Отраслевые проблемы изучения аридных территорий засоление почв в долине Дона в условиях прекращения орошения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отраслевые проблемы изучения аридных территорий засоление почв в долине Дона в условиях прекращения орошения

И.Н. Горохова, И.Н. Чурсин

В данной статье представлено исследование, направленное на выявление современного солевого состояния почв Генераловской оросительной системы, построенной около Цимлянского водохранилища в 1959 г. в сухостепной зоне Волгоградской области, долине Дона. Система в настоящее время находится в условиях 30-летнего периода прекращения орошения.

При исследовании методом интерполяции строились карты засоления почв, которые охватывают разную глубину почв и основаны на материалах полевых обследований и данных водной вытяжки (1:5) почвенных образцов, отобранных в 2020 г. Использовались также данные водной вытяжки, полученные в Волгоградской гидрогеолого-мелиоративной партии в 2018 г. Ключевой участок исследования находился на II надпойменной левобережной террасе р. Дон и включал территорию, где к началу 90-х годов ХХ века в процессе длительного периода орошения образовался высокий уровень грунтовых вод (1.5-3 м) и их сильная минерализация (3-10 г/л), которые привели к формированию лугового солончака и вторично-засоленных почв сильной степени засоления, что подтолкнуло нас провести картографирование засоленности почв на данной территории и определить изменения за прошедший период.

Анализ карт засоления почв позволил провести оценку современного солевого состояния почв, расположенных на различных элементах рельефа второй террасы р. Дон, и сравнение современного солевого состояния почв с периодом конца 80-х - начала 90-х годов ХХ века, которое показало постепенное рассоление прежде засоленных участков и развитие ощелачивания верхних горизонтов почв. Рассоление вызвано прекращением орошения, а ощелачивание - расположением Генераловской системы в солонцовой зоне, длительным периодом орошения с 1960 по 1992 гг. и поливами из Цимлянского водохранилища водой с повышенной концентрацией натрия. Карты засоления с отображением глубины солевого горизонта предоставляют сведения, необходимые при разработке и подборе оптимальных мелиоративных мероприятий по восстановлению плодородия почв.

Предварительными рекомендациями для решения данной проблемы при возобновлении орошения могут быть контроль качества поливной воды, применение периодической (раз в несколько лет) влагозарядковой весенней промывки слоя 0-70 см для оттеснения накопившихся солей из зоны аэрации, гипсование для обеспечения вытеснения обменного натрия, подавления щелочности и удаления водорастворимого натрия в нижележащие горизонты за пределы корнеобитаемого слоя, использование капельного полива, увеличение доли многолетних бобовых и злаковых культур в структуре посевных площадей.

В статье также показана невозможность использования спектральных индексов, приведенных в литературных источниках, для определения засоления почв по космической информации применительно к выбранному району исследований. Для подтверждения этого был проведен множественный регрессионный анализ, где в качестве признаков использовались значения спектральных индексов в четырех каналах изображения со спутника Sentinel-2 и значения засоления разных горизонтов почв в точках опробования, полученных в результате полевых и лабораторных работ. По результатам регрессионного анализа существенной зависимости между спектральными индексами и значениями засоления во всех горизонтах почв выявлено не было. Полученные коэффициенты корреляции составили менее 0.5, и, следовательно, связь оказалась очень низкой.

Ключевые слова: засоление почв, оросительная система, метод интерполяции, картографирование почв.

Введение

В середине ХХ века в России были построены крупные оросительные системы, обеспечившие продовольственную безопасность страны. Самое активное строительство проводилось в 50-60-х годах, и к середине 1980-х годов освоенные площади орошаемых земель достигли своего пика. Однако экономический кризис 90-х годов привел к сокращению их площадей и изменениям в управлении гидромелиоративными системами. Множество орошаемых земель было заброшено до состояния многолетних залежей, а другая часть была переведена в богарное использование. На некоторых участках орошение возобновили только после длительного периода забрасывания. Такие кардинальные изменения в использовании орошаемых земель не могли не сказаться на состоянии почв.

В настоящее время усилия государства направлены на реконструкцию оросительных систем с целью восстановления орошения и проведения мелиорации орошаемых земель. Для достижения этого крайне важна оценка современного солевого состояния почв с учетом длительности периода орошения и перерывов в орошении. Изучение орошаемых почв позволит целенаправленно выбирать и проводить необходимые агромелиоративные мероприятия для восстановления их плодородия.

Генераловская оросительная система (ОС) - одна из первых крупных государственных систем на юге Волгоградской области. Она была построена на базе Цимлянского водохранилища в 1959 г., ее площадь составляла 12439 га (Щедрин и др., 2013). В начале 1990-х годов из-за экономического кризиса в стране орошение и возделывание земель на ОС были прекращены, и выращивание сельскохозяйственных культур возобновилось только в 2000 г.

По данным Волгоградской гидролого-мелиоративной партии (ВГМП, 2019) в 2001 г. площадь сельскохозяйственных земель Генераловской ОС составила 6895 га, а с 2015 г. - 4870 га, т.е. сократилась в 1.4 раза. В настоящее время земли используются целиком под богарное земледелие с перспективой вновь возобновить орошение. Общая площадь сельскохозяйственных угодий в настоящее время не изменяется с 2015 г. и составляет 4870 га. Возделывают озимые зерновые и технические (горчица) культуры, сохраняется множество залежных земель.

В новейшей литературе в большом количестве статей излагается опыт орошения и его последствия в различных районах Земного шара, прежде всего, на базе привлечения спутниковой информации. Исследование засоленности почв проводится на Ближнем Востоке (Allbed et al., 2014), в Северной Африке (Hihi et al., 2019), Турции (Gorji et al., 2017), Китае (Jiang, Shu, 2018; Wang et al., 2019; Chi et al., 2019; Ren et al., 2019), России (Komissarov et al., 2019; Горохова и др., 1019, 2020).

Для распознавания солончаков, а также засоленных и незасоленных почв часто используются сочетания разных каналов космической съемки и расчетные, эмпирически выведенные индексы (Douaoui et al., 2006; Bouaziz et al., 2011; Abbas et al., 2013; Allbed et al., 2014; Hihi et al., 2019). Однако, по нашему мнению, строго определенной комбинации каналов, универсальных индексов для оценки состояния засоленности почв не существует. В каждом конкретном случае должны использоваться индивидуально подобранные подходы.

Цель настоящих исследований: а) оценить возможности использования по космическим изображениям спектральных индексов засоления почв из литературных источников применительно к территории Генераловской ОС; б) картографировать современное солевое состояние почв Генераловской ОС после 30-летнего периода прекращения орошения.

Объект и методы исследований

Объектом исследований стали почвы Генераловской ОС, находящиеся в сухостепной почвенной зоне Волгоградской области. Оросительная система расположена большей частью на 2-ой надпойменной левобережной террасе р. Дон и частично на северо-западном склоне возвышенности Ергени. Ключевой участок исследований занимает часть террасы р. Дон (рис. 1).

Рис. 1. Расположение Генераловской ОС и ключевого участка (черный квадрат) в регионе полевых исследований (а) с точками полевого опробования на ключевом участке (б) Генераловской ОС в 2020 и 2018 гг., отмеченные на космическом снимке портала Google.Earth (27.12.2019).

Вторая надпойменная терраса Дона верхнечетвертичного возраста развита отдельными участками, ширина которых составляет 1.5-3.0 км, а высота над урезом реки не превышает 60 м.

Она сложена аллювиальными песками с прослоями и линзами суглинков и глин. Первая надпойменная терраса скрывается под водами Цимлянского водохранилища (Кретинин, 2011).

В 60-е годы ХХ в. уровень грунтовых вод (УГВ) в долине р. Дон колебался от нескольких метров до 10 м. По данным Волгоградской гидролого-мелиоративной партии (ВГМП, 2019), к 90-м годам УГВ на Генераловской оросительной системе повысился и достиг 1.5-3 м в долине Дона и 3-5 м на склоне Ергеней. Минерализация грунтовых вод увеличилась с 1-3 г/л до 3-10 г/л. Химический состав вод был пестрым, с преобладанием сульфатов и хлоридов в различных сочетаниях. В настоящее время на всей площади Генераловской ОС УГВ составляет > 5 м. Изменений химического состава вод за период орошения не произошло.

Для всей территории Генераловской ОС характерна комплексность почвенного покрова, представленная каштановыми зональными, лугово- и луговато-каштановыми почвами микропонижений с пятнами солонцов.

Часть почв долины Дона претерпела существенные изменения за период орошения. Высокий уровень (1.5-3 м) и сильная минерализация (3-10 г/л) грунтовых вод привели в конце 80-х - начале 90-х годов ХХ века к формированию солончака площадью в несколько сот квадратных метров, вокруг которого сформировались вторично-засоленные почвы сильной степени засоления. В 1992 г. орошение на Генераловской ОС было приостановлено, а с 2000 г. земли используются целиком под богарное земледелие.

В августе-сентябре 2020 г. на Генераловской ОС сотрудники Почвенного института им. В.В. Докучаева провели полевые исследования в границах 2-ой террасы р. Дон. Ключевой участок охватывал слаборасчлененный склон террасы, который включал в себя основной склон и пологие борта широкой ложбины, направленной в сторону водохранилища (точки G-25-20 - G-21-20, с абсолютной высотой 50.5-51.5 м н.у.м.), пространство выше основного склона и борта мелкой ложбины (точки G-3-20 - G-13-20, с абсолютной высотой 54.0-55.5 м н.у.м.), бывший солончак, ближе всего расположенный к Цимлянскому водохранилищу (точки G-26-20 - G-27-20, с абсолютной высотой 46.0-46.5 м н.у.м.). Всего было заложено и описано 16 разрезов и прикопок, проанализированы на засоление 152 образца почв методом водной вытяжки (1:5).

Кроме того, использовались данные ВГМП за 2018 г. Это результаты водной вытяжки 17 разрезов почв, расположенных на слаборасчлененном склоне террасы (точки G-2-18 - G-18-18, с абсолютной высотой 50-60 м н.у.м.).

Построение интерполяционных карт засоления почв выполнялось в пакете программ Surfer-13 методом интерполяции «kriging», с учетом координат на местности и анизотропии расположения точек по горизонтали. Kriging - это геостатистический метод пространственной интерполяции, основанный на линейной регрессии. Для создания карт подобным методом строились модельные вариограммы, с помощью которых оценивалась пространственная корреляция значений.

Результаты и обсуждение

Для оценки засоленности почв на Генераловской ОС первоначально определялась возможность применения спектральных индексов засоленности почв из литературных источников, рассчитываемые по космическим изображениям применительно к исследуемой территории. С этой целью был проведен множественный регрессионный анализ, где в качестве признаков использовались значения спектральных индексов в четырех каналах изображения со спутника Sentinel-2 от 28.03.2020 (Copernicus Open Access Hub, 2020) и значения засоления разных горизонтов почв в точках опробования, полученных в результате полевых и лабораторных работ. Предполагалось, что спектральные индексы, имеющие наибольшие коэффициенты корреляции, могут использоваться далее для расчета засоленности почв для территории Генераловской ОС. Однако по результатам регрессионного анализа существенная зависимость между спектральными индексами и значениями засоления во всех горизонтах почв не была выявлена. Полученные коэффициенты корреляции составили менее 0.5, и, следовательно, связь оказалась очень низкой (табл.).

Таким образом, расчеты подтвердили наши предположения о том, что универсальных индексов для определения засоленности почв не существует и в каждом конкретном случае при оценке засоленности почв разных территорий должны использоваться индивидуально подобранные методы.

Поскольку по материалам полевых исследований в точках опробования на ключевом участке Генераловской ОС установлено, что засоление в почвах находится достаточно глубоко, то для построения карт мы выбрали метод интерполяции. Степень и тип химизма засоления почв определялись по сумме токсичных солей ^токс., %), согласно методике Н.И. Базилевич и Е.И. Панковой (1972), представленной в монографии "Засоленные почвы России" (2006). Засоление на Генераловской ОС выявлено как хлоридно-щелочное и хлоридно-сульфатное, хлоридное, сульфатно-хлоридное магниево-натриевого типов химизма. Присутствие токсичной щелочности в почвах связано с натрием, поступившим с оросительными водами. Хлоридно-сульфатный, сульфатно-хлоридный тип химизма характерен для зональных каштановых почв. Степень засоления для данных типов химизма солей определялась по шкалам (рис. 2).

Рис. 2. Шкалы степени засоления почв (по Stokc., %): А - хлоридное, хлоридно-сульфатное, Б - сульфатно-хлоридное, В - хлоридно-щелочное, щелочно-хлоридное (Засоленные почвы России, 2006).

Таблица. Коэффициенты регрессии и корреляции, рассчитанные по спектральным индексам засоленности почв из литературных источников и значениями засоления разных горизонтов почв в точках опробования на ключевом участке Генераловской ОС.

Примечания к таблице: B - голубой (0.4-0.5 мкм), G - зеленый (0.5-0.6 мкм), R - красный (0.60.7 мкм), NIR - ближний инфракрасный (0.7-0.95 мкм) каналы космических съемок.

Основные элементы рельефа ключевого участка, которые необходимы для анализа карт, показаны на рисунке 3. Карты засоления почв были построены для горизонтов почв 0-30, 30-50, 50100, 100-150 и 150-200 см (рис. 4). солевой оросительный водохранилище

Рис. 3. Основные элементы рельефа ключевого участка Генераловской ОС, отмеченные на космическом снимке Sentinel-2 от 28.03.2020.

Рис. 4. Вариограммы и карты пространственного распределения содержания средневзвешенной суммы токсичных солей (Єтокс, %) в слоях 0-30 (а) и 30-50 (б) см на территории ключевого участка Генераловской ОС.

Анализ карт засоления почв показал следующее.

Величина средневзвешенной суммы токсичных солей в толще почв 0-30 см на борту ложбины выше основного склона характеризует засоление слабой степени (0.05%) хлоридного и хлоридно- сульфатного типа химизма. На всем остальном пространстве участка почвы определяются как незасоленные (0.01-0.04%).

На месте бывшего солончака на глубине 30-50 см наблюдается щелочное засоление слабой степени (0.05-0.07%), а на глубине 50-100 см - средней и слабой степени (0.05-0.16%) хлоридного и сульфатно-хлоридного химизма солей. В 1990-х гг. здесь была открытая поверхность с УГВ < 1.5 м, а почвы были сильно засолены в метровой толще. А значит, по сравнению с прошлым периодом, на месте солончака и вокруг него отмечается значительное снижение засоленности почв, что связано с 30-летним отсутствием орошения. В настоящее время поле с бывшим солончаком не возделывается и сплошь поросло тростником. На всем остальном пространстве ключевого участка засоление почв не фиксируется (0.01-0.04%).

На месте бывшего солончака и за его пределами на борту ложбины выше основного склона на глубине 100-150 см засоление почв - слабо-средней степени (0.11-0.17%) сульфатного, щелочного и хлоридного типа химизма.

Глубже 150 см - слабо-среднее засоление (0.05-0.23%) преимущественно хлоридного и хлоридно-сульфатного химизма солей. Оно встречается на всем ключевом участке, что соответствует зональным особенностям каштановых почв сухостепной зоны.

Таким образом, анализ карт ключевого участка с разным солевым состоянием по горизонтам продемонстрировал присутствие засоления почв в слабо-средней степени на месте бывшего солончака и на борту ложбины выше основного склона до глубины 150 см. Он показал значительное рассоление бывшего солончака в метровой толще, отсутствие засоления почв вокруг бывшего солончака, а также развитие ощелачивания верхних горизонтов (до 50 см) современных почв, что связано с расположением Г енераловской ОС в солонцовой зоне и накоплением натрия в почве в результате полива в прошлом из Цимлянского водохранилища.

Выявленные процессы деградации почв требуют разработки систем мероприятий по стабилизации экологической устойчивости агроландшафта и увеличению продуктивности почв. Предварительными рекомендациями для решения данной проблемы при возобновлении орошения могут быть контроль качества поливной воды, применение периодической (раз в несколько лет) влагозарядковой весенней промывки слоя 0-70 см для оттеснения накопившихся солей из зоны аэрации, гипсование для обеспечения вытеснения обменного натрия, подавления щелочности и удаления водорастворимого натрия в нижележащие горизонты за пределы корнеобитаемого слоя, использование капельного полива, увеличение доли многолетних бобовых и злаковых культур в структуре посевных площадей, как более солеустойчивых.

Выводы

В статье даны результаты исследований, проведенные для выявления современного солевого состояния почв Генераловской оросительной системы, расположенной в сухостепной зоне каштановых почв Волгоградской области, в долине Дона. Генераловская оросительная система была построена на базе Цимлянского водохранилища в середине прошлого века. В настоящее время она находится в условиях 30-летнего периода прекращения орошения, с перспективой начала орошения в ближайшие годы. Современный ключевой участок исследований находился в пределах 2-ой террасы р. Дон, где в августе-сентябре 2020 г. проводились полевые работы с отбором почвенных образцов. Материалы полевых обследований и результаты водной вытяжки (1:5) почвенных образцов, совместно с материалами Волгорадской гидрогеолого-мелиоративной партии использовались для построения интерполяционных карт засоления почв, охватывающие разные по глубине горизонты почв и отражающие современное солевое состояние почв оросительной системы.

Ключевой участок исследования включал территорию, где в начале 90-х годов ХХ века в процессе длительного периода орошения образовался высокий уровень (1.5-3 м) и сильная минерализация (3-10 г/л) грунтовых вод, которые привели к формированию лугового солончака и вторично-засоленных почв сильной степени засоления, что подтолкнуло провести картографирование засоленности почв на данной территории, а также отразить за прошедший период изменения.

В результате анализа материалов ВГМП и составленных авторами карт засоления почв было установлено, что после 30-летнего периода прекращения орошения на всей территории оросительной системы уровень грунтовых вод стал глубже 5 м, произошло постепенное рассоление вторичнозасоленных почв с сильной до слабо-средней степени засоления, которое отмечается с глубины 3050 см на месте бывшего солончака и отсутствие засоления вокруг него; выявлено глубокое (>150 см) засоление почв на территории всего участка, что характерно для зональных каштановых почв и развитие ощелачивания верхних горизонтов современных почв, что связано с расположением участка Генераловской ОС в солонцовой зоне и накоплением натрия в почве в результате полива в прошлом из Цимлянского водохранилища.

Исследования показали возможность использования методов интерполяции для картографирования почвенного покрова, с отражением глубины расположения солевого горизонта (особенно первого от поверхности), сведения по которым необходимы при разработке и подборе оптимальных мелиоративных мероприятий по восстановлению плодородия почв.

Попытка использовать из литературных источников спектральные индексы засоления почв по дистанционной информации, не дала положительного результата.

Список литературы

1. Базилевич Н.И., Панкова Е.И. 1972. Опыт классификации почв по содержанию токсичных солей и ионов // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. Вып. 5. С. 36-41.

2. ВГМП. 2019. Показатели по оценке и учету мелиоративного состояния орошаемых селскохозяйственных угодий и технического состояния оросительных систем по состоянию на 01.01.2019 г. Неопубликованные материалы Архива Волгорадской гидрогеолого-мелиоративной партии. г. Волгоград. 14 с.

3. Горохова И.Н., Панкова Е.И., Харланов В.А. 2019. Изменения мелиоративного состояния орошаемых почв Волгоградской области в ХХ!веке / Почвоведение. № 3. С. 1-18. [Gorokhova I.N., Pankova E.I., Kharlanov V.A. 2019. Changes in the Ameliorative Status of rrigated Soils of Volgograd Oblast in the 21st Century/ Eurasian Soil Science. Vol 52. № 5. P. 550-565.]

4. Горохова И.Н., Хитров Н.Б., Кравченко Е.П. 2020. Изменение засоленности орошаемых почв участка Червленое за четверть века (Волгоградская область) // Почвоведение. № 4. С. 463-472. [Gorokhova I.N., Khitrov N.B., Kravchenko E.I. 2020. Changes in Soil Salinity at the Chervlenoe Irrigation Massive (Volgograd Oblast) in a Quarter of Century // Eurasian Soil Science. Vol. 53. No. 4. P. 494-502.]

5. Засоленные почвы России. 2006 / Ред. Л.Л. Шишов, Е.И. Панкова. М.: ИКЦ «Академкнига». 854 с.

6. Кретинин В.М. 2011. Естественные леса и почвы Нижнего Поволжья. Волгоград: ВНИИАЛМИ. 120 с.

7. Щедрин В.Н., Колганов А.В., Васильев С.М., Чураев А.А. 2013. Оросительные системы России: от поколения к поколению. Новочеркасск: Геликон. Ч. I. С. 283.

8. Abbas A., Khan S., Hussain N., Hanjra M.A., Akbar S. 2013. Characterizing soil salinity in irrigated agriculture using a remote sensing approach // Physics and Chemistry of the Earth. Pt. A/B/C. Vol. 55-57. P. 43-52.

9. AllbedA., Kumar L., Aldakheel Y. Y. 2014. Assessing soil salinity using soil salinity and vegetation indices derived from IKONOS high-spatial resolution imageries: Applications in a date palm dominated region // Geoderma. Vol. 230231. P. 1-8.

10. Bouaziz M., Matschullat J., Gloaguen R. 2011. Improved remote sensing detection of soil salinity from a semi-arid climate in Northeast Brazil // Comptes Rendus Geoscience. Vol. 343. No. 11-12. P. 795-803.

11. Chi Y., Sun J., Liu W., Wang J. Zhao M. 2019. Mapping coastal wetland soil salinity in different seasons using an improved comprehensive land surface factor system // Ecological Indicators. Vol. 107. P. 105517.

12. Copernicus Open Access Hub. 2020 [Электронный ресурс https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home (дата обращения 10.04.2021)].

13. Douaoui A.E.K., Nicolas H., Walter C. 2006. Detecting salinity hazards within a semiarid context by means of combining soil and remote-sensing data // Geoderma. Vol. 134. No. 1-2. P. 217-230.

14. Earth Explorer. 2020 [Электронный ресурс https://earthexplorer.usgs.gov/ (дата обращения 19.07.2021)].

15. Gorji T., Sertel E., Tanik A. 2017. Monitoring soil salinity via remote sensing technology under data scarce conditions: a case study from Turkey // Ecological Indicators. Vol. 74. P. 384-391.

16. Hihi S., Rabah Z.B., Bouaziz M., Chtourou M.Y., Bouaziz S. 2019. Prediction of Soil Salinity Using Remote Sensing Tools and Linear Regression Model // Advances in Remote Sensing. Vol. 8. P. 77-88.

17. Jiang H., Shu H. 2018. Optical remote-sensing data based research on detecting soil salinity at different depth in an arid-area oasis. Xinjiang, China // Earth Science Informatics. P. 1-14.

18. Komissarov A., Safin Kh., Ishbulatov M., Khafizov A., Komissarov M. 2019. Irrigation as means to reduce the risks of agricultural productionin the South Ural // Bulgarian Journal of Agricultural Science. Vol. 25. Suppl. 2. P. 149157.

19. Ren D., Wei B., Xu X., Engel B., Li G., Huang Q., Xiong Y., Huang G. 2019. Analyzing spatiotemporal characteristics of soil salinity in arid irrigated agro-ecosystems using integrated approaches // Geoderma. Vol. 356. P. 113935.

20. Wang J., Ding J., Yu D., Ma X., Zhang Z., Ge X., Teng D., Li X., Liang J., Lizaga I., Chen X., Yuan L., Guo Y. 2019. Capability of Sentinel-2 MSI data for monitoring and mapping of soil salinity in dry and wet seasons in the Ebinur Lake region, Xinjiang, China // Geoderma. Vol. 353. P. 172-187.

Размещено на Allbest.ru