал метод дождевания. Поле принимает «душ». Вода разбрызгивается над почвой. Увлажняется не только почва, но и приземный слой воздуха. Но и этот метод имеет недостатки. Главный из них — небольшая производительность одного агрегата. Норма четыреста — шестьсот кубометров воды на гектар равносильна дождю, образующему водный слой в сорок — шестьдесят миллиметров. Обычно дождевальная установка за один раз, или, как говорят мелиораторы, с одной позиции, может полить от одного ара до двадцати аров земли. Интенсивность полива дождеванием не должна превышать полутора-двух миллиметров в минуту. При большей интенсивности происходит разрушение почвенной поверхности, ее заиление, и вода не попадает в почву, а стекает с нее. При этом может даже разрушаться поверхность почвы, могут образовываться промоины. Такое явление называется ирригационной эрозией.

При норме сорок — шестьдесят миллиметров полив двадцати аров займет двадцать — тридцать минут, а одного гектара — в пять раз больше — полтора-два с половиной часа. На сто гектаров потребуется уже сто пятьдесят — двести пятьдесят часов, или пятнадцать — тридцать суток при длительности полива десять часов в сутки.

Для успешного орошения можно увеличить количество дождевальных установок, можно также разработать машины с более широким захватом площади полива с одной позиции. Но, для того чтобы дождевальная установка поливала, она должна брать откуда-то воду: из канала, проведенного вдоль поля, из труб, проложенных по полю, и т. д. А это означает повышение стоимости орошения.

Полив по полосам и дождевание имеют один общий недостаток: орошается вся поверхность почвы. А растения высевают и высаживают рядами, расстояние между которыми часто значительное. В зависимости от культуры участки, не занятые растениями, могут занимать двадцать — пятьдесят процентов площади поля. Конечно, корни растений охватывают всю толщу почвы, включая и не засаженную ее часть. Но все-таки с этой не затененной растениями поверхности вода очень быстро испаряется.

Полив по бороздам не имеет этого недостатка: он орошает лишь часть территории, но вода подается именно на ту часть поля (борозду), которая свободна от растений. Вода в этом случае все равно быстро поступает к корням, но, вероятно, лишний расход воды, не приносящий прибавки урожая, здесь есть.

В последние двадцать лет усиленно разрабатывается метод капельного орошения. Он основан на следующем принципе. Вдоль ряда растений кладут гибкую трубку из синтетического материала. Через определенное расстояние, соответствующее расстояниям между растениями в ряду, на трубке делают отверстия, в которые вставляют специальные клапаны. Регулируя клапаны, можно изменить скорость подачи воды в почву. Вода подается прямо около растения, и оно тут же использует эту воду, которая почти не тратится на испарение. В трубку вода подается под напором. Очевидно, в этом случае достигается самое продуктивное использование воды.

Для орошения воду часто берут из артезианских колодцев, но более обычные источники: реки, озера, пруды, водохранилища. Водохранилища обычно устраивают на близлежащих территориях, и дном им служат затопленные почвы. Эти почвы богаты гумусом, азотом, фосфором, и это богатство приводит к тому, что в водохранилище поселяются водоросли, которые там интенсивно разрастаются. Водорослями могут зарастать каналы, через которые вода подается на поля. Для борьбы с водорослями используют рыб: белого амура, толстолобика. Но это дело требует уже участия рыбоводов.

В районах массового орошения возникает одна грозная опасность — вторичное засоление почв. Орошая, мы часто даем избыток воды. Кроме того, водопроницаемость почв не одинакова на всех участках поля: в некоторых местах вода фильтруется плохо, в других — слишком хорошо. По таким естественным дренажам вода может проникать в глубь почвы, достигая уровня грунтовых вод или слоя с низкой водопроницаемостью. В последнем случае может образоваться горизонт грунтовых вод. В сухих районах, где главным образом и применяется орошение, почвы и грунтовые воды обычно содержат растворимые соли натрия, хлорид, сульфат, а также соли других катионов. Соли растворяются в поливной воде, а потом при испарении воды накапливаются в поверхностных слоях почвы. В результате количество и качество урожая снижаются.

При широких масштабах орошения вторичное засоление часто занимает большие площади, достигая угрожающих размеров. За пятьдесят — сто лет орошения без соблюдения профилактических мер может засолиться участок площадью сто гектаров.

С засолением борются с помощью дренажа: закладывают канавы-коллекторы, которые собирают воду, просочившуюся сквозь почву. Периодически почву промывают, дают избыток воды, чтобы вымыть растворимые соли. Профилактика засоления обходится дорого, но еще дороже расселять уже засоленные почвы. Поэтому предупреждению вторичного засоления уделяется очень большое внимание.

Невольно возникает вопрос: почему в местах древнего земледелия — в Междуречье, Египте, Средней Азии — земледельцы тысячелетия поливали свои поля и на них не было никакого засоления? Вопрос этот решается просто. Дело, конечно, не в каких-то секретах древних земледельцев и не в возможных ошибках сегодняшнего орошения.

В Древнем Египте, Шумере и других странах с развитым орошением поливали в основном прибрежную полосу земли. Египтяне поливали фактически долину Нила. Воду черпали прямо из Нила либо «журавлем», который до сих пор встречается во многих деревнях, либо «чигирем» колесом с сосудами-лопастями. Если земельный участок был непосредственно на берегу реки, то земледелец черпал воду ведром и по мелким канавкам отводил ее под растения.

Воды Нила, Сырдарьи и других южных рек очень богаты взвесями — реки несут громадное количество ила. В кубометре воды из Амударьи содержится до четырех килограммов ила. Когда этой водой орошают почву, то содержащийся в воде ил оседает на поверхности почвы и почва как бы растет кверху. Такие почвы широко распространены в староорошаемых районах Средней Азии. Откладывающийся ил плодороден и отмыт от солей. Почва от этого ила только улучшается. В почвенной классификации эти почвы выделены отдельно под названием староорошаемых. В некоторых местах они за счет ирригационных наносов наросли больше чем на метр. Почвы долин весной часто затапливались, и это тоже способствовало рассолению.

В наше время орошение охватило громадные площади. Оно давно покинуло долины рек и вышло на водоразделы, где устраивают водохранилища, из которых берут воду для орошения. Почвы водоразделов исходно богаче солями. Они естественным путем были отмыты лишь на глубину среднемноголетнего промачивания осадками. При орошении на эти участки поступает вода значительно более бедная ирригационными наносами. Кроме того, в этих случаях ил становится врагом гидротехнических сооружений. «Заиляются» водохранилища, каналы. Попадая с водой в распылители дождевальных установок, он закупоривает их. Так что в современных условиях изменились как объекты орошения, так и его масштабы. Когда изменилась техника полива, изменились и требования к поливной воде. И в этом случае качество воды более способствует процессам засоления, чем это было, скажем, в Древнем Египте и Вавилоне. Поэтому процессы вторичного засоления орошаемых почв в условиях современного сельского хозяйства стали более вероятными, чем в условиях полива пойменных почв долины Нила. Угроза засоления требует разработки специальных приемов контроля за состоянием почв при длительном орошении.

География поливов расширяется. Орошение продвинулось уже далеко на север. Поливают в летние месяцы даже дерново-подзолистые почвы. Но в этом случае орошение должно обязательно сопровождаться внесением удобрений. Только тогда получают урожаи, оправдывающие затраты на орошение. Орошение черноземов вызвало к жизни проблему борьбы с образованием в почве соды, которая, подщелачивая почву, ухудшает ее физические и химические свойства, снижает плодородие чернозема.

Существуют сейчас утеплительные поливы, когда поливают пастбища теплой водой в зимние месяцы для увеличения продуктивности пастбищ.

Особая проблема — орошение почв сточными водами. Она требует решения, поскольку сточных вод становится все больше и очистка их — важное дело народного хозяйства.

Орошение вторгается и в пустыни. Красно-бурые почвы пустыни, сероземы, светло-каштановые почвы испытывают постоянную нехватку воды. Но расширение здесь площади орошения требует постройки каналов и обходится очень дорого. Поэтому так важен поиск новых решений, позволяющих облегчить и ускорить полив, удешевить его.

Наряду с проблемой орошения в сельском хозяйстве существует и проблема осушения почв. При избытке влаги почвы заболачиваются, требуют специальной осушительной мелиорации. Она не менее дорога, чем орошение. Полный комплекс осушительных работ связан с устройством канав для отвода воды. Глубина канав зависит от мощности осушаемого слоя. Расстояние между канавами определяется влагопроводностью почв, их водоотдачей, и часто на тяжелых почвах, которые больше всего нуждаются в осушении, необходимо рыть канавы на расстоянии двадцати и менее метров. Открытые канавы, или открытый дренаж, затрудняют обработку почв и уборку урожая. Поэтому часто устраивают закрытый дренаж: гончарные или пластмассовые трубы закапывают в почву на нужной глубине, и они отводят избыток воды. Используют также «кротовый дренаж» (свое название он получил от того, что рыхлитель движется в почве и образует тоннели почти как крот).

При составлении проекта осушения необходимо учитывать длительность переувлажнения почв, частоту такого состояния в течение многолетнего цикла, когда сумма осадков может варьировать очень сильно. Надо помнить, что почву можно пересушить и избыточное осушение может привести к непоправимым последствиям: усилению почвенной эрозии и сносу плодородного верхнего слоя.

В настоящее время все большее распространение получают проекты двухстороннего действия: система во влажные годы работает как осушительная, а в сухие — как поливная. Обычно это система подземных труб, играющих роль то дренажей, то оросителей.

Мелиорация почв — одно из главных средств для выполнения задач интенсификации сельского хозяйства. Мелиорация улучшает почву, повышает ее плодородие. В разработке проекта мелиорации необходимо учитывать тип водного режима мелиорируемой почвы.

Водный режим — это особенность поведения, передвижения воды в почве. Если осадков выпадает больше, чем испаряется воды, и избыток воды проходит сквозь почву в грунтовые воды — водный режим почв называют промывным. Он характерен для подзолистых и дерново-подзолистых почв, красноземов и других почв.

Если такая промывка случается лишь в отдельные влажные годы, как это бывает на серых лесных почвах, то такой режим называют периодически промывным. В черноземах, каштановых почвах, сероземах и многих других существует непромывной тип водного режима: вода смачивает лишь верхнюю толщу почвы (до глубины двух метров и меньше).

Есть так называемый выпотной тип водного режима, когда воды подходят к поверхности почвы. Этот тип характерен для луговых и болотных почв, солончаков.

В районах с многолетней мерзлотой устанавливается особый, мерзлотный, тип водного режима. Мерзлые слои почвы часто играют роль конденсатора воды. Они малопроницаемы, поэтому вода задерживается в корнеобитаемом слое и используется растениями даже в таких районах, где осадков мало (например, в Якутии).

Предварительная оценка типа водного режима — обязательное условие для разработки генеральной линии мелиорации. Но конечно, для проекта мелиорации конкретной почвы следует установить не только тип водного режима, но и количественные его показатели: динамику влажности почвы в течение года.

Физические свойства почв очень сильно влияют на количественные показатели водного режима: от механического состава зависит водоудерживающая способность почв, их водопроницаемость, что составляет одну из главных статей баланса воды в почве. Поэтому так дороги мелиоративные работы, но значение их в повышении продуктивности почв огромно.