Антропогенная эволюция почв Боровской оросительной системы

Русанов А.М.

(заведующий кафедрой общей биологии ОГУ, доктор биологических наук, профессор),

Милановский Е.Ю.

(старший научный сотрудник кафедры физики и мелиорации почв МГУ им. М.В. Ломоносова,

кандидат биологических наук),

Шеин Е.В.

(профессор кафедры физики и мелиорации почв МГУ им. М.В. Ломоносова, доктор биологических наук),

Засыпкина Д.И.

(аспирант кафедры физики и мелиорации почв МГУ им. М.В. Ломоносова),

Демченко Э.В.

АНТРОПОГЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ПОЧВ БОРОВСКОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ*

На территории, исключенной из орошения Боровской оросительной системы, вскрыты солонец корковый и лугово-черноземные глубокозасоленные почвы, занимающие различные положения в мезорельефе. Солонец корковый расположен в относительной депрессии и, в отличие от лугово-черноземной почвы, сильно засолен с поверхности, характеризуется высоким содержанием иона натрия в почвенном поглощающем комплексе, бесструктурностью и низкой водопроницаемостью.

Введение

Территория Боровской оросительной системы орошается с 1934 года. Общая площадь орошения в первые годы составляла 2705,7 га. В 1984 году на территории оросительной системы была выполнена работа по уточнению площади орошения и исследованию некоторых свойств почв. При этом основное внимание было уделено изучению их солевого режима. Площадь орошения составляла тогда 2441,3 га. В начале 90-х годов орошение на некоторых, в основном притеррасных территориях Боровской оросительной системы было прекращено. Основная причина заключалась в прогрессивном засолении и осолонцевании почв. Однако полных данных о состоянии почв, их эволюции после прекращения орошения до настоящего времени не было получено. Эта проблема является чрезвычайно важной как с сточки зрения инвентаризации и мониторинга состояния почв Оренбургского региона, так и с научной точки зрения. Известно, что в различных геоморфологических, мелиоративных, почвенногеохимических условиях эволюция почв, подверженных орошению, после выведения их из ирригации складывается различно (Приходько, 1996). Нередко почвы проградируют в свои зональные аналоги с остаточными признаками гидрогалогенного этапа, но в ряде случаев отмечается еще более глубокая химическая деградация почвенного покрова в послеороситель-ный период. В связи с этим целью данной работы явилось изучение физических и физико-химических свойств, а также солевых характеристик некоторых почв, находившихся на терри-

тории Боровской оросительной системы, но исключенных из орошения вследствие их засоления.

Объекты и методы исследования

Территория оросительной системы расположена в степной зоне, в подзоне черноземов обыкновенных. Оросительная система занимает левобережье р. Боровка, ее вторую и третью остепненные надпойменные террасы. В основании территории, в северной ее части, располагаются древнеаллювиальные отложения, южнее

- делювиальные желто-бурые карбонатные суглинки. Коренными породами являются алевролиты с линзами известняков и песчаников верхнетатарского подъяруса верхней перми. Они являются основными водоносными горизонтами исследуемой территории.

Грунтовые воды залегают на глубине 0,56,5 метра и характеризуются гидрокарбонатно-магниево-кальциевым, гидрокарбонатно-хло-ридно-натриевым и гидрокарбонатно-сульфат-но-натриевым составом различной степени минерализации (0,3-6,5 г/л). Воды р. Боровка гид-рокарбонатно-натриево-кальциевые с минерализацией до 1,0 г/л. Уровень грунтовых вод за время орошения заметно повысился. Если в 1934 году он составлял на всей площади оросительной системы 5-6 м, то через 50 лет на 69,0 га они залегали на глубине до 1,0 метра, на 394,7 га их уровень составил 1,0-1,5 м, на площади 1326,2 - 1,5-3,0 метра, а на площади 591,4 га -глубже 3,0 метров. Особенно близко к поверхности располагаются воды на территориях, прилегающих к магистральным оросительным

*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ. Гранты: 02-04-49274, 04-04-49006

каналам, строительство которых осуществлялось без гидроизоляции. Минерализация грунтовых вод составила на площади 2407,3 га - до 1,0 г/л, на 22,5 га - до 3,0 г/л и на площади 11,3 га - более 5,0 г/л. Общая минерализация грунтовых вод возросла за период 1934-1984 гг. примерно в 3 раза, прежде всего за счет сульфат-ионов и особенно за счет ионов натрия (в 4-8 раз) при снижении содержания Са (на 60-80%). Выявлено, что с глубиной содержание Ка в составе грунтовых вод также увеличивается.

В 1934 году засоленные почвы и почвообразующие породы на территории оросительной системы не были выявлены. В 1984 году на площади 128,7 га отмечено их слабое засоление, на площади 157,6 га - среднее. Засоленные почвы были приурочены к микропонижениям, депрессиям и магистральным каналам, т. е. к территориям, подверженным дополнительным влияниям грунтовых и поверхностных вод. Близко расположенные к поверхности воды отличаются повышенной минерализацией и высокой концентрацией ионов натрия.

Результаты рекогносцировочных исследований сопредельных с зоной полива территорий позволяют утверждать, что до ввода в режим орошения почвенный покров Боровской ирригационной системы отличался гомогенностью и был представлен различными родами чернозема обыкновенного остаточно-луговато-го. После более чем 50-юлетнего периода орошения произошла антропогенная трансформация структуры почвенного покрова исследуемой площади в сторону ее усложнения и повышения контрастности. Основная часть покрывающих ее почв продолжала соответствовать своим изначальным классификационным свойствам. Локально, из-за сочетания орошения с факторами микрорельефа и засоления материнских пород, произошли значительные изменения в водно-воздушном, солевом, окислительно-восстановительном и других режимах почв, в связи с чем они приобрели иные свойства, именно эти почвы и послужили основным объектом работы.

С целью получения информации о современном состоянии засоленных в процессе орошения почв и для исследования послеороситель-ной их эволюции в 2003 году на приводораздельной части террасы р. Боровки были заложены 2 разреза. Были вскрыты солонец корковый и лугово-черноземная почва, расположенные рядом (в 20-ти метрах) друг от друга и отличающиеся отметками высот: лугово-черноземная почва располагалась на относительном

повышении рельефа в 0,82 м. По морфологическому описанию структура коркового солонца характеризуется большей плотностью, сли-тостью, липкостью. Для лугово-черноземной почвы характерны меньшая слитость и более глубокое прокрашивание гумусом. Оба объекта вскипают от 10% НС1 приблизительно с одинаковой глубины (15 см).

В полевых условиях послойно определяли плотность почвы и ее водопроницаемость методом трубок. В лабораторных условиях для установления состава обменных оснований в связи с присутствием в выбранных объектах карбонатов и засоления для приготовления вытяжки был использован метод Пффейфера в модификации Молодцова и Игнатовой. Определение натрия проводили пламенно-фотометрическим методом, кальция и магния - атомно-адсорбционным («Руководство по лабораторным методам исследования ионно-солевого состава нейтральных и щелочных минеральных почв», 1990). Для определения степени засоления в почвенной суспензии (соотношение почва : вода равно 1:5) измерена электропроводность («Практические занятия по курсу мелиорация почв», 1994).

На экспресс - анализаторе на углерод АН 7529 установлено совместное содержание углерода органического вещества и карбонатов и отдельно содержание углерода карбонатов. По разнице этих показателей рассчитано содержание углерода органического вещества.

Результаты и обсуждение

Полевые исследования физических свойств исследованных вариантов показали их существенные различия. Плотность сложения лугово-черноземной почвы в поверхностных слоях составляет от 1,0 до 1,1 г/м3-. Эта величина меньше, чем измеренная в 1934 году до начала орошения (тогда она была 1,3 г/м3). В солонце корковом этот показатель равен 1,5 г/м3, что соответствует измеренному в 1984 г. Разница в величине коэффициента впитывания для этих вариантов также весьма значительна. Если в корковом солонце по всему профилю коэффициент впитывания имеет очень низкие значения (0,1 -0,3 мм/мин), то на поверхности лугово-черноземной почвы эта величина составляет 4,5 мм/ мин. Столь заметное изменение физических свойств связано с засолением и осолонцевани-ем исследованных почв. На основании анализа данных об электропроводности почвенных паст (табл. 1) совершенно определенно можно судить о том, что корковый солонец является сильно

засоленным с максимумом засоления (очень сильно засоленные) на глубине 20-40 см, а лугово-черноземная почва - не засолена с поверхности, и лишь в глубоких слоях ее отмечается слабое засоление.

Столь существенные изменения, безусловно, связаны с расположением объектов в мезорельефе, когда на повышенных участках создаются лучшие условия дренажа и, соответственно, рассоления почв.

До начала орошения (1934 г.) почвы оросительной системы характеризовались нейтральными величинами рН почвенного раствора (рН 6,8-6,9) на всей территории оросительной системы. Реакция почвенных растворов на систематически орошаемых землях в 1984 г. составила 7,8-8,2 при увеличении рН до 9,0 на глубине 1,5-2,0 метра. В местах частого застоя вод рН снижался в указанные годы до 6,0 единиц рН. К 2003 году рН значительно возрос в поверхностных слоях до 8-9 в лугово-черноземной почве и до 10 единиц - в солонце корковом (рис. 1). Совершенно очевидно, что за время, прошедшее с 1984 года, произошло дополнительное увеличение рН, что не могло не сказаться на физико-химических и физических свойствах почв.

К 1984 году по сравнению с аналогами на целине содержание гумуса сократилось за время орошения на 10-25%, а СГК:СФК, интегральный показатель качества гумуса, снизился с 2,92,3 до 1,4-2,0. Современное содержание углерода органического вещества в луговой почве зна-

рН

8 10

С орг, %

4 6

№

ч

&

о

р

с

я

Я

8

ю

п

40

60-

V

Таблица 1. Некоторые водно-физические, физикохимические и химические свойства солонца коркового и лугово-черноземной глубокозасоленной почвы

Глубина, см Плотность, г/см3 Влажность при определении плотности, % Водопроницаемость, мм/мин Содержание фракции <0,25 мм при мокром просеивании Электропроводность, мСм/см Степень засоления

Солонец корковый

0-5 1,51 25,10 0,1 69,5 8,6 Средняя

10-15 1,46 20,60 0,2 60,1 23,1 Сильная

20-25 1,48 26,32 0,2 91,8 62,9 Очень сильная

30-35 1,57 18,03 0,1 99,6 63,4 Очень сильная

40-45 1,51 19,22 0,1 98,9 32,3 Сильная

60-65 1,54 20,72 0,3 98,9 31,0 Сильная

80-85 1,68 17,17 0,5 89,8 28,2 Сильная

Лугово-черноземная глубокозасоленная почва

0-5 1,11 39,24 4,5 30,4 <0,5 Незасоленные

10-15 1,06 37,83 3,2 48,8 <0,5 Незасоленные

20-25 1,00 32,10 3,5 34,1 <0,5 Незасоленные

30-35 1,08 29,80 2,1 35,1 <0,5 Незасоленные

40-45 1,15 28,90 4,4 44,1 4,3 Слабая

60-65 1,36 23,50 5,8 58,2 7,3 Слабая

80-85 1,60 21,70 3,4 67,7 7,4 Слабая

8 полн, м /г

100 150

80

ш солонец корковый

-ф- лугово-черноземная глубокозасоленная почва

Рисунок 1. Профильные распределения величины рН, содержания органического углерода (Сорг, %) и удельной поверхности (8полн, м2/г) в солонце корковом и лугово-черноземной глубокозасоленной почве

чительно выше, нежели в солонце корковом, хотя распределение гумуса в обоих профилях можно охарактеризовать как аккумулятивнопрогрессивное. Сравнивая полученные данные с результатами содержания гумуса, полученными в 1934 году и 1984 году, можно сделать вывод о том, что гумусное состояние почв данной территории ухудшилось весьма существенно. Это является довольно характерным фактом по-сторосительного периода эволюции почв. Однако различия в степени засоления не сказались на величинах удельной поверхности: площадь удельной поверхности (рис. 1) исследуемых вариантов можно признать практически одинаковой, только в верхних 20 см ее значение у лугово-черноземной почвы несколько выше (160 м2/г), чем у коркового солонца (150 м2/г).

Для оценки почв и их посто-росительной эволюции важно рассмотреть состав почвенного поглощающего комплекса (ППК) и процент иона натрия в его емкости, указывающий на степень осолонцованности (табл. 2). Натрий в составе обменных оснований составляет в корковом солонце на глубине максимального засоления 60% от общего их количества. Значение этого показателя по профилю не опускается ниже 33%,

что позволяет отнести указанные почвы к солонцам корковым солончаковатым. (Критерием для выделения типа солонцов является содержание обменного натрия в количестве >20% от суммы поглощенных оснований.) Содержание обменного кальция в верхнем горизонте достигает 56% от суммы поглощенных катионов, а на глубине наибольшего засоления снижается до 35%. Процент магния не превышает 11% по всей глубине.

Анализ данных о составе обменных катионов лугово-черноземной почвы показывает значительное наличие поглощенного магния в нижней части профиля. По Ф.Р. Зайдельману (Зай-дельман, 1996), почву можно отнести к солонцам при содержании в почве обменного магния в количестве, превышающем 40%. Для данного варианта это наблюдается с глубины более 65 см. Выше содержание магния составляет порядка 25-30%. В луговой почве натрий в составе обменных оснований отсутствует до глубины 80 см, где его содержание составляет 13%.

Высокий рН, наличие иона натрия в ППК, засоленность почвенного профиля солонца коркового в отличие от лугово-черноземной почвы не могли не сказаться и на заметном ухудшении устойчивости его структуры в сравнении с глубоким солонцом. Мокрое просеивание (табл. 3) указывает на почти полное отсутствие водопрочности в корковом солонце и небольшую водопрочность (с максимумом оставшихся агрегатов размером 1-2 мм) в лугово-черноземной почве. Для последней характерно повышенное содержание крупных агрегатов (>5 мм) в поверхностном слое (0-5 см), что указывает на протекающие здесь процессы оструктурива-ния.

Все приведенные данные указывают на практически полную обесструктуренность солонца коркового, что в целом характерно для солонцовых почв. Луговая почва, напротив, обладает лучшими физическими и физико-химическими свойствами. Вероятно, постиррига-ционная эволюция этих почв происходит в направлении их остепнения, которое начинается с возвышенных участков. В целом, почвы исследованной территории подвергаются последовательной эволюции, которая характерна для орошаемых почв, подвергшихся засолению при

Таблица 2. Состав почвенного поглощающего комплекса (ППК) и процент иона натрия в его емкости для солонца коркового и лугово-черноземной глубокозасоленной почвы

Объект исследования Глубина, см Состав катионов почвенного поглощающего комплекса (ППК), мг-экв/100 г

Са м2 № N8 в ППК, %

Солонец корковый 0-5 16,0 3,3 9,5 33,0

10-15 17,6 3,2 25,5 55,0

20-25 21,1 3,1 36,5 60,1

30-35 21,3 2,9 28,5 54,1

40-45 23,8 3,1 26 49,1

60-65 20,6 3,0 22,5 48,8

80-85 28,8 2,9 16,5 34,2

Лугово- черноземная глубокозасоленная почва 0-5 14,6 7,0 0,0 0,0

10-15 16,3 6,4 0,0 0,0

20-25 17,6 6,2 0,0 0,0

30-35 18,6 6,2 0,0 0,0

40-45 15,8 7,8 0,0 0,0

60-65 9,4 9,9 0,0 0,0

80-85 4,3 11,6 2,4 13,1

Таблица 3. Структурный состав солонца коркового и лугово-черноземной глубокозасоленной почвы по данным мокрого просеивания

Фракции, мм Глубина, см

0-5 10-15 20-25 30-35 40-45 60-65 80-85

Солонец корковый

>5 1,9 0,4 0,0 0,0 0,0 0,1 7,0

3-5 1,3 1,4 1,3 0,0 0,0 0,4 2,0

2-3 1,6 2,6 1,5 0,0 0,1 0,1 0,7

1-2 12,1 16,0 2,2 0,0 0,4 0,3 0,2

0,5-1 7,8 11,0 1,6 0,1 0,3 0,2 0,1

0,25-0,5 5,7 8,5 1,7 0,2 0,3 0,7 0,1

<0,25 69,5 60,1 91,8 99,6 98,9 98,1 89,8

Лугово-черноземная глубокозасоленная почва

>5 31,5 9,9 2,6 0,4 0,7 0,3 0,0

3-5 3,7 2,7 5,8 3,2 3,0 2,0 0,1

2-3 5,2 4,2 9,6 9,0 6,0 6,8 0,6

1-2 18,0 20,5 34,6 38,6 30,2 19,5 4,7

0,5-1 6,3 8,6 8,6 6,3 8,8 5,9 5,8

0,25-0,5 5,0 5,4 4,7 7,5 7,1 7,2 21,0

<0,25 30,4 48,8 34,1 35,1 44,1 58,2 67,7

орошении: зональные автоморфные - гидро-морфные - засоление (при соответствующем качестве поливных и грунтовых вод и отсутствии дренажа) - солончаки - (прекращение орошения) - солонцы корковые - солонцы глубокие

- луговые осолонцованные почвы («Орошаемые черноземы», 1989). По всей видимости, и для части территории, находившейся в составе Боровской оросительной системы, такая эволюция почв является характерной. Однако при отсутствии искусственного дренажа этот процесс может быть чрезвычайно длительным, а в случае засушливых метеоусловий может стабилизироваться на солонцовой стадии.

Список использованной литературы:

1. Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв. М.: МГУ, 1996. 384 с.

2. Орошаемые черноземы / Под ред. Розанова Б.Г. М.: МГУ, 1989. 240 с.

3. Практические занятия и семинары по курсу мелиорация почв / Под ред. Л.Ф. Смирновой и соавт. М.: МГУ, 1994.

4. Приходько В.Е. Орошаемые степные почвы: функционирование, экология, продуктивность. М.: ИНТЕЛЛЕКТ, 1996. 180 с.

5. Руководство по лабораторным методам исследования ионно-солевого состава нейтральных и щелочных минеральных почв. М.: Почвенный институт им. М.В. Докучаева, 1990. с.95-98.