МЕТОДЫ РЕАБИЛИТАЦИИ ЗАСОЛЕННО-СОЛОНЦОВЫХ ПОЧВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДООБРАЗУЮЩЕЙ ФУНКЦИИ ГАЛОФИТОВ

METHODS OF REHABILITATION SASSOLINO-SODIC SOILS USING ENVIRONMENT-FORMING FUNCTIONS OF HALOPHYTES

Н.З. Шамсутдинов

N.Z. Shamsutdinov 

ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова»

(Россия, 127055, г. Москва, ул. Б. Академическая, 44) 

A.N. Kostyakov All-Russian Research Institute for Hydraulic Engineering and Land Reclamation

(Russia, 127550, Moscow, B. Akademicheskaya, 44)

e-mail: nariman@vniigim.ru

Рассмотрены вопросы средообразующей функции галофитов при выращивании их на засоленных и солонцовых почвах. Обсуждаются вопросы использования галофитов для реабилитации засоленных и солонцовых почв. Приведены сведения об эффективных методах рассоления засоленно-солонцовых почв при одновременном получении полезной продукции.

In the paper was considered the issues of the ecological functions of halophytes plant with their cultivation in saline and sodic soils conditions. Discusses the use of halophytes for saline and sodic soils rehabilitation. Provides information about effective methods of desalinization saline-sodic soil with simultaneous production of useful products. 

Деградация почв вследствие засоления и солонцевания или суммарных влияний является одним из важнейших негативных факторов, ограничивающих рациональное использование земельных ресурсов. Засоленно-солонцовые почвы преимущественно сосредоточены в аридных районах. Значительные площади засоленно-солонцовых земель встречаются в Австралии, Китае, Индии, Ираке [12]. Процессам деградации подверглись орошаемые земли в России. В зоне Поволжья в той или иной степени засолено 350 тыс. га орошаемых земель, имеется 340 тыс. га земель с солонцеватыми комплексами [2]. У этих почв плохие физические и химические свойства, что ограничивает рост, развитие и продуктивность многих сельскохозяйственных культур общепользовательной ценности. Необходимы особые подходы к этим почвам, чтобы поднять урожайность сельскохозяйственных культур на этих землях [1, 3, 4, 7, 8, 10, 11].

Прогрессирующее засоление почв обусловило превращение сельскохозяйственных земель в малопригодные для нормального ведения хозяйства, что в свою очередь привело к снижению продуктивности агроэкосистем и негативно отражается на качестве жизни населения, проживающего в аридных районах [1].

Восстановление продуктивности засоленных земель, создание на их месте высокопродуктивных сельскохозяйственных биоценозов, вовлечение их в сельскохозяйственный оборот, улучшение мелиоративного состояния и повышение плодородия почв является важнейшей задачей науки. Эту задачу успешно решают методы реабилитации засоленных земель с использованием средообразующей функции галофитов.

Галофиты (galos – соль, phyton – растение) – это группа экологически, физиологически и биохимически специализированных видов растений, способных нормально функционировать и продуцировать в условиях засоленной среды и/или орошения соленой водой. В мировой флоре насчитывается 2000 видов галофитов, в том числе в Центральной Азии 900 видов и в аридных районах России — более 500 видов. Создана их коллекция, насчитывающая 1500 образцов, из них отобрано около 25 видов растений-биомелиорантов, перспективных для использования в региональных системах биологической мелиорации деградированных сельскохозяйственных земель [6-8].

К галофитным относятся растения, принадлежащие к различным жизненным формам, которые способны завершить жизненный цикл и возобновить его в условиях засоления почвенного раствора с электропроводностью 8-10 ds/m. Растения, которые растут в природных условиях на засоленных почвах или могут выращиваться при орошении морской водой должны быть отнесены к галофитам.

Способность галофитов к формированию высокорослой, разветвленной надземной массы обеспечивает испарение большого количества воды, снижение уровня грунтовых вод, сокращение испарения с поверхности почвы и снижение концентрации солей с её верхних горизонтов. На песчаных почвах галофиты положительно реагируют на орошение соленой водой с концентрацией солей от 5,5 до 40 г/л, когда большинство сельскохозяйственных культур выдерживают соли в оросительной воде 3 г/л.

После 5 лет экспедиции по Центральной Азии и Юго-восточным районам России составлена коллекция галофитов, насчитывающая более 50 видов и 1500 образцов. Эти растения прошли в аридных районах Центральной Азии (Узбекистан, Туркменистан) и на юге России испытание на потенциальное использование в качестве кормовых, лекарственных и масличных растений с повышенной средообразующей способностью.

В результате широкомасштабной видовой и внутривидовой селекции, найдены 15 перспективных видов и экотипов, пригодных в качестве растений-биомелиорантов и для производства энергонасыщенных кормов и лекарственного сырья на вторично засоленных почвах и в условиях орошения соленой водой. Перспективными для использования в системе методов реабилитации засоленно-солонцовых почв оказались следующие галофиты: сведа дуголистная (Suaeda arcuata), сведа заостренная (S. аcuminata), лебеда белая (Atriplex cana), климакоптера мясистая (Climacoptera crassa), марь белая (Chenopodium album), бассия иссополистная (Bassia hyssopifolia), саликорния европейская (Salicornia europaea), кохия скопария (Kochia scoparia), солодка голая (Glycyrrhiza glabra), солодка уральская (G. uralensis), полынь солончаковая (Artemisia halophila).

Способность галофитов к нормальному функционированию и формированию высокой кормовой и лекарственной массы в условиях засолённой среды связана с их специфическими экологическими и физиолого-биохимическими особенностями [5-8]:

• Галофиты обладают повышенными показателями осмотического давления, достигающего 70-90 атм. (иногда до 110 атм.) за счёт увеличения содержания ионов и низкомолекулярных органических соединений (пролины, бетаины) в их клетках и тканях.
• Галофиты отличаются специфическими ионно-транспортными механизмами (низкой проницаемостью клеточных мембран, двумя Na⁺-транспортирующими системами — протонным насосом и независимым Na⁺-насосом), обеспечивающими поддержание низких концентраций ионов в цитоплазме и локализацию ионов в вакуолях в условиях высокой солёности среды.
• Галофиты принадлежат преимущественно к растениям с С₄-типом фотосинтеза. Это способствует нормальному протеканию процесса синтеза органических веществ всегда с положительным балансом в условиях постоянного доминирования экстремальных факторов, вызванных высокими температурами, сухостью аридного климата и засолённостью почвы.

Отобранные виды галофитов – Kochia scoparia, Suaeda arcuata, Atriplex cana, Climacoptera crassa, формируют 10-12 т сухой кормовой массы, 1,0-1,5 т семян (плодов), обеспечивая получение до 1,5 т протеина на вторично засоленных орошаемых землях, не пригодных для возделывания традиционных сельскохозяйственных культур общепользовательной ценности.

В процессе реализации программы исследований показано, что период рассоления почв в мелиоративном севообороте, включающем разные экологические группы галофитов, для условий средней степени засоления составляет 4-5 лет, сильной степени засоления – 6-7 лет.

Особенно перспективным биомелиорантом для эффективного освоения засолённых орошаемых земель оказалась солодка голая, являющаяся одновременно ценной лекарственной и кормовой культурой. В условиях Нижнего Поволжья на засолённых орошаемых землях с близким залеганием грунтовых вод солодка голая даёт 6-8 т сена и 8-10 т солодкового корня – ценного сырья для фармацевтической и пищевой промышленности.

Рассоляющий эффект галофитов складывается из следующих элементов. В метровом слое почвы на сильнозасоленных среднесуглинистых почвах Калмыкии содержится 48 тонн солей на 1 га. При фитомассе надземной части 18-20 т/га галофиты выносят из почвы 8-10 т солей с 1 га. В течение холодного периода за счет атмосферных осадков перемещается в глубь почвы 2 т солей. Галофиты, затеняя почву, препятствуют подъему солей из более глубоких слоев в верхние слои почвы. Эффект зеленой мульчи составляет 2,5 т/га солей. В итоге на участке, занятом насаждениями галофитов процесс выноса солей из почвы достигает 10-12,5 тонн в год.

Рассоление почвы с помощью галофитов является единственным способом удаления вредных для культурных растений солей из почвы. При дренаже, промывках и промывном режиме орошения соли только перераспределяются, но не выносятся из биологического круговорота. Для коренного длительного улучшения мелиоративного состояния земель и почвенного плодородия соли необходимо удалять из почвы, а не перемещать их в пределах биологического круговорота [3, 8].

Методы реабилитации солонцовых почв. Солонцовые почвы (содово-сульфатного типа (щелочные), хлоридно-сульфатные и сульфатно-хлоридные), занимающие большие площади в сухостепной и полупустынной зонах страны, являются одним из негативных факторов, ограничивающим оптимальное использование земельных ресурсов.

До сего времени доминирующим методом реабилитации солонцовых почв является химическая мелиорация. Этот метод дорог и трудоемок. Исследования последних лет, выполненные в Калифорнийском университете, в международном научном центре в Германии, в сельскохозяйственном университете в Пакистане, а также в нашей стране показывают эффективность реабилитации солонцовых почв с использованием экологически специализированных видов растений – галофитов.

Сущность реабилитации засоленно-солонцовых почв, основанная на средообразующей функции галофитов состоит в том, что в зоне корневой системы галофитов, произрастающих на засоленно-солонцовых почвах в результате дыхания корней выделяется повышенное количество CO₂. Углекислота также выделяется в результате разложения органических веществ. Растворение выделенной углекислоты в воде приводит к образованию H₂CO₃ с последующим его разложением на протон (H⁺) и бикарбонат (HCO₃). Далее происходит реакция протона (Н₂) с почвенным кальцитом (CaCO₃) до образования иона Ca²⁺ и в итоге происходит обмен Na⁺ на Ca²⁺ в почвенно-поглощающем комплексе с последующим вымыванием Nа⁺ в грунтовые воды. Такова концептуальная модель механизма реабилитации солонцовых почв с использованием галофитов.

В опытах профессора С. Роббинса [9], выполненных в вегетационных сосудах, получены следующие результаты (табл. 1). В период интенсивного роста галофита скорость вымывания Na составила 16,2 ммоль/день, что вполне сопоставимо с вариантом внесения гипса 100% – 19,3 ммоль/день.

Таблица 1

Скорость вымывания Na⁺ из солонцовой почвы в различные периоды роста галофита лептохлоэ Leptochloe fusca (L.) Kubth. Количество гипса, необходимое для ионной замены обменного Na ⁺ кальцием Ca ²⁺ в слое почвы - 0-150 см по интервалам роста

Данные полевых опытов по выращиванию зерновых культур после проведения реабилитации солонцовых почв подтвердили эффективность данного метода. Это видно из данных таблицы 2 [9].

Таблица 2

Урожайность зерна пшеницы по различным вариантам реабилитации солонцовых почв с помощью галофитов

Если на контрольном участке солонцовых почв (без внесения гипса и вариантов реабилитации) урожайность зерна пшеницы составила 0,65 т/га, то после выращивания галофитов составила: сесбании – 3,8 т/га, лептохлоэ – 3,2 т/га, сардана – 2,3 т/га.

Заключение. Реабилитация засоленно-солонцовых почв с использованием средообразующей функции галофитов является эффективным методом продуктивного освоения и одновременного рассоления почв, ранее непригодных для традиционных сельскохозяйственных культур общепользовательной ценности. 

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-05-08025. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Енсен Н.П., Карти Д.Дж., Мартин Р., Руддер К., Шамсутдинов З., Шамсутдинов Н. Об использовании галофитов для реабилитации земель солеуглеводородного загрязнения и производства кормов // С.-х. биология. 2004. № 6. С. 78-91.
2. Зонн И.С., Трофимов И.А., Шамсутдинов З.Ш., Шамсутдинов Н.З. Земельные ресурсы аридных территорий России // Арид. экосистемы. 2004. № 10 (22-23). С. 87-101.
3. Шамсутдинов З.Ш. Биологическая мелиорация деградированных сельскохозяйственных земель. М., 1996. 172 с.
4. Шамсутдинов З.Ш. Мировой опыт биологических мелиораций и перспективы их использования в устойчивом развитии пастбищного хозяйства Западного Прикаспия // Биота и природная среда Калмыкии. М.; Элиста, 1995. С. 106-157.
5. Шамсутдинов Н.З., Шамсутдинов З.Ш. Принципы и методы фитомелиорации деградированных агроландшафтов на аридных территориях России // Мелиорация и вод. хоз-во. 2009. № 5. С. 21-24.
6. Шамсутдинов Н.З. Генетические ресурсы галофитов и биологические основы введения их в культуру в аридных районах России: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. СПб., 2006. 44 с.
7. Шамсутдинов З.Ш., Савченко И.В., Шамсутдинов Н.З. Галофиты России, их экологическая оценка и использование. М.: Изд-во «Эдель-М», 2001. 399 с.
8. Шамсутдинов З.Ш., Шамсутдинов Н.З. Галофитное растениеводство (эколого-биологические основы). М., 2005. 404 с.
9. Robbins C.W. Sodic calcareous soil reclamation as affected by different amendments and crops // Agron. J. 78. 1986. P. 916-
10. Shamsutdinov N., Shamsutdinov Z. Halophytes Utilization for Biodiversity and Productivity of Degraded Pastures Restoration in Arid Regions of Central Asia and Russia // Biosaline Agriculture & High Salinity Tolerance. Ed.: Ch. Abdelly, M. ?zturk, M. Ashraf, C. Grignon. Birkhauser Verlag/Switzerland, 2008. P. 293-240.
11. Shamsutdinov Z.Sh., Shamsutdinov N.Z. Biogeocenotic principles and methods of degraded pastures phytomelioration in Central Asia and Russia // R. Ahmad and K.A. Malik (eds.). Prospects for Saline Agriculture. Kluwer Academic Publishers. Netherlands. 2002. Р. 29-
12. Tanji K.K. Nature and extent of agricultural salinity. In: Tanji K.K. (ed.) Agricultural salinity assessment and management. (ASCE manuals and reports on engineering practices 71) ASCE, New York, 1990. P. 1-17.