Влияние изменений климата на деградацию почв в аридных зонах Поволжья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние изменений климата на деградацию почв в аридных зонах Поволжья

Целью исследований было установить влияние изменения климата на процессы деградации почв и опустынивания земель в аридных регионах Поволжья. Материалом для исследований послужили данные наблюдений за 1971-2020 гг. по 20 метеорологическим станциям, а также результаты почвенно-экологического и гидрогеологического мониторинга на исследовательских стационарах ФГБНУ «ФАНЦ Юго-Востока» в преобладающих почвенноклиматических зонах на территории Саратовской области (лесостепь, степь, сухая степь и полупустыня). Выявлены признаки, сопутствующие аридизации, опустыниванию и деградации земель, дифференцировано по природным зонам. В частности, средняя годовая температура воздуха увеличилась по сравнению с климатической нормой на 1.0-1.2°С, наибольший рост наблюдался в августе - на 2.0-2.2°С. Средняя за теплый период температура поверхности почвы увеличилась на 1.1-1.5°С. Риски сильных атмосферных засух в течение всего вегетационного периода увеличились на всей территории, наиболее заметно - в полупустынной зоне (с 55% до 82%). Количество осадков в весенний период увеличилось на 10-25%, а в летний период сократилось на 23-30%. Границы полупустынной зоны сместились в северном и северозападном направлении. Намечена тенденция изменения гидрологического режима зональных почв с непромывного на периодически промывной в 20-40% лет. Значения индексов аридности территории, рассчитанные за период с 2001 по 2020 гг., увеличились по сравнению с климатической нормой за 1971-2000 гг. на 3-6%. Это является показателем нарастания аридности климата при его современном потеплении. В результате в слое почвы 0-0.3 м выявлены высокие темпы дегумификации (снижение относительного содержания гумуса на 21 - 35%) и изменения структурного состояния пахотного слоя и гранулометрического состава (снижение водопрочных агрегатов >0.25 мм с 39% до 31.8% и абсолютного содержания физической глины на 7.5%). При этом отмечается увеличение минерализации грунтовых вод с 2500 до 7000 мг/л, а также увеличение содержания в почвенном растворе токсичных солей. Так, содержание ионов Cl", SO4²" в местах подпитки грунтовыми водами увеличилось с 0.27 до 0.56 мг/экв. и с 0.27 до 13.27 мг/экв. соответственно. Значения катионов также возросло: Ca²+ - с 0.30 до 4.41 мг/экв., Mg²+ - с 0.12 до 5.59 мг/экв., сумма K+ и Na+ - с 0.09 до 0.28 мг/экв.

В пониженных элементах рельефа отмечено развитие процессов локального засоления и заболачивания.

Ключевые слова: изменение климата, аридизация, засуха, деградация, засоление. климат деградация почва заболачивание

Климат всегда оказывал существенное влияние на человеческую деятельность. Особенно подвержены воздействию климата такие погодозависимые отрасли экономики, как сельское, лесное и водное хозяйство (Мельник и др., 2017; Zambon et al., 2018). Проблема адаптации человеческой деятельности к климатическим изменениям особенно актуальна для аридных регионов мира (Ковда, 2008; Мельник и др., 2017; Ташнинова, Ташнинов, 2016; Marthews et al., 2019). Изменения могут иметь отрицательные и положительные последствия с точки зрения результатов производства, и адаптироваться необходимо к обоим видам последствий (Мельник и др., 2017). Применительно к таким сельскохозяйственным регионам, как Поволжье, вышеописанные изменения связывают в большей степени с процессами деградации и опустынивания земель, приводящими к снижению их биологической продуктивности (Яшин и др., 2012; Rafferty, Pimm, 2020; Zolotokrylin et al., 2018).

При этом в большинстве исследований индикатором опустынивания является исключительно смена растительных сообществ на более ксерофитные и галофитные виды (Яшин и др., 2012; Пугачева, 2020), в т.ч. в связи с изменением гидрохимического состава грунтовых вод (Яшин и др., 2019). При этом вопросы изменения почвенных процессов остаются малоизученными. Выявление связи климатических факторов с процессами глубинного преобразования почвенного профиля с учетом региональных особенностей необходимо для прогнозирования дальнейшего вектора данных процессов и научно обоснованного управления развитием аридных территорий (Мельник и др., 2017; Zambon et al., 2018).

Таким образом, целью исследований было установить влияние изменения климата на процессы деградации почв и опустынивания земель в аридных зонах Поволжья.

Материалы и методы

В ходе исследований проанализированы данные наблюдений метеорологической службы (ФГБУ «Приволжское УГМС») за 1971-2020 гг. по метеорологическим станциям, расположенным в различных почвенно-климатических зонах в пределах Саратовской области: 1) лесостепная зона, чернозем обыкновенный (метеостанция Росташи, Аркадакский район, п. Росташи); 2) засушливая черноземная степь, чернозем южный (метеостанция Саратов ЮВ, г. Саратов); 3) сухая степь, тёмнокаштановые почвы (метеостанция Ершов, г. Ершов); 4) полупустыня, каштановые почвы (метеостанция Новоузенск, г. Новоузенск; рис. 1).

Рис. 1. Карта природных зон Саратовской области.

На основе средних многолетних данных за этот период были рассчитаны индексы аридности по 20 метеостанциям Саратовской области и уточнены границы аридных зон. Расчет индексов аридности (К) проводился по формуле В.С. Мезенцева, выражающей соотношение годовых сумм осадков и испаряемости, определяемой по сумме среднемесячных положительных температур воздуха за теплый период. Формула имеет следующий вид: Ia = ЈP/ (5.88Јtrv-x + 260), где ЈР - годовая сумма осадков, Јtrv-x - сумма среднемесячных температур воздуха за апрель-октябрь. Далее по работе Б.В. Виноградова с соавторами (1995) вычислялся нормализованный индекс аридности (NIA = 1 - Ia), и на основе разработанных авторами критериев NIA на территории Саратовской области были выделены следующие зоны климатической аридности: слабо аридная зона с NIA от 0.36 до 0.47 (лесостепные и черноземностепные районы Правобережья), умеренно аридная зона с NIA=0.55-0.58 (северные и центральные районы Левобережья), средне аридная зона с NIA=0.60-0.66 (южные и юго-восточные районы Левобережья).

Параллельно проанализированы данные мониторинга почвенных условий, полученные авторами на стационарных тестовых полигонах ФГБНУ «ФАНЦ Юго-Востока», расположенных в тех же зонах. Отбор проб для определения агрофизических параметров и содержания гумуса в почве проводили каждые 5 лет на 4 ключевых участках с сопоставимыми условиями по каждому полигону на зернопаровом севообороте в трехкратной повторности. Контролем для изучения почвенных условий являлись данные НИИ ЮжГИПРОЗем (Материалы ..., 1955-1994).

На следующем этапе исследований были выявлены тенденции изменения климата в период с 2001 по 2020 гг. В качестве контроля для характеристики современного климата по рекомендациям Всемирной метеорологической организации в качестве стандартного 30-летия использовали период с 1971 по 2000 гг. (Руководящие указания ..., 2017).

Гранулометрический состав почвы определялся пирофосфатным методом по Н.А Качинскому. Наблюдения за процессами промерзания почвы и уровнем грунтовых вод проводились по стандартным методикам на стационарах ФГБНУ «ФАНЦ Юго-Востока». Стационары включают сеть глубинных скважин, сельскохозяйственные угодья и участки с нетронутой растительностью. Химический анализ проб почвогрунтов и грунтовых вод проводился в химико-аналитической лаборатории ФГБНУ «ФАНЦ Юго-Востока». Вычисления и визуализация данных произведены с помощью программы Microsoft Excel. Визуализация процесса заболачивания выполнена на базе космоснимков Google.Maps.

Результаты и обсуждение

Исследованиями установлено, что в Саратовской области за последние 20 лет средняя годовая температура воздуха увеличилась по сравнению с климатической нормой на 1.0-1.2°С. В начале периода интенсивного потепления (1981-2000 гг.) основной вклад в рост средней годовой температуры воздуха вносили зимние месяцы, а на современной волне потепления (2001-2020 гг.) наибольший рост средней месячной температуры воздуха наблюдается в августе - на 2.0-2.2°С. В остальные месяцы теплого периода рост средних месячных температур воздуха составил 0.9-1.3°С, в то время как прежде он не превышал 0.4-0.6°С, т.е. он увеличился в два раза. Средняя за теплый период температура поверхности почвы увеличилась на 1.1-1.5°С.

Наибольший рост температуры поверхности почвы отмечен в августе и составил 2.8-3.3°С. На фоне роста температуры воздуха и почвы в теплый период за 2001 -2020 гг. испаряемость также увеличилась на 30-50 мм.

При неизменности годовой суммы осадков с 2001 по 2020 гг. относительно нормы стандартного 30-летия произошло их перераспределение по сезонам года с ростом их количества весной (на 1025%) и повсеместным уменьшении количества летних осадков. Наибольшее снижение летних (на 30%) и зимних (на 10%) осадков отмечается в полупустынной зоне (табл. 1).

Таблица 1. Изменение сезонных и годовых сумм осадков по природным зонам за 2001-2020 гг. по сравнению с климатической нормой за 1971-2000 гг., в %.

При сложившихся в регионе режимах выпадения осадков вероятность возникновения сильных атмосферных засух в течение всего периода с температурой воздуха выше 10°С наиболее существенно (с 55 до 82%) увеличилась в полупустынных районах.

В сухостепных районах повторяемость таких засух увеличилась с 41% до 50%, в черноземностепных - с 18% до 21%, а в лесостепных - с 11% до 14%. Наибольшие риски сильных атмосферных засух отмечаются в августе. При этом за 2001-2020 гг. их повторяемость в лесостепных районах увеличилась в 2.1 раза (с 27% до 56%), в черноземностепных - в 1.8 (с 33% до 61%), в сухостепных - в 1.3 (с 60% до 78%), а в полупустынных - всего в 1.1 (с 83% до 94%). Рост повторяемости сильных засух с гидротермическим коэффициентом (ГТК) <0.5 свидетельствует о миграции границ полупустынной зоны в северном и северо-западном направлении более чем на 100 км на территорию сухостепной и степной природных зон (рис. 2).

Рис. 2а. Карта повторяемости сильных засух с ГТК<0.5 за период с 1971 по 2000 гг.

Рис. 2б. Карта повторяемости сильных засух с ГТК<0.5 за период с 2001 по 2020 гг.

Расчеты индексов аридности показали, что в годы сильных засух полупустынные и южные сухостепные районы Левобережья с NIA=0.71-0.78 попадают в зону сильной климатической аридности. Зона умеренной климатической аридности (с NIA=0.50-0.59) занимает всю территорию Правобережья, а центральные и северные районы Левобережья (с NIA=0.60-0.68) оказываются в зоне средней климатической аридности. В целом значения индексов аридности территории, рассчитанные за период с 2001 по 2020 гг., увеличились по сравнению с климатической нормой за 1971-2000 гг. на 3-6%, что является показателем нарастания аридности климата при его современном потеплении.

Потепление климата сопровождается увеличением экстремальности выпадающих осадков. За летний период доля ливневых дождей со слоем осадков >10 мм увеличилось по сравнению с климатической нормой в 1.5 раза и составляет в среднем 35-40%. Активность ливневой эрозии на черноземах Поволжья в последний 30-летний период увеличилась в среднем в 4.5 раза. Особенно заметные потери мелкозема отмечаются на паровых полях. Средние потери почвы от ливневых осадков за период с 1972 по 2002 гг. на паровых полях составляли от 12 до 15 т/га, тогда как после 2003 года этот показатель превысил 24 т/га (Медведев и др., 2016).

Деградация почв связана не только с эрозионными процессами, но и с дегумификацией, и отмечается во всех агроландшафтах Поволжья, а также в большинстве районов Ростовской области (Пронько и др., 2018; Чернова и др., 2020). Более высокие темпы дегумификации наблюдаются в степной, сухостепной и полупустынной зонах. Анализ усредненных данных с тестовых полигонов показывает, что в пахотном слое в среднем за 60 лет содержание гумуса в зональных почвах сельскохозяйственного использования уменьшилось на 29.2% относительно показателей 1960 гг. (табл. 2).

Таблица 2. Динамика содержания гумуса в основных типах и подтипах почв Саратовской области по данным НИИ Южгипрозем и проводимым мониторинговым исследованиям.

Интенсивное использование пашни на стационарах ФГБНУ «ФАНЦ Юго-Востока» привело к переходу почв по гранулометрическому составу из легкоглинистых в тяжелосуглинистые разновидности. За 35 лет использования пашни количество физической глины (частицы <0.01 мм), содержащей наибольшее количество органического вещества, в слое почвы 0-30 см снизилось на 7.5% (с 54% до 46%). Также произошло снижение суммы водопрочных агрегатов >0.25 мм с 39% до 31.8%. Уменьшение содержания гумуса, негативное изменение гранулометрического состава, структурного состояния пахотного слоя чернозема южного можно рассматривать как основные индикаторы их агрофизической деградации.

Наибольшие темпы дегумификации отмечались в период с 1970 по 2000 гг. в лесостепной и засушливой степной зонах с более выраженным рельефом, что, вероятно, связано с эрозионными процессами при снеготаянии.

За период с 1971 по 2000 гг. в регионе наблюдалось 10 экстремально теплых зим, когда аномалия средней температуры зимнего сезона превысила 3.5°С. Повторяемость явления составила 33%, а в период с 2001 по 2020 гг. повторяемость экстремально теплых зим увеличилась до 40%. Самая тёплая зима за весь период инструментальных наблюдений отмечалась в 2019-2020 гг., когда средняя за зиму температура воздуха превысила климатическую норму на 8.4°С. Последняя экстремально холодная зима наблюдалась лишь в 1969 г.

Нарастание температуры приземного слоя воздуха привело к росту количества экстремально теплых зим и снижению глубины промерзания почвы. Максимальное значение промерзания почвы за зиму так же, как и на начало снеготаяния, снизилось за последние 20 лет на 25-28 см относительно стандартного 30-летия и составило 57 и 41 см соответственно. В 2002, 2008, 2016, 2019, 2020 годах на начало снеготаяния отмечались локальные участки не промерзшей почвы.

Данное явление привело к частичной смене водного режима. В лесостепной и черноземностепной зонах промывной режим почвы формируется в 20-40% лет. При ослаблении промерзания в период интенсивного снеготаяния и прекращении стока талых вод большая часть талых вод, имеющих также сложный химический состав, проникает вглубь почвенного профиля, вызывая выщелачивание почв, изменение уровня грунтовых вод (УГВ) и их минерализацию (рис. 3).

Коэффициент корреляции между этими двумя показателями составляет -0.83. Снижение промерзания почвы приводит к преобладанию вертикального водообмена грунтовых вод. При значительном увлажнении почвенного покрова в весенний и осенний периоды происходит объединение поверхностных атмосферных вод с высокоминерализованными грунтовыми. В теплый период года, когда испарение преобладает над инфильтрацией, происходит переотложение легкорастворимых солей в зоне аэрации, что в последующем вызывает сезонное засоление почв. По содержанию основных катионов и анионов эти почвы превосходят почвы, не подвергающиеся сезонному переувлажнению (водораздельные участки или близкие к ним). Так, по содержанию Cl" и SO4²" их значения в местах подпитки грунтовыми водами выросли относительно более возвышенных участков с 0.27 до 0.56 и с 0.27 до 13.27 мг/экв. соответственно. Значения катионов также возросло: Ca²+ - с 0.30 до 4.41 мг/экв., Mg²+ - с 0.12 до 5.59 мг/экв., сумма K+ и Na+ - с 0.09 до 0.28 мг/экв. В период с превалированием влаги выпадающих осадков над испарением происходит растворение накопленных солей и их перенос в грунтовые воды, отчего повышается их минерализация. Подобная закономерность отмечается также на юге Ростовской области (Никаноров и др., 2018).

Увеличение минерализации с 1000 до 7000 мг/л делает грунтовые воды непригодными к хозяйственному использованию, может существенно повлиять на почвообразование и биологические процессы в зоне их влияния, отрицательно сказывается на растительном покрове и его продуктивности (Ковда, 2008). Поиск вероятных причин данного явления требует дальнейшего изучения. Одной из таких причин может быть изменение гидрологического режима почв.

В отрицательных формах рельефа подъем УГВ приводит к появлению гидроморфных и полугидроморфных условий. В дальнейшем это создает большие проблемы при обработке участков, а также вызывает их зарастание галофитной и гидрофитной растительностью (рис. 4).

Рис. 4. Деградация почвенного покрова в отрицательных формах рельефа.

Выводы

1. Риски сильных атмосферных засух в течение всего вегетационного периода увеличились на всей территории, наиболее заметно - в полупустынной зоне (с 55% до 82%). Количество осадков в весенний период увеличилось на 10-25%, а в летний период сократилось на 23-30%. Границы полупустынной зоны сместились в северном и северо-западном направлении более чем на 100 км. Гидрологический режим почв изменился с непромывного на периодически промывной в 20-40% лет.

2. Значения индексов аридности территории, рассчитанные за период с 2001 по 2020 гг., увеличились по сравнению с климатической нормой за 1971-2000 гг. на 3-6%, что является показателем нарастания аридности климата при современном его потеплении.

3. Климатические изменения привели к высоким темпам дегумификации (снижение относительного содержания гумуса на 21-35%) и изменению структурного состояния пахотного слоя и гранулометрического состава (снижение водопрочных агрегатов >0.25 мм с 39% до 31.8% и абсолютного содержания физической глины на 7.5%) в слое почвы 0-0.3 м.

4. Отмечено увеличение минерализации грунтовых вод с 1000 до 7000 мг/л, что делает их непригодными для хозяйственного использования. Поиск вероятных причин данного явления требует дальнейшего изучения. Одной из таких причин может быть изменение гидрологического режима почв.

5. В пониженных элементах рельефа отмечено развитие процессов локального засоления и заболачивания, в т.ч. увеличение содержания в почвенном растворе ионов Cl" и SO4²" в местах подпитки грунтовыми водами с 0.27 до 0.56 мг/экв. и с 0.27 до 13.27 мг/экв. соответственно. Значения катионов также возросло: Ca²+ - с 0.30 до 4.41 мг/экв., Mg²+ - с 0.12 до 5.59 мг/экв., сумма K+ и Na+ - с 0.09 до 0.28 мг/экв.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Виноградов Б.В., Сорокин А.Д., Федотов П.Б. 1995. Картографирование климатической аридности территории Калмыкии // Биота и природная среда Калмыкии / Ред. И.С. Зонн, В.М. Неронов. М.: ТОО «Коркис». С. 253-258.

2. КовдаВ.А. 2008. Проблемы опустынивания и засоления почв аридных регионов мира. М.: Наука. 415 с. Материалы крупномасштабного почвенного обследования Саратовского, Аркадакского, Ершовского и Новоузенского районов Саратовской области. 1955-1994. Саратов: НИИ ЮЖГИПРОЗем. 440 с.

3. Медведев И.Ф., Левицкая Н.Г., Макаров В.З. 2016. Результаты мониторинга эрозионных процессов на черноземах Поволжья // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Науки о Земле. Т. 16. № 3. С. 142-146.

4. Мельник В., Яцухно В., Денисов Н., Николаева Л., Фалолеева М. 2017. Агроклиматическое зонирование территории Беларуси с учетом изменения климата. Минск-Женева. 84 с. [Электронный ресурс https://minpriroda.gov.by/uploads/files/Agroklimaticheskoe-zonirovanie-Respubliki-Belarus.pdf (дата обращения 18.05. 2021)].

5. Никаноров А.М., Гарькуша Д.Н., Зубков Е.А., Барцев О.Б., Минина Л.И. 2018. Гидрохимический режим и качество грунтовых вод застроенных территорий на Юге Ростовской области // Водные ресурсы. Т. 45.

6. № 2. С. 171-178.

7. Пронько В.В., Журавлев Д.Ю., Ярошенко Т.М., Климова Н.Ф. 2018. Деградация черноземных почв в агроландшафтах степного Поволжья // Новые методы и результаты исследований ландшафтов в Европе, Центральной Азии и Сибири. Монография в 5 томах / Ред. В.Г. Сычев, Л. Мюллер. М.: Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова. С. 298-302.

8. Пугачева А.М. 2020. Климатические флуктуации сухих степей и их роль в процессе демутации // Аридные экосистемы. Т. 26. № 3 (84). С. 14-22. [Pugacheva A.M. 2020. Climatic Fluctuations in Dry Steppes and Their Role in the Demutation Process // Arid Ecosystems. Vol. 10. No. 3. P. 181-187.]

9. Руководящие указания ВМО по расчету климатических норм. 2017. Женева: ВМО. № 1203. 32 c.

10. Ташнинова Л.Н., Ташнинов А.А. 2016. Почвы аридных зон Калмыкии в новой классификации // Труды института геологии Дагестанского научного центра РАН. № 67. С. 70-73.

11. Чернова О.В., Алябина И.О., Безуглова О.С., Литвинов Ю.А. 2020. Современное состояние гумусированности пахотных черноземов настоящих степей (на примере Ростовской области) // Юг России: экология, развитие. Т. 15. № 4 (57). С. 99-113.

12. Яшин И.М., Васенев И.И., Ворников Д.В., Петухова А.А. 2012. Экологическое состояние и деградация черноземов Приволжской возвышенности // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. № 1. С. 41-52.

13. Яшин И.М., Васенев И.И., Рамазанов С.Р. 2019. Экогеохимическая оценка водной миграции веществ в черноземах Приволжской возвышенности // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. № 5. С. 20-33.

14. Marthews T.R., Dadson S.J., JonesR.G., Otto F.E.L., Allen M.R., Mitchell D., GuillodB.P. 2019. The Impact of Human-Induced Climate Change on Regional Drought in the Horn of Africa // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. Vol. 124. No. 8. P. 4549-4566.

15. Rafferty J.P., Pimm S.L. 2020. Desertification. Encyclopedia Britannica [Электронный ресурс https://www.britannica.com/science/desertification (дата обращения 07.06.2021)].

16. Zambon L., Ferrara A., Salvia R., Mosconi E.M., Fici L., Turco R., Salvati L. 2018. Rural Districts Between Urbanization and Land Abandonment: Undermining Long-Term Changes in Mediterranean Landscapes // Sustainability. No. 10. P. 1159.

17. Zolotokrylin A.N., Cherenkova E.A., Titkova T.B. 2018. Bioclimatic Subhumid Zone of Russian Plains: Droughts, Desertification, and Land Degradation // Arid Ecosystems. Vol. 8. No. 1. P. 7-12. [Золотокрылин А.Н., Черенкова Е.А., Титкова Т.Б. 2018. Биоклиматическая субгумидная зона на равнинах России: засухи, опустынивание и (или) деградация // Аридные экосистемы. Т. 24. № 1 (74). С. 11-17.]

Размещено на Allbest.ru