АДАПТАЦИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ МОДЕЛИ РАСЧЁТА ПРОМЫВНЫХ НОРМ К МЕЖДУНАРОДНОЙ КЛАСCИФИКАЦИИ ЗАСОЛЁННОСТИ ПОЧВЫ

АННОТАЦИЯ

Актуальность данного исследования для республики Узбекистан состоит в необходимости современного подхода к расчету промывных норм. Это сязано с сокращением обеспеченности водными ресурсами в настоящее время и в перспективе, значительным (более 40 % территории) распространением засоления на орошаемых землях, изменением типов засоления почв при длительном орошении и переходом практики обследования засоленных почв на широко используемый в мире метод оценки степени засоленности почвы по электропроводности. Цель: Научно-экспериментальное обоснование применения (адаптации) отечественной формулы Е.А.Нерозина для расчёта промывных норм с использованием оценки засолённых земель по классификации ФАО по электропроводности. Материалы и методы: база данных экспериментальных исследований по промывкам засоленных почв и обоснованию промывных норм, статистическая обработка данных, эмпирические уравнения, уточнение коэффициентов вычелащивания солей.

Результаты. На основе исследования, проведённого в предшествующий период, по сопоставлению расчетных промывных норм с фактическими нормами опытных промывок, и с учётом новых исследований авторов, по тестированию модели ФАО, подтверждена целесообразность использования формулы А.Е Нерозина для определения необходимого объёма воды для промывки засоленных почв. Эта формула, изначально учитывает интенсивность выщелачивания из почвы иона хлора. С использованием данных (фондовых материалов лаборатории) по результатам опытных промывок, и ранее полученных закономерностей выщелачивания солей из почвы, выполнена адаптация формулы А.Е.Нерозина к современной международной классификации оценки засоления почвы по ЕСе, которая уже широко применяется Узбекистане при обследовании орошаемых почв на засоление. Переход к оценке выщелачивания солей по ЕСе, в формуле осуществлён двумя методами: 1- путём конвертации коэффициента выщелачивания хлора К_Cl в таблице А.Е.Нерозина к коэффициенту, учитывающему снижение ЕСе (К_ЕС); 2- с применением эмпирического уравнения удельных затрат воды на снижение засоления почвы на 1 dS/m. Выводы: Отечественная модель А.Е.Нерозина для расчёта промывных норм, максимально приближённая к модели ФАО, адаптирована к международной классификации оценки засоления почв по ЕСе.

ABSTRACT

The relevance of this study for the Republic of Uzbekistan lies in the need for a modern approach to calculating leaching rates. This is due to: a decrease in water resources, currently and in the future; significant (more than 40% of the territory) spread of salinization on irrigated lands; changes in soil salinization types during long-term irrigation; the transition from the practice of surveying saline soils to a method of assessing the degree of soil salinity by electrical conductivity, which is widely used in world practice. Objective: Scientific and experimental substantiation of the application (adaptation) of the domestic formula of E.A. Nerozin for calculating leaching rates using the assessment of saline lands according to the FAO classification by electrical conductivity. Materials and methods: a database of experimental studies on leaching of saline soils and the substantiation of leaching rates, statistical data processing, empirical equations, clarification of salt removal coefficients. Results. Based on a study conducted in the previous period, which compared calculated leaching norms with actual norms from experimental leaching trials, and taking into account the authors’ new research on testing the FAO model, the validity of using A.E. Nerozin’s formula to determine the required volume of water for leaching saline soils has been confirmed. This formula initially takes into account the intensity of chlorine ion leaching from the soil. Using data (from the laboratory’s archives) on the results of experimental leaching, and previously established patterns of salt leaching from the soil, A.E. Nerozin’s formula has been adapted to the modern international classification for assessing soil salinisation according to the EC scale, which is already widely used in Uzbekistan when surveying irrigated soils for salinisation. The transition to assessing salt leaching according to EC in the formula was achieved using two methods: 1. by converting the chlorine leaching coefficient K_Cl in A.E. Nerozin’s table to a coefficient accounting for the decrease in ECe (K_EC); 2. by applying the empirical equation for specific water consumption to reduce soil salinity by 1 dS/m. The domestic model of A.E. Nerozin for calculating leaching norms, which is as close as possible to the FAO model, is adapted to the international classification of soil salinity assessment according to the EC.

Ключевые слова: промывка засоленных почв, база экспериментальных данных, коэффициенты выщелачивания, международная классификация засоления почвы, адаптированная формула расчёта промывной нормы.

Keywords: leaching of saline soils, experimental database, leaching coefficients, international soil salinity classification, adapted formula for calculating leaching norms.

Введение. Распространение засоленных почв на орошаемых землях Узбекистана составляет более 43,5 %, в том числе 20 % из них имеет средную и сильную степень засоления (данные Министерства Водного хозяйства). В этой связи, для поддержания продуктивности орошаемых земель, в регионах подверженных засолению (Сырдарьинская, Бухарская, Хорезмская области и Республики Каракалпакстан) проводят зимне-весенние промывки, что требует больших затрат воды.

Для обоснованного назначения промывных норм и, соответственно, затрат воды, необходимо проведение мониторинга засоления почвы на полях фермеров, а также требуется современная методика расчёта промывных норм. В отечественной мелиоративной науке разработано много зависимостей для определения промывных норм (формулы А.Н.Костякова, Л.П.Розова, С.Ф.Авeрьянова, В.Р.Волобуева, И.С.Рабочева, А.E.Нeрозина и др.) [1-4].

Почти все вышеуказанные формулы, кроме формул В.Р.Волобуева и И.С.Рабочева, учитывают водно-физические свойства почв, такие как объёмная масса почвы, полная влагоёмкость, влажность почвы перед промывкой и др Некоторые формулы (А.Н.Костякова, С.Ф.Авeрьянова, В.Р.Волобуева, А.E.Нeрозина), включают различные коэффициенты интенсивности выщелачивания солей в различных вариантах. Это является ограничением в применении расчётных зависимостей, так как для определения этих коэффициентов требуются специальные полевые исследования (тесты) по эффективности промывок. Для некоторых формул авторами разработаны специальные таблицы коэффициентов, который приведены в нормативных документах [4]. Тем не менее эти коэффициенты не являются универсальными и требуют уточнения при промывке засолённых почв в конкретных условиях (глубина залегания грунтовых вод, особенности химического состава почвенных солей, содержания гипса, карбонатов, уплотняющих почву коэффициент фильтрациии и др.).

В Мелиоративной службе Министерства Водного хозяйства республики для измерения засоленности почвы и воды с 2000 года используется метод электрокондуктометрии, широко применяемый в международной практике [6-9]. Применение этого метода позволяет оперативно количественно уточнить степень засоленности почвы (в ЕСе –dS/m- децисименс на метр) на месте, например, в фермерском хозяйстве, а, следовательно, и более точно назначить норму промывки. После обследования территории засолённых почв методом электрокондуктометрии, для правильного принятия решений о технологии и объёмах подачи воды для промывки, необходимы надёжные зависимости для расчёта норм промывки, как для участков, так и для массивов орошения.

Возможности назначения норм промывки, по данным солевого обследования почв, при оценке засоленности почвы методом измерения электропроводности, посвящена данная статья.

Цель исследований – научно-экспериментальное обоснование применения (адаптации) отечественной формулы Е.А. Нерозина для расчёта промывных норм с использованием оценки засолённых земель по классификации ФАО по электропроводности.

Материалы и методы. Изученные расчётные зависимости для определения промывных норм, опубликованные в научных изданиях, разработанные отечественными учёными за предшествующий период [1-4]. Проанализированные составляющие формул и оценена целесообразность их применения в современных условиях, в том числе, с оценкой засоленности по ЕСе. Формулы В.Р.Волобуева и А.Е.Нерозина для условий Узбекистана ранее были проверены с помощью экспериментальных данных по промывкам [5]. Высокая сходимость расчётных и фактических норм промывки показала, что формула А.Е. Нерозина, является подходящей. Кроме того, неё входят параметры почвенных и климатических показателей (влажность и полная влвгоёмкость почвы, осадки и испарение за период промывки), которые также используются для расчёта промывок в международных методиках.

Для адаптации выбранной формулы к методике ФАО, с оценкой засолённости по ЕС [7-10] выполнен анализ баз экспериментальных данных лаборатории: а). по водно - физическим свойствам почвам Узбекистана и б). по промывкам (эффективности выщелачивания солей). Выполнена статистическая обработка данных по выщелачиванию хлор-иона и снижения ЕСе опытными промывками в программе Excel. Уточнены (скорректированы) коэффициенты. Использована, ранее разработанная авторами, эмпирическая зависимость  удельных затрат воды на промывку от исходного засоления почвы.

Результаты и обсуждение. На основе многих экспериментальных промывок, было обосновано преимущество формулы А.Е Нерозина, по сравнению с формулой В.Р. Волобуева, и на этом основании были рассчитаны промывные нормы для всех областей республики Узбекистан для слабой, средней и сильной степеней засоления почв [5, 6].

Для понимания перехода оценки засоленности почв от содержания хлор-иона, плотного остатка к электропроводности насыщенного почвенного экстракта, показано, что для условий Сырдарьинской области Узбекистана существует тесная взаимосвязь между этими показателями (рис. 1 и 2). Эта взаимосвязь зависит от количества и вида токсичных солей в почве (химизма засоления почвы: преобладание хлоридов или сульфатов). Из рисунков 1 и 2 видна, высокая корреляционная связь между электропроводностью насыщенного почвенного экстракта ЕСе, как с общим содержанием солей, так и с содержанием хлор - иона. Приведённые ниже графики позволяют определять общее содержание солей или хлор-иона (выраженных в % к массе), по данным измерений ЕСе.

Рисунок 1. Связь между общим содержанием солей  в почве (по данным водной вытяжки) и электропроводностью насыщенного почвенного экстракта ЕСе, для условий Сырдарьинской области (данные авторов)

Рисунок 2. Связь между содержанием хлор - иона в почве и электропроводностью насыщенного почвенного экстракта ЕСе, для условий Сырдарьинской области (данные авторов)

Методика ФАО для расчета норм промывки учитывает: электрическую проводимость насыщенного почвенного экстракта ЕСе (фактическую и допустимую), объем дренажного стока, электрическую проводимость ирригационной и дренажной воды, влажность почвы, процент насыщения, глубину опресняемого слоя [7-10, 12].

Из отечественных моделей данному подходу более всего соответствует формула А.Е. Нерозина [4, 5], которая учитывает:

• Механический состав почв через полевую влагоёмкость, объёмную массу;
• Исходную влажность почвы;
• Исходное и конечное засоление почвы через количество солей, подлежащих выщелачиванию;
• Уровень залегания грунтовых вод, через коэффициент «К» вытеснения солей, определённый опытным путём;
• Метеорологические показатели в период промывок (осадки и испарение).

Анализ многих расчетных отечественных зависимостей для определения промывных норм при сопоставлении экспериментальных и расчетных данных, показало достаточную надёжность формулы, А.Е. Нерозина [5]:, имеющей вид [4]:

М = (П - m) + S/K - A +n                                                           (1)

где: М - промывная норма, м³/га;

П - полевая влагоемкость расчетного слоя почвы, (норма воды для растворения солей), м³/га;

M - содержание влаги в том же слое почвы перед промывкой м3/га;

S/K - норма воды для вытеснения солей, м³/га;

S - количество хлора, подлежащего вымывания солей из расчётного слоя почвы, м³/га;

K - коэффициент промывного действия воды (по хлору), кг/га 1 м³ воды. В зависимости от степени исходного засоления, мех состава и условий дренированности участка, изменяется от 1,0 до 5,8 по данным А.Е. Нерозина, (см. таблицу 4).

А - осадки, поступающие в почву за период от начала промывки до посева, м³/га;

n - потери воды на испарение за тот же период, м³/га.

Количество солей (хлора), которое требуется вымыть из почвы, определяется следующим расчётом:

S = 100 x h x α (z - z1) x 1000                                               (2)

где: S - - количество солей (хлора), подлежащего вымыву солей из расчетного слоя почвы, кг/га;

h - расчетный слой почвы, м;

α - объемная масса почвы, г/см³;

z - z1 - исходное (до промывки) и допустимое (после промывки, к посеву) содержание хлора в почве, в процентах к массе;

1000 - множитель для перевода тонн в килограммы.

Как видно формула учитывает практически все параметры почвы и метерологические условия, а также уровень грунтовых вод (через влажность почвы перед промывкой). С использованием гидромодульного раойнирования СоюзНИХИ, учитывающего сложение почв по мех. составу и УГВ, для средне - многолетних метеоусловий были рассчитаны нормы эксплуатационных промывок с учетом опреснения слоя 0 - 50 см до уровня содержания хлора 0,02 %.

На основании сравнения разных отечественных формул с опытными данными, был сделан вывод, что формула А.Е Нерозина- наилучшая для условий среднего и сильного засоления почвы. При обобщении фактических данных по эффективности полевых промывок разных авторов  (при исходной степени засоления от очень сильного до слабого, суглинистые почвы в различных регионах Узбекистана), была установлена  высокая сходимость результатов промывок с расчётными значениями промывных норм [5].

Для использования формулы А.Е. Нерозина, с применением  международной оценки засолённости по результатом измерения электропроводимости (таблица 1), возникла необходимость её модификации. Это также важно с учётом того, что на орошаемых землях за период после освоения земель, содержание хлор - иона уменьшилось, и в почве преобладают сульфатные соли (рисунок 3).

Таблица 1.

 Международная и отечественная классификации оценки засоления почвы по ЕСе и по содержанию хлор - иона

Рисунок 3. Гипотетический состав солей на опытном участке

Экспериментальные данные (таблица 2) показывают, что, даже при самых благоприятных условиях (обеспечение оттока воды и подача больших объёмов воды для промывки), опреснить почву в слое 0-70 см возможно только на 60-80 % от исходного засоления.

По данным опытов в Сырдарьинской области Узбекистана, на однородных легко- и среднесуглинистых по гранулометрическому составу почвах, при сильной степени засоления (более 16 dS/m), удельные затраты воды составляют: 480-500 м³/га на снижение засоления на 1 dS/m, при средней степени засоления (8 dS/m). 800 - 1000 м³/га на 1 dS/m, а при исходно слабой степени засоления почвы (4 dS/m) более 2000 м³/га на 1 dS/m [5, 6, 11]. 

Адаптация использования расчёта промывных норм по формуле А.Е.Нерозина к международной классификации засолённости почвы, была проведена двумя методами.

–1 метод – основан на определении объёма воды на вытеснение солей, путём конвертации коэффициента для выщелачивания хлора К_Cl, в коэффициент снижения засоления почвы К_ЕС по ЕСе, учитывающего общее содержание солей.

Результаты обработки экспериментальных данных, по промывке засолённых почв в Сырдарьинской области частично показаны в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что при подаче на промывку 4000 м³/га воды технологии по чекам, при обеспеченном дренаже, в среднезасоленных суглинистых почвах, выщелачивание солей составляет не выше 60-65 %. 

При этом выщелачивание хлора в слое почвы 0-70 см, более эффективно, чем снижение общего количество солей по ЕСе. Соотношение снижения засоления почвы по ECe и по содержанию хлор - иона (в процентах исходному содержанию), составило 0,70 (таблица 2).

Статистической обработкой подтверждена величина этого соотношения (таблица 3).

Таблица 3.

Результаты статистической обработки результатов выщелачивания хлор - иона и снижения ECe в слое 0-70 см по результатам промывки нормой 4000 м³/га в Сырдарьинской области (парный двух выборочный t-тест для средних значений)

С применением этого соотношения ECe / хлор (таблица 3), получены новые коэффициенты выщелачивания общего количества солей по данным измерения ЕСе почвы, - К_ЕС (таблица 4). Этот показатель был использован нами в первом варианте модификации формулы. Коэффициент К_ЕС можно принимать по таблице 4.

Модификация формулы по первому методу состоит в том, что в формуле А.Е.Нерозина коэффициенты вымыва хлора (кг/м³ воды), изменены (конвертированы) нами на К_ЕС путём умножения коэффициента К_Cl (по А.Е.Нерозину) на 0,7 (таблица 4).

Таблица 4.

Коэффиценты выщелачивание солей К для хлора в формуле А.Е.Нерозина и их уточнение при оценке засоления почвы по ECe)

2 метод расчёта объёма воды для выщелачивания солей.

При этом подходе, объём воды для выщелачивания солей «S/К» в формуле промывной нормы А.Е. Нерозина, можно определить более упрощённо, используя эмпирическую зависимость связи удельного объёма воды (м³/га для снижения засоленности почвы на 1 dS/m) с исходным засолением почвы (рисунок 4). Зависимость получена для слоя 0-70 см по результатам опытных промывок, проведённых сотрудниками Лаборатории почвенных исследований НИИИВП в Сырдарьинской области Узбекистана [11]. Исходя из закономерностей выщелачивания солей из почвы, экспериментально установлено, что солеотдача одних и тех же почв (и удельные затраты воды на единицу снижения засоления) в значительной степени зависит от исходной степени засоления почвы. По опытным данным авторов при промывке по чекам [11] удельные затраты воды на единицу выщелачивания солей возрастают по мере снижения исходного засоления почвы.

Рисунок 4. Эмпирическая зависимость удельных затрат воды (м³/га) для снижения засоленности почвы на 1 dS/m, от исходного засоления почвы [11] (график перенесён сюда из начальной части статьи, так как это  упрощает понимание его использования)

Объём воды для выщелачивания солей определяется путём умножения заданной разницы между исходным и конечным (достигаемым промывкой) значением засоления почвы по ЕСе (∆EСe dS/m), на величину удельных затрат воды: м³/га на 1 dS/m (см. рисунок 4).

S м³/га= ∆EСe*M_уд.

где, S - Объём воды для выщелачивания солей, м³/га;

∆EСe = ЕСн– ЕСк, - заданное количество солей, подлежащих выщелачиванию, - разница между начальным (исходным) ЕСн и конечным ЕСк засолением почвы (по ЕСе) dS/m

M_уд- значение удельных затрат воды, с графика (рисунок 3), м³/га на 1 dS/m

Например, исходное засоление почвы 9 dS/m, а заданное конечное засоление 2 dS/m (∆EСe= 9 – 2=7 dS/m). При этом дельные затраты воды на снижение ЕС, при исходном засолении 9 dS/m, составляет 900 м³/га. Таким образом, в общей промывной норме (по А.Е. Нерозину) объём воды, предназначенный для вытеснения солей из почвы, составит 900*7=6300 м³/га.

Второй метод расчета объёма воды на вытеснение солей, предпочтительнее, как более простой: в нём напрямую используется международная классификация оценки засоления почвы по ЕСе. Таким образом, формула А.Е. Нерозина, разработанная для выщелачивания хлор - иона из почвы, адаптирована к международной классификации оценки засоления почвы по ЕСе и может применяться при расчёте промывных норм по данным солевых съёмок, проводимых мелиоративными экспедициями Узбекистана.

Выводы. Отечественная модель для расчёта норм промывки, максимально соответствующая модели ФАО, по учитываемым параметрам почвы, с использованием имеющихся экспериментальных данных по промывкам засолённых почв (фонд лаборатории), адаптирована к международной классификации оценки засоления почв по ЕСе.

Адаптация применения формулы А.Е.Нерозина к оценке засоления почвы по ECe выполнена двумя методами:

• установлена возможность использования уточнённых коэффициентов выщелачивание солей по ЕСе, путём конвертации коэффициента выщелачивания хлора К_Cl в авторской таблице;
• разработан метод расчёта промывных норм по этой же формуле, с применением эмпирического уравнения удельных затрат воды для снижения засоления почвы на 1 dS/m. Этот метод, позволяет применять международную классификацию оценки засоления почвы по ЕСе, задавать порог рассоления почвы промывкой по ECe, что делает его предпочтительнее первого метода, максимально приближая формулу А.Е.Нерозина, к подходу ФАО.

Список литературы:

1.  Минашина Н.Г. Мелиорация засоленных почв // М. Колос , 1978, 271 с. 
2.  Голованов А.И. Мелиорация земель // М.Колос , 2011, 824 с. 
3.  Аверьянов С.Ф. Управление водным режимом мелиорируемых сельскохозяйственных земель: Научный труд / С.Ф. Аверьянов; Под общей ред. Ю.Н. Никольского. М.: РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2015. 538 с.
4.  Методика по качественному и количественному учёту засоленных земель колхозов и совхозов Узбекской ССР // Ташкент. 1981 г. - 13 с.
5.  Широкова Ю.И., Рамазанов А.Р. Особенности промывок засолённых земель, с учётом качества воды и метеорологических условий. // Труды науч. докл. к 60-летию ТИИИМСХ. - Ташкент, 1994. - С.28-31.
6.  Рекомендации по повышению эффективности промывки засоленных земель для рационального использования водных ресурсов. НИИ ирригации и водных проблем // Ташкент. 2019, 25 с.
7.  Soil salinity assessment Methods and interpretation of electrical conductivity measurements by J.D. Rhoades, US Salinity Laboratory F. Chanduvi S. Lesch FAO Land and Water Development Division US Salinity Laboratory United States Department of Agriculture Riverside, California, USA https://openknowledge.fao.org/items/70c6408b-4fc6-40ce-8f7c-c4798b663259 Management Service. 1999. 150 с.
8.  Bresler E, McNeal B L and Carter D L 1982 Management. In: Saline and Sodic Soils Advanced Series in Agricultural Sciences 10 (Springer, Berlin, Heidelberg) (1987).
9.  Corwin, Dennis & Rhoades, James & Simunek, Jiri, Jirka. (2007). Leaching requirement for soil salinity control: Steady-state versus transient models. Agricultural Water Management. 90. 165-180. 10.1016/j.agwat.2007.02.007.
10. Managing Salts by Leaching (Leaching for salt Management) University of California. Agriculture and Natural Resources // ANR publication 8550 November. http.//anrcatalog.ucanr.edu, 2015, - 8 p.
11. Широкова, Ю.И. Эффективность промывных поливов / Ю.И. Широкова, Г. Полуашова, К. Ражабов, Р. Кошеков // Исследования в сфере ирригации и дренажа, Центральноазиатская международная научно-практическая конференция, посвященная 15-летию со дня создания Межгосударственной координационной Водохозяйственной Комиссии Центральной Азии (МКВК)», Алматы (Казахстан) 23-28 апреля 2007 г. http://www.icwcaral.uz/15years/pdf/shirokova_et_all_ru.pdf.
12. Жураева Н.Х., Широкова Ю.И., Палуашова Г.К. Определение промывных норм для рассоления почв с использованием простого уравнения водно-солевого баланса. // Мелиорация и водное хозяйство – основа продовольственной и экологической безопасности: материалы юбилейной межд. научно-практической конф., посвященной 100-летию образования ВНИИГиМ имени А.Н. Костякова. (Москва, 9-11 окт. 2024 г.). – Москва, 2024. - С. 508-515.