ВЛИЯНИЕ НАБУХАЮЩИХ ГИДРОГЕЛЕЙ НА ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ КАРАКАЛПАКСТАНА

АННОТАЦИЯ

Целью статьи изучить влияние набухающих гидрогелей на выживаемость и биомассу многолетних трав Aristida karelinii Roshev в различных концентрациях, и на водно-физических свойства почв. Исследования проводятся на опытном участке «Саманбай» расположенном в Нукусском районе. Земельные площади являются орошаемыми, с аллювиально-луговыми почвами. Анализируя влияние гидрогеля на влажность почвы в слоях 0–10 см, 10–20 см, 20–30 см, можно сделать вывод, что гидрогель влияет на влажность почвы в зоне его внесения. Зависимость влажности в более нижних слоях почвы от внесения гидрогеля практически не имеет значения. Содержание общего азота в верхнем слое около 0,06 %, в нижних горизонтах понижается до 0,020%, общее содержание фосфора в верхнем пахотном слое составляет 0,27 % и резко понижается к нижним горизонтам до 0,12 %.

ABSTRACT

The aim of this article is to study the effect of swelling hydrogels on the survival and biomass of perennial grasses Aristida karelinii Roshev at various concentrations, as well as on the hydrophysical properties of soils. The study is being conducted at the Samanbay experimental site in the Nukus district. The land is irrigated, with alluvial meadow soils. Analyzing the effect of hydrogel on soil moisture in the 0-10 cm, 10-20 cm, and 20-30 cm layers, it can be concluded that the hydrogel affects soil moisture in the application zone. The dependence of moisture in the lower soil layers on hydrogel application is virtually insignificant. The total nitrogen content in the upper soil layer is approximately 0.06%, decreasing to 0.020% in the lower horizons. The total phosphorus content in the upper arable layer is 0.27%, decreasing sharply toward the lower horizons to 0.12%.

Ключевые слова: гидрогель, песок, почва, технология, трава, вода, влажность, доза.

Keywords: hydrogel, sand, soil, technology, grass, water, humidity, dose.

Введение

Водный дефицит является глобальной проблемой для сельского хозяйства и лесомелиоративных работ во многих засушливых территориях земного шара. Требуются водосберегающие технологии, которые способствуют созданию и росту растений в почвах различных свойств [1]. Одной из доступных технологий является использование абсорбирующих гидрофильных полимеров [2]. Почвенная вода и питательные вещества, хранящиеся в полимерных гидрогелях СПГ, постепенно высвобождаются для роста растений в условиях ограничения воды, а также они увеличивают поглощение питательных веществ для роста растений [3-5].

Например, в почвах с водным стрессом длительное выживание и улучшение роста были зарегистрированы в условиях засухи [6-8] и в песчаных пустынных почвах [9]. Также сообщалось об улучшении роста саженцев, выращенных в хорошо поливаемой песчаной почве, а также в тропических почвах [10-11].

Целью исследования было сравнение выживаемости и биомассы проростков следующих многолетних трав Aristida karelinii Roshev. в почвах с гидрогелем в различных концентрациях. Были проверены следующие выводы: 1) добавка гидрогеля увеличивает биомассу многолетних трав Aristida karelinii Roshev. в песчаных и суглинистых почвах до нехватки воды, 2) добавка гидрогеля продлевает время выживания саженцев деревьев на песчаных и суглинистых почвах, подверженных засухе и 3) нет различий в биомассе деревьев между почвами с гидрогелевым воздействием до и после воздействия водного стресса.

По данным ряда исследователей [13, с. 19], для большинства сельскохозяйственных растений оптимальная влажность составляет 60-70% наименьшей влагоемкости. Нижним же, предельно допустимым количеством воды в почве (влажность завядания) принято считать её содержание порядка 1-15% в зависимости от типа почвы. Влажность завядания трав зависит от механического состава почвы и вида растений. Чем тяжелее механический состав почвы, чем больше в ней органического вещества, тем выше влажность завядания. В среднем она составляет: в песках 1-3%, в супесях 3-6%, в суглинках 6-15% [14, с. 39].

Учеными разработаны оценки запаса продуктивной влаги [15, с. 75], по которой в слое почвы 0-20 см хорошим запасом считается запас воды более 40 мм, неудовлетворительным - менее 20 мм и удовлетворенным 20-40 мм.

Материалы и методы исследования

Метеорологические условия отчетного периода

Нукусский район принадлежит группе центральных районов РК. По данным метеостанции «Нукус» метеоусловия первой половины 2022 года характеризовались следующими показателями. (табл.1)

Таблица 1.

Метеорологические данные за 2022 год

Посевы на опытном участке проводились во II декаде апреля. т.е. с 17 по 20 апреля 2023 года. Данная декада характеризовалось средней температурой воздуха 15,2⁰С, максимальной 25,3⁰С и минимальной 9,0⁰С. Температура почвы на глубины 5 см составила 18,1 ⁰С, на глубине 10 см 17,1⁰С в день посева многолетних трав Aristida karelinii Roshev.

До получения всходов т.е в III декаде апреля температура почвы составила в среднем 20⁰С. Температура воздуха в III декаде мая и I декаде июня т.е в период роста и развития поднималась до 41-44 ⁰С, что оказывало угнетающее действие на рост и развитие других растений умеренного климата, в то время для таких жаростойких растений как многолетняя трава Aristida karelinii Roshev., при достаточной обеспеченности почвенной влагой не оказало заметного угнетающего воздействия на данных фазах развития.    

Почвенные условия опытного участка

Исследования проводятся на опытном участке «Саманбай» расположенном в Нукусском районе. Земельные площади являются орошаемыми, с аллювиально-луговыми почвами. Орошаемые лугово-аллювиальные почвы по морфогенетическому признаку супесчаные, по механическому составу, слабозасоленные, pH-среда слабощелочная, содержание гумуса составляет в пахотном слое 1,226 % в нижних горизонтах 0,577 %, в материнской породе 0,272 % (таблица № 2).

С наступлением весны была проведена капитальная планировка короткобазовым планировщиком в агрегате с тракторам МТЗ-80. Проведены 2 промывочных полива нормой 1500 м3 воды каждый. Задержка с началом сева из-за форс мажорных обстоятельств (карантин) предопределило проведение дополнительного влагозарядкового полива нормой 1000 м3.   Ранней весной был выкопан шурф, а  также взяты образцы почв по общепринятым методикам для определения свойств почвы. С достижением спелости почвы была проведена вспашка и текущая планировка Рис.1.

Рисунок 1. Вспашка и планировка поля

После малования проведена нарезка оросителей, разбивка и поделка валиков делянок, размер делянок 15 м².  Перед посевом почва делянок была обработана мотофрезой до мелко комковатого состояния. Посев проводился вручную, гнездовым способом, ширина междурядий 50 см, расстояние между гнездами 20 см, глубина заделки семян 2-3 см. Ширина междурядья 50 см, расстояние между гнездами 20 см, глубина заделки семян 2-3 см. Температура почвы при посеве составила 19⁰С, измерение проводилось почвенным термометром (Digitales eintichthermometr TFA) Рис.2.

Рисунок 2. Измерение температуры почвы

Таблица 2.

Содержание гумуса, азота, фосфора, и калия в орошаемой лугово-аллювиальной почве

Содержание общего азота в верхнем слое около 0,06 %, в нижних горизонтах понижается до 0,020%, общее содержание фосфора в верхнем пахотном слое составляет 0,27 % и резко понижается к нижним горизонтам до 0,12 %. В почвенном профиле максимальное содержание калия наблюдается в пахотном слое и составляет 1,363%.

В пахотном слое обеспеченность подвижным фосфором средняя (31 мг/кг), обеспеченность подвижным калием слабая и составляет 208 мг/кг.

Результаты и обсуждения.

Исследования продемонстрировали важность действия набухающих гидрогелей для улучшения водно-физических свойств легких почв (табл. №3-8). В течение экспериментального периода под посевом многолетних трав на контрольных вариантах объемная масса поверхности была равна 1,50 г/см², в то время как в вариантах с добавками набухающих гидрогелей она снижалась до 1,31-1,38 г/см². Можно сказать, образована оптимальная плотность почвы, которая по мнению многих исследователей должна отвечать уровню 1,3-1,5 г/см² [12]. По данным А.Г. Бондарева, как правило, наименьшая влагоемкость супесчаных и песчаных почв составляет 18-30%.

В исследуемых вариантах введение набухающих гидрогелей в почву повышает её влагоемкость за счёт того, что они способны аккумулировать большое количество воды. В контрольном варианте на всех культурах влагоемкость колебалась от 30 до 45% без внесения гидрогеля. В вариантах с набухающими гидрогелями эти значения менялись соответственно в пределах 39-50%. В опыте влажность завядания колебалась в пределах 0,9-1,2% (табл.1) и не зависела от доз внесения набухающих гидрогелей.

Наблюдения, проведенные в период последействия набухающих гидрогелей, показали наличие тех же тенденции и закономерности, хотя в целом эффект действия гидрогелей на объемную массу, полную полевую влагоемкость, влажность завядания заметно снижался (табл. 4.).

Степень влажности пахотного слоя исследуемых почв в течение вегетации изменялась значительно и зависела от природных условий, вида и фазы развития растения и доз применяемых гидрогелей.

Анализ динамики влажности показывает, что на всем протяжении полевого опыта отмечена положительная устойчивая тенденция к увеличению влажности почвы и к повышению запасов продуктивной влаги в почве с увеличением дозы гидрогеля (табл. 3-8).

В исследуемых растениях в вегетационном периоде не обнаружено достоверных отличий в, изменений запасов влаги по сравнению с контролем при минимальных дозах набухающих гидрогелей 100 г/м².

Таблица 3

Изменение основных водно-физических показателей почвы (0-20 см) в посевах Aristida karelinii Roshev.  1-го года пользования

Таблица 4.

Изменение основных водно-физических показателей почвы (0-20 см) в посевах Aristida karelinii Roshev. 2-го года пользования

По всей вероятности, в узком соотношений гидрогель-вода при наличии большого числа сорбционных мест почвенная влага связывается как компенсирующий ион на поверхности потенциально-определяющего слоя по типу хемосорбции. Можно также отметить механическое удержание воды в межпакетных пространствах набухающего гидрогеля. Однако главная причина этого явления, может быть, в ничтожно малых количествах сорбента (набухающего гидрогеля), которая не может играть существенной роли в процессах трансформации влаги в почве. Иная картина наблюдается при введении высокой дозы препарата - 500-1000 г/м².

Таблица 5.

Изменение основных водно-физических показателей почвы (0-20 см) в посевах Aristida karelinii Roshev. 2-го года пользования

Уровень доступной влаги в исследуемых образцах превосходит в отдельных случаях величину предельно-полевой влагоемкости. Это свидетельствует о наличии в почве очагов аккумулированной воды. В результате этого запас продуктивной влаги в связно-супесчаной почве достигает высоких значений, соизмеримых с тяжелыми механическими их разновидностями - до 500-750 г/м².

Таблица 6.

Динамика изменения водно-физических свойств почвы по посевам многолетних Aristida karelinii Roshev. 1-го года пользования

Таблица 7.

Динамика изменения водно-физических свойств почвы по посевам многолетних Aristida karelinii Roshev. 2-го года пользования

Как показывают результаты опыта, с внесением набухающего гидрогеля в дозах 500, 750 и 1000 г/м², резерв полезной влаги в почве в слое 0-20 см в различные сроки вегетации многолетних трав в 2022 году оценивался, в основном, как пригодный, а в условиях 2023 года – приемлемым. Неприемлемый запас полезной влаги был в течение вегетации в вариантах без внесения гидрогеля и с внесением гидрогеля в дозе 100 г/м² за исключением 2023 года. Погодные условия 2023 года были благоприятными для развития многолетних трав. Даже в варианте без внесения гидрогеля запас продуктивной влаги в 0-20 см был удовлетворительным у многолетних трав Aristida karelinii Roshev. Примерно такая же тенденция в обеспечении запаса продуктивной влаги в течение вегетации просматривается на посевах многолетних трав. Лучший запас продуктивности влаги наблюдается на вариантах с внесением гидрогеля в дозе 750 и 1000 г/м².

Заключение.  

Анализируя влияние гидрогеля на влажность почвы в слоях 0–10 см, 10–20 см, 20–30 см, можно сделать вывод, что гидрогель влияет на влажность почвы в зоне его внесения. Зависимость влажности в более нижних слоях почвы от внесения гидрогеля практически не имеет значения.

На протяжении всего эксперимента условия влагообеспеченности в вариантах с гидрогелем были более благоприятными в сравнении с контролем.

Было установлено, что внесение гидрогеля не только увеличивает влажность и пористость почвы, но и увеличивает эффективность ее использования. При более высоком уровне урожайности травы непродуктивное расходование влаги падает на 30-50 % прямо пропорционально дозам гидрогеля.

Таким образом, набухающие гидрогели являются своего рода запасным "резервуаром" влаги. Такой очаг наличия аккумулированной воды особенно был отмечен положительно на растениях в засушливые периоды потребления влаги. Как будет видно далее, благоприятные условия влагообеспечения в почве в эти периоды, связанны с внесением гидрогеля.

В целом, подводя итоги результатов данного раздела, следует сказать, что по характеру исследования водно-физических свойств почвы, активности микрофлоры, гидрогеля следует подобрать агрохимическое средство, чувствительное к аккумуляции и транспирации влаги в почве и улучшающее условия водного баланса и микроэлементов, как совокупность пищевых продуктов растений.

Список литературы:

1. J. Six. “Soil Organic Matter, Biota and Aggregation in Temperate and Tropical Soils - Effects of NoTillage,” Agronomie, Vol.22, No.7-8, 2002, pp.755-775.
2. S. S. Dorraji. “The Effects of Hydrophilic Polymer and Soil Salinity on Corn Growth in Sandy and Loamy Soils,” Clean-Soil, Air, Water, Vol. 38, No. 7, 2010, pp. 584-591.
3. A. Asamatdinov. New water-keeping soil additives. Modern Chemistry Appl. 2018, V6. 4172.
4. A. Hüttermann. “Addition of Hydrogels to Soil for Prolonging the Survival of Pinus halepensis Seedlings Subjected to Drought,” Soil & Till- age Research, Vol. 50, No. 3-4, 1999, pp. 295-304.
5. F. Yazdani. “Impact of Superabsorbent Polymer on Yield and Growth Analysis of Soybean (Glycine max L.) under Drought Stress Con- dition,” Pakistan Journal of Biological Sciences, Vol. 10, No. 23, 2007, pp. 4190-4196.
6. M. Sarvas, “Effect of Desiccation on the Root System of Norway Spruce (Picea abies [L.] Karst.) Seedlings and a Possibility of Using Hydrogel STOCKOSORB for Its Protection,” Journal of Forest Science, Vol. 49, No. 11, 2003, pp. 531-536.
7. J. Akhter. “Effects of Hydrogel Amendment on Water Storage of Sandy Loam and Loam Soils and Seedling Growth of Barley, Wheat and Chickpea,” Plant, Soil and Environment, Vol. 50, No. 10, 2004, pp. 463-469.
8. А.Асаматдинов. Новые влагоудерживающие почвенные добавки. Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства. 2018, 574-584.
9. J. Abedi-Koupai. “Enhancing the Available Water Content in Unsaturated Soil Zone Using Hydrogel, to Improve Plant Growth Indices,” Ecohydrology and Hydrobiology, Vol. 8, No. 1, 2008, pp. 67-75.
10. J. P. Syvertsen and J. M. Dunlop, “Hydrophilic Gel amendments to Sand Soil Can Increase Growth and Nitrogen Uptake Efficiency of Citrus Seedlings,” Horticultural Science, Vol. 39, 2004, pp. 267-271.
11. L. J. B. Orikiriza. “Amending Soils Hydrogels Increases the Biomass of Nine Tree Species under Non-Water Stress Conditions,” Clean-Soil, Air, Water, Vol. 37, No. 8, 2009, pp. 615-620.
12. Бондарев А.Г. Проблема регулирования физических свойств почв в интенсивном земледелии // Почвоведение. – 1988. – № 9. – С. 64–70.
13. И.С. Кауричева. Почвоведение. М.: Агропромиздат. 1989. 719 с.
14. Бузмаков В.В., Ламзин В.П. Окультуривание песчаных и супесчаных почв Нечерноземной зоны. М,1971. 216 с.
15. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.,1986. 416 с.