Засоленные почвы естественных и агротехногенных ландшафтов Южного Урала

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

03.02.13 - Почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Засоленные почвы естественных и агротехногенных ландшафтов Южного Урала

СУЛЕЙМАНОВ РУСЛАН РИМОВИЧ

Уфа - 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институт биологии Уфимского научного центра РАН

Научный консультант:

доктор биологических наук, профессор Габбасова И.М.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук,

ведущий научный сотрудник Зубкова Т.А.

доктор биологических наук, профессор Середа Н.А.

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева»

Защита диссертации состоится 22 декабря 2010 года на заседании диссертационного совета Д 220.003.01 при Федеральном государственном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан 19 ноября 2010 года

и размещен в сети Интернет на сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Р.Р. Гайфуллин

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На протяжении всей истории развития почвоведения засоленные почвы являлись одним из главных объектов исследования во многих странах мира. Это объясняется, во-первых, широким распространением засоленных почв в разных регионах Земли, во-вторых, тем, что засоление - одно из главных генетических свойств и мелиоративных особенностей почв аридных и семиаридных областей, а также свойство, лимитирующее их плодородие. И, наконец, в-третьих, засоленность - один из основных признаков неблагополучного экологического состояния земель Засоленые…, 2006.

В различных регионах засоленные почвы существенно различаются по свойствам, генезису, а следовательно, и по методам мелиорации, что вызывает различия в их освоении, рациональном использовании и борьбе с засолением. На Южном Урале в пределах Республики Башкортостан площадь собственно засоленных почв сельскохозяйственных угодий невелика и составляет 29,5 тыс. га, солонцово-засоленных - 30,8 тыс. га. Однако, площадь засоленных почв в связи с усиливающейся ксерофитизацией климата с одной стороны, наличием нефтедобывающей промышленности и мелиоративных систем (орошение, осушение) - с другой, постоянно возрастает. Все это ведет к значительному уменьшению плодородия почв, снижению биопродуктивности и ухудшению качества сельскохозяйственной продукции.

Для принятия своевременных и адекватных мер по предупреждению засоления и осолонцевания почв и разработки экологически приемлемых и экономичных способов их использования и восстановления необходимо комплексное изучение почв засоленного ряда в естественных и агротехногенных условиях региона.

Целью исследований явилось изучение процессов формирования засоленных почв в естественных и агротехногенных ландшафтах, трансформации их свойств и режимов при развитии засоления, поиск экологически обоснованных методов их мелиорации и рекультивации.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Изучить характер распространения, свойства природных почв засоленного ряда и их изменение при длительном сельскохозяйственном использовании.

2. Изучить возможность повышения плодородия засоленных и осолонцованных почв в Зауральской степной зоне с использованием природных агрономических удобрений и мелиорантов.

3. Изучить влияние нефтедобычи на солевой режим почв в различных природно-климатических зонах Южного Предуралья и разработать методы их рекультивации.

4. Исследовать воздействие прудов-накопителей нефтепромысловых сточных вод на почвы, породы и подземные воды и их состояние через 40 лет после загрязнения при отсутствии рекультивации.

5. Изучить изменение солевого режима почв при орошении, осушении и в местах выхода подземных минерализованных вод.

6. Оценить изменение солевого режима почв в степной зоне Предуралья на примере погребенных почв археологических памятников бронзового века. агротехногенный урал ландшафт почва

Научная новизна. Впервые для условий Южного Урала проведены комплексные исследования почв засоленного ряда в естественных и агротехногенных условиях. Изучены запасы и состав природных агрономических удобрений и показана эффективность использования сапропеля, сплавины и цеолита для улучшения свойств и биопродуктивности как природных, так и техногенно засоленных и осолонцованных почв. Показаны сходства и различия комплекса свойств в профиле засоленных и осолонцованных почв естественного и техногенного происхождения. Выявлен механизм вторичного засоления почв, загрязненных сырой нефтью, при проведении биологической рекультивации через 15-30 лет после загрязнения. Установлено, что для опреснения подземных вод, загрязненных в результате воздействия пруда-накопителя нефтепромысловых сточных вод (НСВ), должно пройти 140 лет. Выявлен механизм засоления чернозема выщелоченного при длительном орошении маломинерализованной водой в овощном севообороте. Выявлены процессы гидрогенного накопления солей в местах выхода минеральных источников на дневную поверхность. На примере изучения почв археологических памятников показано, что природные условия равнинного междуречья в Предуральской степи за последние 3,5 тысячи лет способствовали рассолению почв.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Генезис, распространение, свойства природных почв засоленного ряда Южного Урала. Ухудшение их агроэкологических свойств при длительном сельскохозяйственном использовании и повышение плодородия путем использования природных агрономических удобрений.

2. Формирование засоленных и осолонцованных почв при загрязнении сырой нефтью и высокоминерализованными НСВ, сходства и различия комплекса их свойств с природными почвами засоленного ряда.

3. Проведение рекультивации техногенно засоленных и осолонцованных почв насыщенных основаниями и (или) имеющих свободные карбонаты в своем профиле без использования кальций содержащих мелиорантов. Процесс замещения натрия в почвенно-поглощающем комплексе имеющимся в почве кальцием активизируется при фитомелиорации и использовании природных удобрений.

4. Пруды-накопители нефтепромысловых сточных вод - источники загрязнения пород, грунтовых вод и почв. Повышение минерализации подземных вод и смена химического состава в зоне их влияния, накопление токсичных элементов (выше ПДК) в растениях и почвах на территории, превышающей площадь непосредственного воздействия.

5. Влияние мелиорации на солевой режим почв и механизм засоления при орошении черноземов маломинерализованными водами.

6. Анализ направленности процессов засоления-рассоления на основании сравнительного изучения современных и погребенных почв археологических памятников.

Реализация результатов исследований и практическая значимость. На основе результатов исследований, проведенных совместно с институтом БашНИПИНефть, разработан и внедрен руководящий документ «Проведение рекультивации техногенно-нарушенных земель при добыче нефти» РД 39-00147275-056-2000. БашНИПИНефть. Уфа, 2000. 102 с. Разработаны способы очитки почв от нефтяных загрязнений (Патенты РФ № 2170149; № 2198747; № 2199406). Совместно с ОАО ПИИ «Башгипроводхоз» проведены почвенно-мелиоративные обследования и составлены рекомендации по использованию почв на оросительных системах (Абзелиловский, Зилаирский, Буздякский, Уфимский, Стерлитамакский районы Республики Башкортостан).

Материалы исследований используются в учебном процессе при чтении курса «Мелиорация и рекультивация земель» на факультете Землеустройство и лесное хозяйство Башкирского государственного аграрного университета и курса «География рекультивируемых ландшафтов» на Географическом факультете Башкирского государственного университета.

Связь работы с научными программами. Различные этапы диссертационной работы были поддержаны: грантами РФФИ конкурс «Агидель» №№ 02-04-97912, 05-04-97907, 05-04-97902; грантом РГНФ № 06-01-84102; Комиссией про грантам при Президенте РФ (МК-1587.2004.5); Программами фундаментальных исследований ОБН РАН: «Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами» (2003-2005 г.г.) и «Биологические ресурсы России: Фундаментальные основы рационального использования» (2006-2008 г.г.); Государственными научно-техническими программами Академии наук Республики Башкортостан (1999-2009 г.г.).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на региональных конференциях: Республика Башкортостан, Уфа 1998-2010 г.г. На всероссийских конференциях: Съезды общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004; Ростов-на-Дону, 2008; Докучаевские молодежные чтения. Санкт-Петербург, 2002; 2004; «Проблемы геоэкологии Южного Урала». Оренбург, 2005, 2007; «Природообустройство и рациональное природопользование». Москва, 2005; «Почвоведение и агрохимия в XXI веке». Санкт-Петербург, 2006; XIII Всероссийская школа «Экология и почвы». Пущино, 2006. На международных конференциях: «Современные проблемы загрязнения почв». Москва, 2004; «Плодородие почв - уникальный природный ресурс - в нем будущее России». Санкт-Петербург, 2008; «Soil and Water Conservation, Climate Change and Environmental Sensitivity». Budapest. Hungary, 2008; «Global Change - Challenges for Soil Management: From Degradation on through Soil and Water Conservation to Sustainable Soil Management». Tara Mountain. Serbia, 2009; «Soil Fertility and Soil Productivity, Two Features to be Distinguished - Differences of Efficiency of Soils for Land Uses, Expenditures and Returns». Berlin. Germany, 2010.

Общий список опубликованных работ состоит из 47 наименований. По теме работы изданы 2 монографии, в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, опубликовано 19 статей.

Исходные материалы. В основу работы положены результаты многолетних (1996-2009 г.г.) полевых, модельных и аналитических исследований, проведенных в лаборатории почвоведения Учреждения РАН Институт биологии Уфимского научного центра РАН.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились основные типы почв, сформированные в разных почвенно-климатических зонах Южного Урала (на территории Республики Башкортостан), подверженные естественному и агротехногенному засолению. Экспериментальная работа проводилась на основе сравнительно-географических маршрутных и обзорно-площадных экспедиционных исследований, режимных наблюдений в полевых условиях, в микрополевых и лабораторных опытах. Почвенные разрезы закладывались в различных ландшафтах на почвах засоленного ряда природного генезиса и на участках с характерными признаками техногенного воздействия: загрязненных (нефтью, высокоминерализованными сточными водами), заболоченных, осушенных, орошаемых, пирогенно-деградированных и при необходимости и возможности, на аналоговых фоновых почвах. Образцы почв отбирали из основных генетических горизонтов, их лабораторно-аналитические исследования проводились в соответствии с принятыми в почвоведении методами. Обработка материалов выполнена с использованием методов математической статистики.

Структура и объем работы. Работа изложена на 409 страницах и состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка из 321 наименований, в том числе 54 - зарубежных авторов, включает 94 таблицы, 34 рисунка и 18 приложений.

Личный вклад автора. Автором определены цели и задачи исследований, принято участие в проведении десятков экспедиционных и маршрутных выездов, заложении почвенных разрезов и полевых опытов, ряде аналитических исследований, обработаны и обобщены полученные материалы. Часть работ по изучению использования природных агроруд для повышения плодородия засоленных почв в Зауральской степной зоне выполнены совместно с к.б.н. Дашкиным С.М., которой защитил кандидатскую диссертацию под руководством автора.

Выражаю глубокую признательность и благодарность зав. лабораторией почвоведения д.б.н. проф. Габбасовой И.М., чл. корр. АН РБ
д.б.н. Хазиеву Ф.Х., д.б.н. Мукатанову А.Х., старейшему научному сотруднику лаборатории почвоведения Ганиеву Х.И., а также к.с-х.н. Гарипову Т.Т., к.с-х.н. Назыровой Ф.И., к.с-х.н. Простяковой З.Г., к.б.н. Сидоровой Л.В., Хакимовой Г.А. и Фазлыевой Ф.Ш., оказавших огромную помощь в проведении полевых, аналитических работ и сбору материала.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Территории Республики Башкортостан расположена на рубеже Европы и Азии. Она занимает часть восточной окраины Русской равнины, гор Южного Урала и возвышенно-равнинного Зауралья, что объясняет большое разнообразие ее физико-географических, геоморфологических и климатических условий, почвообразующих пород, почв и типов растительности. Основной почвенный фон территории республики составляют почвы черноземного (37,2%) и лесного типа (27,7%).

Республика Башкортостан входит в пояс засоленных почв России, протянувшегося в основном с запада на восток по южным рубежам страны Панкова, Новикова, 2002. В группу засоленных почв входят солонцеватые разновидности зональных подтипов черноземов обыкновенных и южных, распространенных преимущественно в Зауральской степи республики, и солончаковатые разновидности луговых почв. В пределах республики развиты также типичные солончаки и солонцы, которые часто встречаются в Зауралье, реже на юге Предуралья, комплексируясь с зональными типами почв, их солонцеватыми родами.

2. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ЗАСОЛЕННЫХ ПОЧВ

Изучению засоленных почв региона в связи с их небольшим распространением посвящено значительно меньше работ, чем основным генетическим типам. Первые сведения об этих почвах обобщены в работе
Д.В. Богомолова 1954, позже их изучали П.Я. Бульчук 1966; 1973,
Б.М. Миркин 1973.

Значительно больше внимания уделялось вторичному засолению почв при мелиорации. Влиянию орошения на свойства почв, в том числе солевому режиму, посвящены работы Б.В. Шумакова 1979; Р.Ф. Абдрахманова и В.Г. Попова 1985, А.В. Комиссарова 1989, Я.Т. Суюндукова 1989, 1995, Х.М. Сафина 1996, 2000, С.А. Юнусова 2004, И.М. Габбасовой и др. 2004, 2006, 2009. Изменение количественного и качественного состава солей при осушении показано в работах Э.Г. Ашимова 1982, Р.А. Уразметовой и Х.И. Ганиева 1982, Ф.Х. Хазиева и А.Х. Мукатанова 1985. В целом информация о засоленных почвах региона обобщена в двух томной монографии Почвы Башкортостана 1995, 1997.

В настоящее время проблема, связанная с засолением почв, обостряется в связи с загрязнением почв сырой нефтью и попутными рассолами в районах нефтедобычи. Исследования процессов техногенного засоления и осолонцевания почв при загрязнении высокоминерализованными поллютантами проводились в последние годы в лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН.

3. ПОЧВЫ ЗАСОЛЕННОГО РЯДА ЗАУРАЛЬСКОЙ СТЕПНОЙ ЗОНЫ И ОПТИМИЗАЦИЯ ИХ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Характеристика почв засоленного ряда Зауральской степной зоны

Целью маршрутных исследований было выявление и характеристика засоленных и осолонцованных почв в Зауральской степи. Всего было заложено 15 полнопрофильных разрезов и серия прикопок. Дополнительно анализировались материалы почвенного обследования Хайбуллинского района, проведенные Институтом «Волгогипрозем» и архивные материалы лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН.

Эти исследования показали, что наиболее распространенными почвами засоленного ряда являются черноземы обыкновенные и южные, сильно различающиеся по мощности, содержанию гумуса, выраженности засоления и осолонцевания и развитости почвенного профиля. Собственно типы солончаков и солонцов, а также солодей выявлены не были. Эти почвы не образуют самостоятельного фона, обычно они комплексируются с черноземами и лугово-черноземными почвами.

Как известно, солончаки и солончаковые почвы относятся к гидроморфному ряду. Их образование обусловлено наличием солей в почвообразующих породах и грунтовых водах. Рассоление солончаков, в составе солей которых имеется натрий, приводит к формированию солонцовых почв. Наиболее частой причиной этого процесса бывает понижение уровня грунтовых вод вследствие усиливающейся ксерофитизации климата. В зависимости от колебаний климатических условий, определяющих гидротермический режим почв, процессы засоления-осолонцевания сдвигаются в ту или иную сторону. При достаточно длительной солонцовой стадии начинают развиваться процессы осолодения.

Анализ морфологических свойств показывает, что солончаки луговые отличаются слабой дифференциацией почвенного профиля, наличием выцветов солей, слабой уплотненностью, отсутствием выраженной структуры, тяжелым механическим составом, вскипают по всему профилю. Солонцы-солончаки и в большей степени солонцы в отличие от солончаков обладают выраженной дифференциацией профиля на генетические горизонты. Характеризуются хорошо выраженной комковато-пылеватой или пластинчатой структурой верхних и ореховато-призмовидной, глыбистой или столбчатой структурой иллювиальных горизонтов. Они очень плотные, в сухом состоянии трещиноватые. Карбонаты отмечаются обычно в иллювиальных горизонтах. Среди структурных агрегатов в верхних гумусово-аккумулятивных горизонтах преобладают фракции размером 5-3 и 3-1 мм (их доля составляет 23-30% от общего числа), с глубиной начинают преобладать глыбистые фракции. Верхние горизонты также характеризуются высокой водопрочностью агрегатов (коэффициент водопрочности составляет 80-95), в осолонцованных горизонтах водопрочность агрегатов заметно снижается. Известно, что замещение поглощенных Ca и Mg на Na вызывает повышение дисперсности почвы, увеличение способности к набуханию во влажном состоянии, что приводит к резкому снижению или полному прекращению фильтрации влаги.

Морфологический профиль черноземов обыкновенных и южных при наличии засоления и осолонцевания наряду с характерной для этих почв резкой языковатостью, высокой плотностью и призматической структурой приобретают более выраженную слитость и столбчатость структуры осолонцованных горизонтов, в засоленных слоях появляются выцветы солей и белесоватая присыпка. В верхних гумусово-аккумулятивных горизонтах наряду с агрономически ценными агрегатами размером 3-1 мм начинают преобладать пылеватые фракции. Коэффициент водопрочности несколько ниже, чем у солончаков луговых и составляет 83-87.

По степени засоления исследованные почвы сильно различаются. Максимальное содержание сухого остатка наблюдается в солончаках луговых, степень засоления которых относится к градации очень сильной. Распределение солей в профиле солончаков относительно равномерное с максимумом скопления в верхней части. Преобладающий тип засоления - сульфатный и хлоридно-сульфатный.

Высокое содержание солей наблюдается и в солонцах луговых, лугово-болотных солончаковатых и солонцах черноземных. Максимальное содержание солей в этих почвах обнаруживается в иллювиальных горизонтах В1 или В2 на глубине 30-60 см. Степень засоления этих горизонтов определяется как сильная, тип засоления обычно хлоридно-сульфатный или сульфатно-хлоридный, реже - сульфатный.

Содержание обменного натрия в этих почвах составляет средний и сильный уровень солонцеватости, иногда в них наблюдается и повышенное количество магния. В солонцах черноземных и луговых в отличие от солончаковатых родов встречается содово-хлоридное и содово-сульфатное засоление, которое может быть очень сильным. Вместе с тем, встречаются солонцы со слабым уровнем засоления или его отсутствием. В черноземах обыкновенных и южных с различной степенью солонцеватости содержание солей изменяется от полного отсутствия до сильного, но обычно преобладает слабый уровень сульфатного и хлоридно-сульфатного типа, приуроченный к осолонцованным горизонтам. Содержание обменного натрия в ППК этих горизонтов значительно ниже, чем в солонцах луговых и черноземных, а количество обменного кальция почти в два раза выше, чем магния.

Реакция среды почв солонцового ряда изменяется от близкой к нейтральной до щелочной. Содержание гумуса в перегнойно-аккумулятивных горизонтах низкое и резко снижается с глубиной. В сильно осолонцованных горизонтах оно не превышает 1-1,5%. По содержанию питательных элементов все засоленные и осолонцованные почвы относятся к низкому и очень низкому уровню обеспеченности, особенно в отношении фосфора.

Оценка состояния почв в условиях длительного

сельскохозяйственного использования

Длительное сельскохозяйственное использование степных почв в Зауралье привело к их деградации. Этот процесс был усугублен в последние 20 лет не соблюдением севооборотов, чрезвычайно низким уровнем внесения минеральных удобрений и почти полным отсутствием - органических. Наиболее выраженные деградационные явления произошли на относительно бедных комплексах черноземов обыкновенных и южных в разной степени засоленных и осолонцованных. Для комплексной оценки состояния таких почв нами были проведены исследования на территории Хайбуллинского района. Почвенные разрезы закладывались на целинных и пахотных аналогах почв.

Анализ морфологических свойств показал, что длительное сельскохозяйственное использование исследованных почв привело к уменьшению мощности гумусово-аккумулятивного горизонта (А+АВ) в среднем на шесть сантиметров, нарушению структуры, сильному уплотнению, повышению уровня вскипания. В распаханной почве вскипание наблюдалось с поверхности, тогда как в целинной почве только в иллювиальном горизонте.

Деградация почвы сопровождалась снижением ее биопродуктивности: на исследуемом поле имелись пустые участки или посевы были сильно угнетены. В распаханной почве содержание гумуса в пахотном горизонте относительно целинной снизилось на 12%. Дегумификация этой почвы наблюдалась вплоть до горизонта Вк. Реакция среды гумусово-аккумулятивных горизонтов изменилась до слабощелочной в пахотном аналоге, что согласуется с увеличением в ней карбонатов и обменного натрия. В верхнем 0-20 см слое содержание обменного натрия возросло почти в 10 раз и хотя степень осолонцованности определяется как «слабая», изменения химических свойств оказались весьма существенными. На фоне дегумификации и подщелачивания почвенного раствора произошло снижение емкости катионного обмена, содержания и доступности питательных элементов азота и фосфора.

Таблица 1. Состав водной вытяжки

Поскольку черноземы южные формируются в наиболее ксероморфных условиях, они содержат в своем профиле водорастворимые соли (табл. 1). В целинной почве в гумусово-аккумулятивных горизонтах в составе анионов преобладали сульфаты, очень высоким содержанием гипса выделялся горизонт ВС на глубине 67-90 см. В иллювиальном карбонатном горизонте среди анионов доминировал хлор, а среди катионов - натрий. Общее содержание солей в профиле с учетом суммы токсичных солей характеризует «слабый» и «средний» уровень засоления. В почвообразующей породе, как под целиной, так и пашней преобладают хлориды натрия и магния. Вследствие интенсивного испарения влаги на пашне произошло передвижение хлоридов вверх и накопление по всему профилю, особенно в горизонтах АВ и Вк.

Использование природных удобрений для повышения плодородия чернозема южного глубокосолончаковато-солонцеватого

В республике Башкортостан имеются значительные запасы богатых органическими веществами природных удобрений - торфа, сапропеля, бурого угля, сплавины; минеральных удобрений и мелиорантов - фосфоритов, цеолитов, гипса, известняка, которые целесообразно использовать в комплексе мероприятий по повышению плодородия засоленных и осолонцованных почв.

Опыт заложен весной 2005 года на территории хозяйства «Маканский» на черноземе южном глубокосолончаковато-солонцеватом тяжелосуглинистом средне эродированном по следующей схеме: 1. Контроль; 2. Melilotus officinalis (L.) Pall. (донник лекарственный) + структурообразователь Дэман (0,03% от массы почвы); 3. Сапропель (60 т/га + N30); 4. Сплавина (60 т/га + N30);
5. Солома (60 т/га + N30); 6. Навоз (60 т/га); 7. Цеолит (150 т/га); 8. Песок (150 т/га); 9. Midicago sativa L. (люцерна посевная) и 10. Onobrychis viciifolia Scop. (эспарцет). Опыт заложен в трех повторностях. Площадь делянок 60м2. Норма высева фитомелиорантов составила 14 кг/га или 84 г на 60 м2. Образцы почвы по делянкам опыта отбирались весной (10-20 мая) и осенью (10-20 сентября) из пахотного горизонта (0-10 и 10-20 см).

Внесение агроруд способствовало улучшению водного режима почвы. Осенью первого года максимальные запасы влаги в пахотном слое наблюдались на вариантах с внесением органических мелиорантов: навоза, соломы и сплавины. На следующий год проявилась роль сапропеля, влажность почвы при его внесении была самой высокой по всему профилю. Очевидно, это обусловлено тем, что, обладая высокой водоудерживающей способностью, он способствовал сохранению весенних запасов влаги до конца вегетационного периода. В несколько меньшей степени этот процесс наблюдался при внесении навоза и сплавины. На третий год при меньших общих запасах влаги первенство осталось также за этими вариантами, но их эффективность в плане водоудержания существенно снизилась, а на варианте с навозом была близка к контрольному варианту, что связано с минерализацией органического вещества.

На вариантах с выращиванием трав содержание влаги в период исследований было, как правило, ниже, чем при внесении мелиорантов и существенно не отличалось от контроля.

Динамика влажности в почвах опыта соответствовала изменившимся под влиянием агроруд водно-физическим свойствам. Плотность пахотного слоя на контрольном варианте осенью третьего года исследований составила 1,21-1,29 г/см3, что характеризует ее как повышенную. Наиболее выраженное уменьшение плотности пахотного слоя произошло при внесении соломы и сплавины. В меньшей степени, но достаточно эффективными оказались навоз и цеолит.

Следствием внесения агрономических удобрений и мелиорантов явилось также изменение пористости, капиллярных свойств почвы, определяющих ее почвенно-гидрологические константы. Существенно увеличилась наименьшая влагоемкость почвы, что имеет особенно важное значение для почв сухостепной зоны, испытывающих недостаток влаги.

Чернозем южный глубокосолончаковато-солонцеватый содержит повышенные концентрации солей в средней части профиля, что создает опасность увеличения их концентрации в пахотном слое. Изучение динамики количества водорастворимых солей в этом слое показало, что за три года исследований не произошло их существенного накопления. Вместе с тем, этот показатель достаточно динамичный и в отдельные периоды на всех вариантах вплотную приближался к «слабому» уровню засоления, а при внесении навоза - к «сильному» в первый год после внесения, что обусловлено составом навоза крупного рогатого скота в сухостепной зоне Зауралья. В последующем содержание сухого остатка на этом варианте снизилось.

Как известно Поздняков и др., 1996, степень засоления почв можно диагностировать измерением ее удельного электрического сопротивления (УЭС). Величина УЭС по вариантам опыта изменялась в достаточно широком диапазоне от 500 до 2000 Омм. Анализ зависимости УЭС от содержания водорастворимых солей в почвах опыта показал наличие достоверной отрицательной зависимости между этими характеристиками (r = - 0,68; p = 0,0005; y = 1607,97-2935,09*x). Следовательно, с помощью измерения УЭС можно оперативно определять степень засоления почв в полевых условиях.

Внесение органических мелиорантов способствовало повышению величины емкости катионного обмена (ЕКО). Наиболее существенное увеличение наблюдалось при внесении навоза и сапропеля (на 3-4 мг-экв/100 г почвы), несколько меньшее - на вариантах с соломой и сплавиной, воздействие цеолита на ЕКО оказалось равным навозу.

Почва опытного поля характеризуется низким содержанием гумуса
(рис. 1). Существенное увеличение его содержания произошло только на вариантах с внесением соломы, сапропеля, сплавины и навоза, причем в первые два года максимальные величины наблюдались при внесении навоза, а на третий и четвертый год по мере минерализации навоза и гумификации сплавины содержание гумуса в них выровнялось. Внесение сапропеля также способствовало некоторому увеличению гумусированности почвы и мало изменялось в течение четырех лет. В отличие от этих вариантов максимальный эффект от внесения соломы проявился на второй год и в последующие годы содержание гумуса в почве этого варианта постепенно снижалось.

Рис. 1. Влияние природных удобрений и мелиорантов на содержание гумуса

В соответствии с системой показателей гумусного состояния почв Орлов, 1992 чернозем южный характеризуется фульватно-гуматным типом гумуса и высокой степенью гумификации органического вещества. В составе гуминовых кислот почвы опыта преобладает фракция, связанная с кальцием. Ее содержание оценивается как «высокое» (более 70 % от суммы гуминовых кислот), в то время как содержание «свободных» гуминовых кислот - «низкое», а прочносвязанных - «очень низкое». Фракционное распределение фульвокислот в основном соответствует распределению гуминовых кислот.

К осени третьего года в групповом составе гумуса по сравнению с контролем возросло общее содержание гуминовых кислот (во всех вариантах, кроме внесения песка). Применение навоза, сплавины и сапропеля способствовало увеличению степени гумификации органического вещества, которая превысила в этих вариантах 40%, т.е. стала «очень высокой». При внесении органических удобрений соотношение Сгк:Сфк увеличилось до 1,62-1,80, при использовании фитомелиорантов увеличение было незначительным.

Сдвиг соотношения Сгк:Сфк в пользу гуминовых кислот связан прежде всего с увеличением новообразования гумусовых веществ и изменением его фракционно-группового состава. Наиболее заметные изменения произошли во 2-й и 3-й фракциях гуминовых кислот, связанных с минеральной частью почвы. Так, содержание связанной с кальцием фракции гуминовых кислот возрастало в ряду: контроль - песок - донник - люцерна - эспарцет - цеолит - солома - сапропель - сплавина - навоз.

Повышению содержания щелочногидролизуемого азота способствовало внесение соломы, сплавины, сапропеля и навоза, причем изменение этого показателя во времени аналогично гумусу. Следует отметить, что самая высокая обогащенность гумуса азотом наблюдалась при внесении навоза и сапропеля.

Высокое содержание валового фосфора и обеспеченность его подвижной формой наблюдалось только при внесении навоза, запахивание измельченной сплавины, соломы и сапропеля способствовало незначительному улучшению фосфатного состояния, но не оказалось достаточными для его оптимизации.

Почва опытного участка засевалась культурами в рамках севооборота хозяйства. В первые два года опыта поле было засеяно подсолнечником. В первый год растения были единичными и учет урожайности был невозможен. На второй год ситуация несколько изменилась и хотя урожай был чрезвычайно низким, его учет показал заметную разницу по вариантам. Если на контроле фитомасса составила 0,1 ц/га, то при внесении органических мелиорантов она возрастала в ряду сплавина - навоз - солома - сапропель от 0,23 до 0,64 ц/га. В связи с низкой продуктивностью всего поля на третий год (осень 2007 г.) оно было выведено из севооборота и не засевалось. Поэтому учет проводился по общей фитомассе растений, выросших на опытном участке. По эффективности органические удобрения расположились в следующем ряду: солома (на 31,6ц/га выше, чем на контроле) - сплавина (на 86,6 ц/га) - сапропель (на 88,3 ц/га) - навоз (на 106,6 ц/га). Применение цеолита привело к увеличению урожайности фитомассы на 31,6 ц/га, песка - на 11,6 ц/га. Фитомасса многолетних трав донника, люцерны и эспарцета составила соответственно 95,6; 71,6 и 65,6 ц/га против 50 ц/га на контроле.

4. ВЛИЯНИЕ НЕФТЕДОБЫЧИ НА СОЛЕВОЙ РЕЖИМ ПОЧВ В ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОНАХ ЮЖНОГО ПРЕДУРАЛЬЯ

Изменение свойств серых лесных почв при загрязнении нефтепромысловыми сточными водами в Северной лесостепной зоне

В Северной лесостепи природных условий, способствующих хлоридно-натриевому засолению нет, и для почв этого региона засоление в целом не характерно, за исключением техногенных случаев. Исследования проводились на территории крупнейшего в этой зоне Арланского нефтяного месторождения, где техногенное засоление происходит при загрязнении НСВ и сырой нефтью.

Целью настоящей работы явилось изучение изменений комплекса свойств серой лесной почвы при воздействии НСВ и последующей рекультивации. Загрязнение НСВ пахотной серой лесной почвы на пологом склоне произошло из-за порыва коллектора скважины 1379 в 1992 г. вблизи села Шушнур (минерализация 193012,6 мг/л, состав хлоридно-натриевый). Через год после аварийного выброса НСВ сформировался своеобразный ореол загрязнения серой лесной почвы площадью около 1 га с содержанием водорастворимых солей 0,56-1,26%. Наиболее сильное засоление отмечалось вблизи места порыва, причем с глубиной содержание солей возрастало. Вниз по склону величина сухого остатка снижалась и в нижней части контура, ограниченного автотрассой, примерно в 1,3 км от места порыва, была минимальной и характеризовалась средним уровнем в пахотном и слабым - в переходном горизонтах. Количество обменного натрия изменялось в диапазоне 33,4-61,1% от суммы катионов в пахотных и 8,0-33,4% - в переходных горизонтах.

В 1993 и 1996 гг. с целью рекультивации почвы в два приема был внесен фосфогипс, доза которого составила около 60 т/га. На участок пашни вблизи места порыва коллектора в 1993 г. был также внесен навоз (200 т/га), который разбросали поверх прогипсованного слоя. Для изучения эффективности проведенных мероприятий осенью 1997 и 2003 гг. были заложены почвенные разрезы: 8 - на загрязненном участке, рекультивированном путем внесения фосфогипса и навоза, 9 - на загрязненном участке без рекультивации, 10 - на загрязненном участке, рекультивированном путем внесения фосфогипса, 11 - на незагрязненном участке серой лесной почвы (фон).

Загрязнение НСВ привело к радикальному изменению физико-химических свойств серой лесной почвы (табл. 2). Через 5 лет после загрязнения содержание водорастворимых солей в верхних горизонтах соответствовало сильному уровню засоления. Количество обменного натрия в пахотном слое достигло 43,8 % от суммы обменных катионов. Содержание поглощенного кальция уменьшилось почти в три раза. В работе Н.П. Солнцевой [1998] показано, что сразу после загрязнения сумма щелочно-земельных катионов может возрастать, но при последующем разрушении почвенно-поглощающего комплекса (ППК) содержание этих катионов уменьшается почти на порядок. Очевидно, через пять лет после загрязнения серой лесной почвы наступил второй этап деградации ППК.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Таблица 2. Изменение физико-химических свойств серых лесных почв при загрязнении НСВ и рекультивации

Размещено на http://www.allbest.ru//

Вследствие техногенно спровоцированного засоления и осолонцевания почвенного профиля увеличилась щелочность почвенного раствора с максимумом в переходном горизонте. С глубиной содержание водорастворимых солей постепенно снижалось и только почвообразующая порода осталась незасоленной. Насыщенность ППК натрием с глубиной также постепенно убывала, но слабая степень осолонцевания отмечалась на глубине 120-150 см в горизонте С. Снижение содержания поглощенного кальция с глубиной было менее выраженным, а в иллювиальном горизонте и почвообразующей породе оставалось близким к фоновым почвам. Эти данные показывают, что полного естественного рассоления за пять лет не произошло, а процесс осолонцевания охватил весь почвенный профиль.

В последующие годы (к 2003 г.) произошел процесс перераспределения солей: в пахотном горизонте их количество снизилось на 0,15%, а в иллювиальном - увеличилось на 0,6%. Соответственно изменился состав катионов ППК. На фоне стабилизации содержания кальция и магния в пахотном слое и некоторого увеличения в переходном и иллювиальном, количество обменного натрия уменьшилось в верхних и возросло в нижних горизонтах.

Внесение фосфогипса как отдельно, так и совместно с навозом способствовало существенному улучшению физико-химических свойств загрязненной почвы. Через год после последней обработки количество водорастворимых солей в пахотных горизонтах уменьшилось соответственно до 0,30 и 0,19%, против 0,70% в нерекультивированной почве.

Содержание обменного натрия в пахотном слое после гипсования снизилось в 1,3 раза, а при внесении навоза - в три раза и степень осолонцованности характеризовалась как средняя. В соответствии со снижением натрия количество кальция и магния несколько увеличилось, но не достигло фоновых значений.

Уменьшение насыщенности натрием ППК исследованных почв привело к снижению рН в пахотном горизонте при внесении фосфогипса на 1,1, а на фоне навоза в горизонте А1 на 0,7 ед. рН. Но в целом реакция среды в профиле рекультивированных почв осталась слабощелочной. Это обусловлено в значительной степени изменением буферных свойств серой лесной почвы при техногенно спровоцированном осолонцевании.

Исследования, проведенные еще через пять лет (2003 г), показали, что полное рассоление и рассолонцевание произошло только при внесении фосфогипса и навоза. Существенные изменения произошли в составе водной вытяжки, если сразу после загрязнения соотношение Cl/HCO3 в пахотном и иллювиальном горизонтах было 40 и 120, то в 2003 году - 0,1 и 0,2 соответственно, причем по всему профилю преобладающими оказались гидрокарбонаты кальция и магния.

Реакция среды осталась близкой к нейтральной в верхних горизонтах и слабощелочной - в нижних. Содержание поглощенных кальция и магния увеличилось и в пахотном горизонте приблизилось к фоновым значениям, но в средней и нижней части профиля было заметно выше из-за гипсования.

При рекультивации посредством внесения одного фосфогипса, содержание водорастворимых солей существенно не изменилось, оставаясь на уровне слабого засоления, соотношение Cl/HCO3 снизилось до 0,5 в пахотном и до 6,1 - в иллювиальном горизонтах. В отличие от варианта с навозом преобладающими солями были гидрокарбонаты и хлориды натрия. Очевидно, это обусловлено незавершенностью процесса рассолонцевания, т.к. несмотря на снижение содержания обменного натрия почти вдвое, оно осталось достаточно высоким. Вытеснение натрия из пахотного горизонта сопровождалось увеличением его количества в нижних. Степень осолонцевания иллювиального горизонта увеличилась почти в два раза. Соответственно произошло подщелачивание почвенного раствора.

Изменение свойств светло-серых лесных почв при загрязнении сырой нефтью в Северной лесостепной зоне

Исследования проводились на территории Арланского месторождения нефти. При обследовании состояния почвенного покрова в 1993 г. были выявлены участки, загрязненные сырой нефтью в начале 60-х и середине 70-х годов, на пахотных угодьях, приуроченных к пологому склону юго-восточной экспозиции близ деревни Нижняя Татья (площадью около 1,5 га, примерно 30-летней давности загрязнения) и юго-западному склону близ села Графское (около 3 га с загрязнением 15-летней давности). В том же году была проведена обработка поверхности почвы бактериальным препаратом «Путидойл» из расчета 2,5 кг/га совместно с минеральными удобрениями (нитроаммофоска) в дозе 30 кг/га. Было изучено направление изменения комплекса свойств светло-серых лесных почв через 15 и 30 лет после загрязнения сырой нефтью и при последующей рекультивации в зависимости от пространственного расположения в пределах пологого склона. Точки бурения закладывались при участии сотрудников нефтегазодобывающего управления «Арланнефть» в 1993-1997 гг., почвенные разрезы - по завершении рекультивации в 1997 г. В качестве фоновых выбирались участки без видимого загрязнения.

Состояние почв на 30-й и 15-й годы после загрязнения сырой нефтью. Загрязненные участки, расположенные на пашне, выделялись полным отсутствием или сильно угнетенным состоянием посевов. Пахотный слой был бесструктурным, распыленным (типа золы), внешних признаков загрязнения нефтью не проявлялось. Но анализ на содержание нефтепродуктов (НП) показал, что даже через 30 лет в почве сохранился слабый уровень загрязнения нефтью на глубине до 40 см, причем в пахотном слое он постепенно уменьшался вниз по склону, а в подпахотном горизонте - несколько увеличивался. Среднее количество НП в пахотном слое в центре загрязненного участка составляло 1,42 г/кг, что соответствует низкому уровню загрязнения [Порядок …, 1993]. Содержание сухого остатка изменялось вниз по склону от 0,10 до 0,15%. Поскольку в сырой нефти Арланского месторождения содержится около 4,0 г/л солей, то первоначальное солевое давление при загрязнении было высоким. За прошедшие годы произошло существенное рассоление, но по сумме токсичных солей (преимущественно хлоридно-содового состава) почва характеризуется как слабозасоленная. Следует отметить, что в фоновых почвах в средней и нижней частях склона в достаточной близости от пятна загрязнения при отсутствии НП содержание солей также оказалось повышенным (0,08-0,11 % и 0,13-0,15 % соответственно), в то время как в отдаленных фоновых почвах составляло 0,04-0,07%. Количество хлоридов в почвах ближних фонов и на загрязненном участке было почти одинаковым и колебалось в диапазоне 0,5-0,9 мг-экв в пахотном слое и 0,7-1,4 мг-экв на глубине 20-60 см с тенденцией к увеличению вниз по склону, в то время как в отдаленных фонах не превышало 0,04 мг-экв. Эти данные свидетельствуют о значительном расширении техногенного ореола за счет пространственно-боковой миграции солей.

Вследствие техногенного воздействия происходит перестройка ППК светло-серых лесных почв. В составе обменных катионов появляется натрий, причем его количество было почти одинаковым по всему пятну (3,0-3,2 мг-экв в слое 0-20 и 0,8-1,6 мг-экв на 100 г почвы на глубине 20-40 см) и составляло около 25% от емкости катионного обмена (ЕКО) в подпахотном и до 15% от ЕКО в нижних горизонтах. Это привело к подщелачиванию почвенного раствора, но величина рН в пределах загрязненного склона значительно варьировала в пахотных горизонтах от 6,0 до 7,1, возрастая в нижней части склона, в подпахотных - от 6,6-7,1 до 6,8-7,9, в то время как на чистых фонах значения рН не выходили за пределы 5,8-6,3. В этом же направлении увеличивались концентрации ионов Сl- и HCO3-, с изменением соотношения в пользу гидрокарбонат иона (от 1:1 до 2:1). Более низкие, чем в природных солонцах значения рН отмечены также для загрязненных сырой нефтью дерново-подзолистых почв [Солнцева, 1998], что объясняется преобладанием в растворах гидрокарбонатной, а не нормальной соды.

Таблица 3. Содержание нефтепродуктов и состав водной вытяжки в профиле светло-серой лесной почвы (с. Графское)

На участке с 15-летней давностью загрязнения уровень трансформированности почвы был значительно выше. Содержание НП по периферии пятна колебалось от 1,5 до 3,0 г/кг (низкий и средний уровни загрязнения), на глубине 20-40 см в нижней части склона достигало 15,3 г/кг. Но в центре пятна уровень загрязнения в слое 0-60 см был очень высоким и составлял послойно через каждые 20 см: 10,3; 11,3; 9,9 г/кг. Содержание сухого остатка в пахотных горизонтах изменялось от 0,2 до 0,4% в верхней и центральной частях загрязненного склона и достигало 0,51% в нижней. Результаты глубокого бурения вблизи источника загрязнения показали (табл. 3), что вниз по профилю количество НП и водорастворимых солей постепенно уменьшается, но и на глубине 350 см обнаруживаются следы НП и сохраняется средний уровень засоления. В составе солей при 15-летнем загрязнении концентрация хлора в 5-10 раз выше, чем при 30-летнем. Здесь также обнаружилось осолонцевание, насыщенность ППК натрием в пахотном слое в среднем составила 10%. В фоновых почвах вблизи видимого пятна при отсутствии НП также выявлено повышенное содержание солей (0,2%).

Состояние почв после биологической рекультивации. После обработки участков биопрепаратом «Путидойл» в 1993 г. они засевались сельскохозяйственными культурами в рамках севооборота. Агротехнические мероприятия соответствовали общепринятым для хозяйства.

После длительного взаимодействия почв с сырой нефтью и прохождения первых стадий техногенной трансформации физико-химические процессы в них относительно стабилизируются. Ускорение деградации нефтепродуктов при внесении УОМ с биопрепаратом приводит к резкому сдвигу этого равновесия и дальнейшему преобразованию физико-химических свойств. Прежде всего, в процессе деструкции остаточной сырой нефти и разрушения ее комочков и конгломератов высвобождаются содержащиеся в ней соли, что приводит к дополнительному засолению почв и расширению ореола загрязнения. Так, на склоне близ д. Нижняя Татья через 2 года после начала рекультивации (1995г.) содержание солей в гор. Апах возросло на 0,05-0,10% и максимальное накопление наблюдалось в подпахотных горизонтах его средней части, еще через 2 года (1997 г.) максимум переместился в нижнюю часть склона и достигал 1,0-3,05% на глубине 0-20 и 20-40 см соответственно. В фоновых почвах ниже пятна количество солей изменялось от 0,2 до 0,6%. В целом, уровень засоления в рекультивированных почвах (табл. 4) сдвинулся на одну градацию и в пахотных горизонтах соответствовал преимущественно средней степени. В составе солей резко возросло содержание хлора и натрия, причем в почвах с 30-летним загрязнением (разрез 12) они сконцентрировались в нижней части профиля на глубине 89-100 см, а с 15-летним - в иллювиальном горизонте (66-94 см). В результате поступления натрия в почвенный раствор интенсифицировалось его внедрение в ППК, доля Na от ЕКО возросла примерно на 10% независимо от уровня и давности загрязнения, достигая в отдельных горизонтах почти 50% от ЕКО (табл. 5).

Процесс техногенного осолонцевания по ряду характеристик существенно отличается от естественного, прежде всего, ускоренностью протекания. В исследованных светло-серых лесных почвах высокому содержанию натрия в ППК сопутствуют ненасыщенность основаниями, реакция среды, изменяющаяся от почти нейтральной до кислой, наличие гидролитической кислотности, Аl3+ и Н+ в составе ППК, гидрофобность пахотных горизонтов, что совершенно не характерно для естественных солонцов. Выраженность этих несоответствий различна в зависимости от исходных свойств почвы, количества поллютантов, времени, прошедшего от загрязнения до рекультивации.

Анализ состояния физико-химических свойств светло-серых лесных почв после рекультивации показывает, что наиболее сильная трансформация имела место в почве с большим исходным и остаточным загрязнением (разрез 12), ППК которой глубоко разрушен по всему профилю: на фоне крайне низкого содержания обменных оснований обменный натрий достигает 34-42 % от ЕКО, что соответствует уровню высоконатриевых солонцов. Вместе с тем, в верхних горизонтах отмечается неадекватная этому высокая кислотность, возросшая за годы рекультивации. По всей видимости, подкисляющий эффект от внесения минеральных удобрений и активизации биологических процессов «перекрыл» подщелачивающее действие дополнительного внедрения в ППК натрия.

Таблица 4. Содержание водорастворимых солей в светло-серых лесных почвах

Латеральная миграция продуктов распада сырой нефти привела к изменению физико-химических свойств фоновых почв. В составе водной вытяжки также возросло количество ионов хлора и натрия, но отношение НСО3-/Сl- в них несколько уже (1:2). Внедрение натрия в ППК до 7-8% привело к сдвигу рН водной суспензии в сторону подщелачивания, более выраженному в пахотном горизонте разрез 14. В иллювиальном горизонте этой почвы рН понижен, выявляется накопление в ППК Аl3+ и H+ и возрастание гидролитической кислотности. Поскольку в течение 30 лет после загрязнения эти почвы уже прошли последовательную трансформацию ППК и к началу рекультивации были достаточно близки к истинным фонам, их вторичное загрязнение по сути соответствует первой стадии трансформации почв при поверхностном сбросе техногенных потоков, отмеченной в работе Н.П. Солнцевой [1998], в результате чего возникает вертикальное расхождение направления физико-химических процессов: подщелачивание верхней части профиля почв и подкисление нижней.