Засоленные почвы естественных и агротехногенных ландшафтов Южного Урала

Профиль почвы, рекультивированной через 15 лет после загрязнения, отличается от 30-летнего относительной выровненностью состава ППК и кислотно-щелочных условий, хотя активизация биологических процессов также приводит к подкислению реакции в верхних горизонтах.

С целью дальнейшего изучения направленности развития почвообразовательных процессов на участке с 30-летним загрязнением в 2003 году были проведены мониторинговые исследования. Через шесть лет после комплексного обследования видимых изменений не произошло.

Более существенно изменились химические и физико-химические свойства почвы. В первую очередь наблюдается снижение содержания водорастворимых солей на глубину изученного профиля со «средней степени засоления» в 1997 году до «незасоленного уровня», что обусловлено их выносом поверхностными и внутрипочвенными водами вниз по склону и вмыванием вглубь по профилю. В составе водной вытяжки резко снизилось содержание ионов хлора и натрия и соответственно хлоридно-натриевый тип засоления трансформировался в гидрокарбонатно-кальциевый, который также характерен для фоновой почвы.

Содержание обменного натрия, в отличие от водорастворимого в гумусово-аккумулятивных горизонтах уменьшилось незначительно, а в иллювиальном напротив, несколько возросло (табл. 5). Похожие результаты получены в исследованиях Н.П. Солнцевой [1998] на загрязненных сырой нефтью дерново-подзолистых почвах южной тайги Пермского Прикамья, где было показано, что рассоление почвенного профиля сопровождалось увеличением осолонцованности иллювиальных горизонтов и развитием процессов осолодения.

Изменение свойств почв при загрязнении нефтепромысловыми сточными водами в Предуральской степной зоне

Исследования по влиянию загрязнения НСВ на солевой режим и комплекс свойств почв, определяющих их агроэкологические функции, в Предуральской степи проводились на территории крупнейших в этом регионе Туймазинском и Шкаповском месторождениях нефти. Целью исследований в этом регионе явилось выявление особенностей трансформации свойств почв, содержащих свободные карбонаты в почвенном профиле при различной длительности загрязнения НСВ.

Объекты исследований: серые лесные пестроцветные карбонатные почвы (Разрез 9, загрязнение НСВ 1 год; Разрез 10 фон) и лугово-черноземовидные карбонатные почвы (Разрез 4 загрязнение НСВ 12 лет; Разрез 5 фон).

Через год после загрязнения НСВ серой лесной пестроцветной карбонатной почвы уровень засоления характеризовался как «высокий» с максимальным содержанием солей на глубине 60-85 см (табл. 6). В соответствии с составом НСВ произошло изменение химического состава водной вытяжки из сульфатно-хлоридно кальциевого типа в хлоридно-натриевый, при этом в нижних горизонтах фоновой почвы наметилась тенденция к накоплению ионов Cl- и Na+, что свидетельствует о расширении ареола загрязнения за счет пространственно - боковой миграции солей.

Таблица 5. Физико-химические свойства светло-серых лесных почв

Размещено на http://www.allbest.ru//

В составе ППК серой лесной пестроцветной почвы (разрез 9) появился Na+, в основном за счет вытеснения Ca2+ (r=0,81), на долю которого приходится основная часть обменных катионов в незагрязненной почве (разрез 10). Максимальное количество Na+ наблюдалось в горизонте АВ (3,5 мг-экв/100 г почвы), где его доля от емкости катионного обмена (ЕКО) достигла 10% и постепенно снижалась до 1% к низу профиля. Однако следует отметить, что, несмотря на наличие большого количества ионов натрия в водном растворе, развитие процесса осолонцевания протекало замедленно вследствие высокой концентрации солей и наличия карбонатов. Помимо Na+ в составе ППК также увеличилось содержание Mg2+, причем его максимальное содержание совпадало с максимальным содержанием Na+ (r=0,54). Такое поведение Mg2+, не соответствующее уравнению Гапона [Пинский, 1997], в своих исследованиях наблюдали М.Ю. Гилязов [1999] и В.Ю. Хакимов [2000] при загрязнении НСВ черноземов, что объясняется адсорбционным механизмом, т.е. сверхэквивалентным поглощением.

Таблица 6. Физико-химические свойства почв

Помимо изменения состава ППК в почве разреза 9 наблюдалось снижение ЕКО по всему профилю на 8,02-0,29 мг-экв по сравнению с фоновой почвой. В научной литературе нет однозначного мнения о природе воздействия НСВ на ЕКО. Так Н.П. Солнцева [1998] считает, что непосредственно после загрязнения в почвах сумма обменных катионов (относительно фоновых незагрязненных почв) может возрастать в 1,3-1,5 раза. При этом М.Ю. Гилязов [2001] утверждает, что нефть, входящая в состав НСВ, приводит в первую очередь к блокированию обменных позиций ППК, что приводит к снижению ЕКО. Только же нефтяное загрязнение, как правило, всегда приводит к уменьшению ЕКО, что связано с обволакиванием почвенных коллоидов нефтяной пленкой [Аммосова и др., 1999]. По всей видимости, на снижение ЕКО через год после загрязнения в почве разреза 9 все-таки оказала влияние нефтяная составляющая НСВ.

Следствием развития процессов осолонцевания явилось подщелачивание почвенного раствора в профиле почвы с 12 летним загрязнением и верхних горизонтов через один год и подкисление нижних, за счет перемещения кислых продуктов обменных реакций вниз по профилю. Входящая в состав НСВ нефть привела к повышению содержания общего углерода на всю глубину изученного профиля, повышению содержания общего азота за счет его содержания в нефти. Протекание двух разнонаправленных процессов - привноса органического углерода нефти и щелочного гидролиза собственного органического вещества почвы геохимически активными НСВ привело к изменению фракционного состава гумуса - снижению содержания всех фракций гуминовых и фульвокислот, за исключением фракции ФК-1, и увеличению величины негидролизуемого остатка. В результате протекания обменных реакций и наличия калия в составе НСВ отмечалось повышенное содержание данного элемента по всему профилю. Загрязнение почвы НСВ также привело к снижению ферментативной активности. Достоверно снизилась активность почвенной инвертазы, каталазы и дегидрогеназы.

В лугово-черноземовидной карбонатной почве за 12 лет после загрязнения произошло рассоление до «слабого уровня», однако при этом усилились процессы осолонцевания и подщелачивания почвенного раствора на всю глубину профиля. Состав водной вытяжки соответствовал НСВ. Продолжающийся процесс щелочного гидролиза привел к снижению содержания органического вещества и азота.

Изменение свойств почв, подстилающих пород и грунтовых вод при эксплуатации пруда накопителя НСВ на территории Шкаповского месторождения нефти

В практике эксплуатации нефтяных месторождений (особенно на первом этапе разработки) была необходимость сбора нефтепромысловых сточных вод в специальных накопителях, так называемых прудах. Эти пруды в последующем явились источником загрязнения подземных вод, грунтов и почв.

Исследования проводились на территории Шкаповского нефтяного месторождения, где в 1960-1961гг.в долине р. Базлык (левый приток р.Дема) был сооружен пруд-отстойник.

В исследования проведенных сотрудниками Института геологии УНЦ РАН [Абдрахманов, 1993, 2006] показано, что через 5-6 лет после прекращения сброса в пруд рассолов наблюдалось засоление и осолонцевание пород. Содержание солей в глинистых отложениях под дном пруда достигало 2500 мг/100 г породы, а обменного натрия 53,5%. Через 19 лет после ликвидации пруда-накопителя произошло существенное рассоление и рассолонцевание глинистых отложений, и через 30 лет эти показатели приблизились к фоновым.

Также было выявлено повышение минерализации воды в роднике, расположенном в 2 км ниже пруда.

Нами в 2004 году проведено обследование почвенного покрова на месте бывшего пруда накопителя и были отобраны пробы грунтовых и родниковых вод. Почвенные разрезы закладывались по профилю, пересекающему дамбу на 1 км выше и ниже.

Наблюдения за уровнем минерализации воды в роднике представлены на рисунке 2, из которого видно, что кривая зависимости минерализации воды от количества лет, прошедших после загрязнения имеет вид экспоненты и описывается уравнением: y=10,027e-0,0599x, R2 = 0,9279. Кривая показывает, что в первые 20 лет минерализация изменялась в диапазоне 5-12 г/л и была неравномерна по годам, в последующие годы снижение происходило более плавно и последовательно. В родниках за пределами зоны влияния пруда-накопителя минерализация воды составляет 5-7 мг/л. Если решить полученное уравнение, подставив в него известную величину y = 5 мг/л можно найти х, характеризующий количество лет, необходимых для полного рассоления воды: (1) y=ae-kx; (2) e-kx=ya-1; (3) ln ay-1 = kx; (4) x=1/k ln a/y; при k=0,0599; а=10,027; y=0,005; x = 126. Следовательно, опреснение подземных вод происходит через 126 лет после 1974 года, т.е. через 140 лет после загрязнения.

Почвенный покров в районе пруда-накопителя представлен черноземами типичными карбонатными. Почвы разрезов, заложенных в одном километре выше и ниже пруда, не попали в сферу загрязнения НСВ. Эти почвы высокогумусные, характеризуются реакцией среды близкой к нейтральной, высокой емкостью катионного обмена, обеспеченностью доступным азотом и фосфором, содержат от 0,4 до 0,65 % карбонатов.

Рис. 2. Динамика минерализации воды из родника в 2 км от пруда-накопителя

Строительство пруда-накопителя привело к нарушению почвенного покрова не только в ложе самого пруда, но и загрязнению близлежащих почв. Прежде всего, очевидно, что эти почвы были засолены и осолонцованы. Через 40 лет после ликвидации пруда уровень остаточного засоления практически не превышал 0,1%, содержание обменного натрия в их профиле составило 0,7-3,5% от ЕКО, что указывает на полное естественное рассоление и рассолонцевание этих почв.

Вместе с тем, по сравнению с фоновыми почвами в них оказалось почти в три раза больше водорастворимых солей и обменного натрия, величина удельного электрического сопротивления составила 100-300 Ом·м, т.е. осталась характерной для засоленных почв, поскольку в незагрязненных почвах она превышает 600 Омм.

Загрязнение НСВ способствовало выщелачиванию свободных карбонатов, содержание которых почти в 10 раз ниже, чем в фоновых черноземах типичных карбонатных. Это способствовало некоторому подкислению реакции среды в почве, которая не была перемешана с нижними иллювиальными горизонтами. В техногенно-нарушенных почвах ложа пруда-накопителя, несмотря на соответственное уменьшение количества свободных карбонатов, напротив произошло подщелачивание в иллювиальном горизонте (рН 9,1) на глубине 62-96 см, что очевидно обусловлено остаточной осолонцованностью.

Загрязнение почв НСВ приводит к накоплению токсичных элементов на территории, значительно превышающей площадь непосредственного воздействия. Выше известных ПДК и фоновых значений среди элементов 1, 2 и 3 классов токсичности аккумулируются: Cd, As, Zn, Mo, Cu, Co, Ni, Cr, Sr, V. В растениях, произрастающих на загрязненных территориях, происходит накопление токсичных элементов. В листьях Fragaria viridis (Duch) Weston (земляника зеленая) в концентрациях, существенно выше фоновых обнаружены: Pb, Sr, V, Rb, Ba; в листьях Achillea millefolium L. (тысячелистник обыкновенный) - Cd, Rb, Ba.

Трансформация чернозема типичного при техногенном засолении и в процессе рекультивации с использованием природных удобрений и мелиорантов

В условиях гумидного климата Южного Предуралья, способствующего естественному вымыванию солей из почвенного профиля, основной задачей рекультивации загрязненных НСВ почв является их рассолонцевание, т.е. вытеснение обменно-поглощенного натрия. Для этого используют кальций содержащие химические мелиоранты, чаще всего - гипс. Известно, что почвы черноземного ряда, сформированные на карбонатных почвообразующих породах, насыщены основаниями, а их отдельные подтипы, например черноземы типичные содержат и свободные карбонаты в своем профиле. Это позволяет предположить, что при относительно небольшом уровне осолонцованности возможен процесс замещения натрия из ППК имеющимся в почве кальцием. Очевидно, что этот процесс можно активизировать внесением мелиорантов, способствующих повышению содержания органического вещества, поглотительной и водоудерживающей способности почв, биологической активности и питательного режима. В наших исследованиях в качестве таких мелиорантов наряду с гипсом использовались цеолит и сапропель. Эти природные агрономические удобрения являются высокоэкологичными и обладают генетическим сродством к почвам региона.

Для изучения последствий возможных аварий на нефтепромыслах и разработки мероприятий по восстановлению нарушенных земель был заложен мелкоделяночный полевой опыт на территории водно-балансовой станции Управления по мониторингу мелиорируемых земель на черноземе типичном в июне 2002 года.

Площадь делянок составила 2,25 м2 (1,5х1,5 м). При моделировании загрязнения внесли на каждую делянку по 50 литров НСВ хлоридно-натриево-кальциевого состава с минерализацией 176 г/л.

Опыт проводился в несколько этапов: 1. В июне 2002 года на делянки полевого опыта внесли НСВ. 2. В сентябре 2002 года были определены физико-химические свойства почвы, загрязненной НСВ, для выбора вариантов и доз мелиорантов. 3. В октябре 2002 года с учетом содержания солей и обменного натрия в ППК и в соответствии с вариантами опыта были внесены гипс, цеолит и сапропель из расчета по 2,5 кг на делянку. 4. В мае 2003 года был проведен посев трав: травосмесь 1 - Medicago sativa L. (люцерна посевная), Melilotus officinalis (L.) Pall. (донник лекарственный), Elytrigia repens (L.) Nevski. (пырей ползучий); травосмесь 2 - Medicago sativa L. (люцерна посевная), Melilotus officinalis (L.) Pall. (донник лекарственный), Elytrigia repens (L.) Nevski. (пырей ползучий), Lotus ucrainicus Klok. (лядвинец украинский), Galega orientalis Lam. (козлятник восточный), и эти же пять культур в отдельности. Под самозарастание на загрязненных НСВ почвах было выделено 14 делянок, при внесении мелиорантов - 4 делянки. 5. В сентябре 2004 года в целях изучения изменения комплекса свойств в почвенном профиле были заложены почвенные разрезы на основных вариантах опыта после учета урожая трав.

Опыт проводился в течение 3-х лет после загрязнения (2003-2006 гг.), средние образцы отбирались ежегодно весной и осенью методом конверта из пяти точек на глубину 0-10, 10-20, 20-30 см с каждой делянки опыта. Грунтовые воды отбирались из скважин, расположенных на опытном участке, ниже его по склону и из бытовой скважины, где исключалось загрязнение НСВ. Каждый год проводился учет урожая массы фитомелиорантов и определение видового состава растительности на участках самозарастания.

Исследования, проведенные через два месяца после загрязнения чернозема типичного НСВ, показали очень высокий уровень засоления в пахотном слое и среднюю степень осолонцованности. Максимальное содержание солей, соответствующее уровню солончака, отмечалось в верхнем 0-10 см слое почвы, с глубиной оно постепенно снижалось. Содержание обменного натрия в слое наибольшего накопления солей составило 12,3% от суммы поглощенных оснований. В связи с высоким содержанием кальция и магния в НСВ возросло также их количество в ППК. На этом этапе несколько возросла актуальная кислотность почвенного раствора, что обусловлено высокой концентрацией хлора в составе загрязнителя и его кислотностью
(рН 5,3). Наличие нефтепродуктов в составе НСВ привело к некоторому увеличению содержания органического вещества в загрязненной почве. Исходный гидрокарбонатно-кальциевый состав водорастворимых солей чернозема типичного через два месяца после загрязнения трансформировался в хлоридно-натриевый.

Наиболее выраженные изменения произошли в верхних горизонтах почвы до глубины 40-50 см - уровня залегания иллювиального горизонта. Ниже этого слоя накопления токсичных концентраций солей не наблюдалось. И, несмотря на некоторое возрастание количества хлора и натрия, состав водной вытяжки остался гидрокарбонатно-кальциевым.

Через год величина сухого остатка (рис. 3) в пахотном слое снизилась более чем на 2%, но в средней части профиля (25-75 см) несколько увеличилась. Естественное вымывание солей привело к полному рассолению верхней части профиля на третий год после загрязнения (2004 г.) и некоторому увеличению - в нижней. На следующий год (2005) профильная кривая содержания сухого остатка в загрязненной НСВ почве вплотную приблизилась к таковой незагрязненной почвы.

При внесении мелиорантов общий характер передвижения солей вниз по профилю был аналогичным, но их содержание в пахотном горизонте на следующий год после загрязнения было ниже (рис. 4). Через три года по всем вариантам опыта произошло рассоление в верхней части профиля до уровня, соответствующего незасоленным почвам (менее 0,2%). В нижних горизонтах всех почв наблюдалось некоторое возрастание сухого остатка солей, перемещенных из верхних слоев. Но и здесь засоление не превышало слабый уровень.

Проведение рекультивационных мероприятий привело к существенному рассолонцеванию почвы по всем вариантам опыта. Среди мелиорантов наиболее эффективными оказались гипс и сапропель. При внесении цеолита содержание обменного натрия в пахотном горизонте осталось на уровне слабой степени и превышало 5%. Очевидно, это связано с высокой поглотительной способностью самого цеолита. Процесс уменьшения доли обменного натрия от ЕКО в пахотных слоях сопровождался возрастанием в подпахотных горизонтах, что вполне согласуется с внутрипочвенным передвижением НСВ и тем фактом, что мелиоранты вносились в пределах пахотного слоя.

Вследствие этого имела место дегумификация, изменилась реакция среды и буферность в кислотно-щелочном интервале. По всем вариантам произошло подкисление иллювиальных горизонтов, снижение буферности в кислотном и возрастание в щелочном плече. Очевидно, это обусловлено, прежде всего, передвижением ионов хлора. На всех вариантах с внесением мелиорантов содержание поглощенного кальция приблизилось к его количеству в контрольной почве. Загрязнение НСВ привело к существенному снижению ЕКО по всему профилю чернозема типичного, а в процессе рекультивации ЕКО восстановилась до фоновых значений, причем при внесении сапропеля и цеолита оказалась даже несколько выше. Использование растений в качестве фитомелиорантов также способствовало улучшению свойств чернозема типичного, загрязненного НСВ. Содержание обменного натрия с годами последовательно снижалось и ко второму и третьему годам жизни трав (2003-2005 г.г.) по всем вариантам, кроме люцерны, содержание обменного натрия не превышало 5%. Самое существенное снижение произошло на делянках с посевом донника и лядвенца, где количество поглощенного натрия снизилось почти вдвое. По эффективности воздействия на процессы рассолонцевания изученные травы можно расположить в следующий возрастающий ряд: люцерна - пырей - козлятник - лядвенец - донник.

Солевой режим почвы тесно связан с условиями увлажнения и его своеобразным зеркальным отражением является состав грунтовых вод. Анализ динамики состава грунтовых вод на территории опытного участка показывает, что по мере рассоления почвенного профиля возрастала минерализация грунтовых вод как непосредственно под загрязненной территорией, так и вблизи, ниже по склону, под целиной. Максимальная минерализация воды наблюдалась осенью 3-го года после загрязнения. На 4-й год концентрация солей в грунтовых водах существенно снизилась и на целине была близка к минерализации воды бытовой скважины.

Изменился и качественный состав воды. Под влиянием НСВ гидрокарбонатно-кальциевая вода на 3-й год трансформировалась в хлоридно-гидрокарбонатно-кальциево-натриевую, т.е. в ее составе сильно возросла доля ионов Cl- и Na+. На 4-й год, несмотря на повышение содержания этих ионов, грунтовые воды вновь приобрели гидрокарбонатно-кальциевый состав. Однако, на 5-й год после загрязнения (2006 г) минерализация грунтовых вод непосредственно под опытным участком вновь возросла почти до уровня 2004 года, и осенью (октябрь) в воде содержание иона Cl- оказалось почти вдвое выше, чем HCO-3 (13,5 мг-экв против 6,4 мг-экв), а среди катионов возросла доля Na+, то есть пошла вторая волна загрязнения грунтовых вод. Это обусловлено, очевидно, поступлением солей из иллювиальных горизонтов.

Анализ урожайности зеленой массы фитомелиорантов за четыре года опыта показал ее увеличение по мере восстановления свойств почвы, определяющих ее агроэкологические функции. Наиболее устойчивыми к загрязнению НСВ среди одиночных фитомелиорантов оказались донник, пырей и люцерна, и эти же культуры - в травосмеси.

На загрязненной НСВ почве, оставленной на самозарастание, по сравнению с контролем, уменьшилось количество видов, уменьшилось общее проективное покрытие и высота растений. Наиболее адаптированными к загрязнению оказались Chenopodium album L. (марь белая), Amaranthus retroflexus L. (щирица запрокинутая) и Panicum miliaceum L. (просо посевное).

Сравнительная характеристика свойств засоленных и осолонцованных почв природного и техногенного происхождения на Южном Урале

В настоящее время на территории республики процесс засоления и осолонцевания может развиваться в различных генетических типах почв при попадании в них высокоминерализованных натрий содержащих поллютантов: сырой нефти, нефтепромысловых сточных вод, отходов содового производства (исследования проводились на серых лесных почвах и черноземах типичных и выщелоченных). Такие почвы, сохраняя свойства, характерные для своего генетического типа, приобретают черты солонцовых почв, что проявляется как в морфологических, так и в химических свойствах.

Таблица 7. Сравнительная характеристика физико-химических свойств засоленных и осолонцованных почв естественного и техногенного происхождения (при загрязнении сырой нефтью и НСВ)

В морфологическом плане изменения выражаются в образовании сильно уплотненных солонцовых горизонтов со столбчатой и призмовидной структурой, некотором осветлении гумусово-аккумулятивных горизонтов, во влажном состоянии эти почвы набухают, становятся вязкими, липкими, снижается водопроницаемость.

В отличие от естественных солонцов, в морфологическом строении которых самым характерным является наличие горизонта вмывания (иллювиального) или собственно солонцового горизонта В1, в техногенно спровоцированных солонцах такие черты могут присутствовать по всему профилю на глубину загрязнения.

Проведенный анализ свойств засоленных и осолонцованных почв естественного и техногенного происхождения позволяет сопоставить их физико-химические свойства в таблице 7 из которой видно, что при загрязнении черноземов и серых лесных почв натрий содержащими поллютантами нефтяной промышленности формируются нехарактерные для региона Предуралья техногенные почвы, приобретающие черты природных засоленных и осолонцованных почв, но отличающиеся более высокой степенью засоления преимущественно хлоридного типа и осолонцевания по всему профилю, гидрофобизацией и существенным снижением биопродуктивности.

5. ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ОРОШЕНИЯ НА СВОЙСТВА ПОЧВ

Влияние длительного орошения на свойства почв в Южной лесостепи

В лесостепной зоне Южного Предуралья с уровнем увлажнения от среднего до умеренного нет острой необходимости в орошении. Вместе с тем, выращивание многих овощных культур без дополнительного увлажнения невозможно, а полив многолетних трав позволяет получать два - три дополнительных укоса за год.

Объектами исследований явились черноземы выщелоченные, на которых проводился полив многолетних трав и овощных культур в течение 5 и 30 лет. Вода для полива бралась из р. Белая. Состав воды гидрокарбонатно-кальциевый с минерализацией 0,3-0,6 г/дм3. Поливные нормы составляли в среднем 300-400 м3/га, оросительные нормы - 1600-1800 м3/га. Почвенные разрезы закладывались на орошаемых участках и неорошаемых аналогах.

Длительное орошение чернозема выщелоченного (30 лет), в отличие от 5-летнего привело к уменьшению мощности гумусового-аккумулятивного горизонта на 3-5 см. По всей видимости, это обусловлено как ирригационной эрозией, так и отчуждением почвы с корнеплодами, поскольку на этом участке в овощном севообороте значительную долю составляли морковь и свекла.

В практике орошения одной из главных причин снижения продуктивности почв является ее засоление. Исследование состава водной вытяжки показало, что все неорошаемые почвы не засолены (табл. 8). При орошении наметилась тенденция к увеличению концентрации солей, содержание сухого остатка увеличилось на 0,01-0,03% преимущественно за счет появления ионов НСО3- и Са2+. Величина сухого остатка в пахотном слое орошаемой в течение 30 лет почвы увеличилась на 0,07%, в подпахотных горизонтах превышение составило от 0,1 до 0,25% с максимумом в надиллювиальном горизонте.

Расчет состава гипотетических водорастворимых солей позволил определить, что в длительно орошаемой почве преобладающим является гидрокарбонат кальция, не токсичный для сельскохозяйственных культур. Однако, содержание токсичных солей, представленных в основном гидрокарбонатами и сульфатами натрия, достигает уровня, соответствующего средней, а в надиллювиальном горизонте - сильной степени засоления.

Таблица 8. Состав водной вытяжки чернозема выщелоченного

Как известно, основными источниками поступления солей в почву могут быть оросительные и грунтовые воды повышенной минерализации. Уровень грунтовых вод на орошаемом массиве в летний период изменялся в диапазоне 500-600 см, их минерализация не превышала 0,5 г/л. Следовательно, привнос солей с капиллярными подтоками влаги маловероятен.

Расчет возможного привноса солей с оросительной водой показал, что за 30 лет содержание солей в пахотном слое могло возрасти на 0,7%, но реально оказалось в 10 раз меньше. Прежде всего, это связано с выносом солей сельскохозяйственными культурами, особенно корнеплодами. Вероятно также, что в условиях периодически промывного водного режима соли в некоторой степени вымывались из верхних горизонтов почвы, что подтверждается повышением их концентрации в нижней части профиля. Вместе с тем периодическое смачивание иллювиального горизонта и почвообразующей породы, содержащей карбонаты и сульфаты кальция, способствовало некоторой мобилизации гипса и возрастанию концентрации сульфат-иона в составе водной вытяжки.

Следует отметить, что при длительном орошении многолетних трав засоление почв в исследуемом хозяйстве не выявлено. Это позволяет предположить, что накопление солей в почвах под овощными культурами связано с интенсивным испарением влаги с участков без растений в межполивной период и подъемом солей из горизонтов смачивания.

Очевидно, что дальнейшее использование этих земель для выращивания овощей без включения в севооборот многолетних трав может привести к более масштабному засолению орошаемых почв.

Влияние орошения на свойства черноземов в Зауральской степной зоне

В Зауральской степной зоне наиболее эффективным мероприятием по повышению плодородия и продуктивности сельскохозяйственных земель, помимо влагосберегающей технологии обработки почв, является орошение.

Целью настоящей работы явилось изучение влияния орошения на свойства почв и разработка рекомендаций по сохранению и повышению плодородия почв при дальнейшем использовании в условиях орошения. Было заложено 15 почвенных разрезов, 13 из которых размещались в точках, аналогичных изысканиям 1986 года и 2 за пределами орошаемого участка.

После сдачи орошаемого участка в 1988 году, полив проводился несколько лет. Позже оросительная система не функционировала. В последние годы орошение проводилось на отдельных участках (после сдачи в аренду) при выращивании овощных культур, в основном капусты и лука. Эти исследования показали, что через 20 лет на орошаемых участках проявилась тенденция к уменьшению мощности гумусово-аккумулятивного горизонта и подкислению почвенного раствора, произошло существенное уменьшение гумусированности и обеспеченности питательными элементами, накопления водорастворимых солей не наблюдалось.

6. ГИДРОГЕННОЕ СОЛЕНАКОПЛЕНИЕ В РАЙОНАХ

МИНЕРАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ

На территории Башкортостана гидрогенное накопление солей в почвенном покрове наблюдается в районах выклинивания подземных и грунтовых вод крупных минеральных родников и источников, таких как Аскинский, Бирский, Якутовский, Красноусольский.

В Гафурийском районе, на правом коренном склоне долины реки Усолка, в 5 км к северо-востоку от р.п. Красноусольский и непосредственно выше одноименного курорта, находится один из самых знаменитых минеральных источников Башкортостана. По химическому составу воды Красноусольских источников относятся к хлоридно-натриевому типу. Минерализация источников колеблется от 7 до 45 г/л. Содержание хлорида натрия достигает 92-95 м-экв% [Гареев, 2004].

Исследования проводились на левом пологом берегу р. Усолка. Растительность представлена видами, характерными для солончаковатых почв: Salicornia europaea L. (солерос европейский), Puccinellia distans (Jacq.) Parl. (бескильница расставленная) и Claux maritima L. (млечник морской).

Луговая глеевая почва характеризуется наличием ярко выраженного дернового слоя мощностью от 4 до 10 см, комковато-зернистой и ореховато-зернистой структурой в гумусово-аккумулятивных горизонтах и творожисто-зернистой - в иллювиальном, признаки переувлажненности начинают проявляться в горизонте А1, механический состав изменяется от легкого суглинка до глины вниз по профилю почвы. Следует отметить, что на участке, где был заложен разрез 1-2003, водоносный горизонт обнаружился на глубине 80 см, а на участке разреза 2-2003, расположенного ближе к урезу воды - на глубине 45 см. Вероятно именно это обстоятельство обуславливает характер распределения водорастворимых солей в профиле этих двух разрезов.

По содержанию водорастворимых солей почва разреза 1-2003 характеризуется как незасоленная (табл. 9). Вероятно, верхние горизонты этой почвы промыты атмосферными осадками, хотя иногда происходит их засоление в результате подъема минерализованных грунтовых вод. Об этом свидетельствует химический состав солей, соответствующий химическому составу грунтовой воды. В почве разреза 2-2003 выявлен средний уровень хлоридно-натриевого засоления, режим грунтового питания здесь полностью преобладает над атмосферным.

Таблица 9. Состав водной вытяжки луговой глеевой почвы

Характер содержания и распределения в профиле почв водорастворимых солей определяет состав ППК. Так, в почве разреза 1-2003 в верхних гумусово-аккумулятивных горизонтах с наименьшим содержанием солей, в составе ППК преобладал кальций, доля натрия колебалась в пределах 2,5-6,5% от ЕКО. В иллювиальном горизонте наметилось увеличение содержания магния и натрия. В засоленной почве разреза 2-2003 в составе ППК преобладал натрий (до 40-44% от ЕКО), что соответствует высокому уровню осолонцованности.

Развитие процессов засоления и осолонцевания в луговых глеевых почвах привело к снижению содержания гумуса, общего и щелочногидролизуемого азота, валового и подвижного фосфора.

7. СОЛЕВОЙ РЕЖИМ В ПОЧВАХ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ПАМЯТНИКОВ

Почвенно-археологическое исследование поселения древнего человека

в долине р. Уршак.

Почвенно-археологические исследования проводились на территории археологического памятника «Мурадымовское поселение», входящего в круг памятников Демско-Уршакского междуречья. Поселение расположено на первой надпойменной террасе правого берега р. Уршак. Территория приурочена к Камско-Бельскому увалистому понижению с равнинным денудационным рельефом, сложенного гипсами, ангидритами, доломитами, глинами, песчаниками кунгурского яруса пермской система палеозойской группы.

Поселение занимает площадь около 6 га. Часть площадки поселения хорошо задернована и используется для выгона скота. Мощность насыпи, перекрывающей палеопочву, составляет 118 см. Насыпь состоит из морфологически выраженных слоев, которые характеризуются резкой дифференциацией по цвету, структуре, механическому составу и характеру включений. Нижние слои содержат самое большое количество включений ожелезненных костей животных разной степени раздробленности от очень мелких (1-2 см) до довольно крупных (10-15 см) и фрагментов керамики. Эти горизонты также отличаются супесчаным механическим составом, отсутствием структуры, пониженной реакцией среды (рН 7,9) и состоят в основном из золы, т.е. являются типичными «зольниками».

Верхняя часть насыпи (20 см) переработана процессом современного почвообразования, в результате чего сформировался легкосуглинистый горизонт А1 черного цвета с комковато-порошистой структурой с четкой и ровной нижней границей.

Под насыпью отмечается хорошо сохранившаяся погребенная почва, вероятно существовавшая на момент образования поселения. Гумусовый горизонт, мощностью 28 см, погребенной почвы по морфологическим признакам (черный цвет, тяжелосуглинистый механический состав, крупно-призматическая структура) хорошо отделяется от нижнего слоя насыпи. У переходного горизонта АВ пог. в окраске начинают преобладать ржаво-бурые тона, структура становится мелко-призматической, местами появляются охристые пятна. Он постепенно переходит в серовато-бурый горизонт В, характеризующийся непрочной мелко-средне призматической структурой с легкой лакировкой по граням структурных отдельностей, отмечаются охристые примазки. Почвообразующая порода представлена желто-рыжими отложениями пермского возраста с линзами оглеенного зеленовато-серого песка.

Наличие выраженного оглеения в виде тонких пленок по граням структурных отдельностей в горизонте В и охристых примазок, тяжелосуглинистый механический состав, преобладание гуминовых кислот второй фракции в составе гумуса (Сфк:Сгк = 2,28), щелочная реакция среды, увеличивающаяся к низу профиля - позволяет отнести погребенную под насыпью почву к древней лугово-черноземной.

Профиль насыпи и погребенной под ней почвы характеризовались более щелочной реакцией среды по сравнению с фоновой. Обменный натрий присутствовал только в погребенной почве. Почвы насыпи отличались самым высоким содержанием гумуса и ЕКО (табл. 10).

Содержание водорастворимых солей в горизонтах и слоях профиля памятника было различным. Самая высокая концентрация (2,16%) была в слое 1 на глубине 34-46 см. Погребенная почва оказалась также сильно засоленной с максимумом в гумусовом горизонте (1,23%). Химический состав солей в насыпи и погребенной почве сульфатно-магниево кальциевый. Фоновая почв не засолена. Наличие высокого содержания солей в древних погребенных почвах их химизм и полное отсутствие в профиле современных почв подтверждает мнение П.Я. Бульчука 1973 о реликтовости происхождения почв засоленного ряда, высказанного им в отношении почв Зауральской степи.

Почвенные исследования курганного могильника в долине р. Стерля

Почвенно-археологические исследования проводились на территории Николаевского могильника, расположенного на первой надпойменной террасе левого берега р. Стерля в примерно в 20 км к юго-западу от г. Стерлитамак. В физико-географическом отношении изучаемая территория относится к Предуральской степной зоне и расположена в пределах Уршак-Ашкадарской равнины. Основу геологического строения равнины составляют отложения Уфимского яруса верхнепермской системы. Эту территорию можно охарактеризовать как приподнятую волнистую равнину, расчлененную речными долинами притоков р. Белой (Уршак, Стерля, Кундряк, Ашкадар) на ряд междуречий, которые являются основными орографическими элементами. Возникшая за счет пригибания земной коры в неогене эта равнинная территория сохранила фациональные особенности процессов осадконакопления в результате проникновения с юга воды акчагыльской морской трансгрессии.

Таблица 10. Физико-химические свойства насыпи, погребенной и фоновой почв

Одним из вопросов, задаваемых при проведении почвенно-археологических исследований, является вопрос об определении климатических условий территории, существовавшей на момент сооружения археологического памятника. Для этих целей используется ряд морфологических и химических характеристик свойств почвы, одной из которых является анализ водной вытяжки. Характер распределения солей с максимумом у поверхности почвы указывает на длительное испарение почвенной влаги при постоянном подтягивании засоленных растворов к поверхности, что характерно для аридных обстановок (солончаки); при низком содержании солей у поверхности и накоплении их на некоторой глубине можно говорить о рассолении. Хотя данный признак не является устойчивым, но при быстром погребении почвы (или культурного слоя), например под достаточно мощным курганом (что характерно для нашего случая), с его помощью можно проводить реконструкцию палеосреды [Иванов, 1992; Сычева и др., 2004].

В современной почве слабое сульфатно-хлоридное засоление (0,26%) выявлено только в верхнем дерновом слое (0-10 см) гумусово-аккумулятивного горизонта. С глубиной содержание солей снижается до уровня незасоленных почв, а его характер трансформируется в гидрокарбонатно-сульфатный. Поскольку профиль современной почвы по ландшафтным условиям и времени первичного образования соответствует погребенной почве, над которой был насыпан курган, то это скорее всего является остаточным засолением, а не результатом подтягивания засоленных растворов из отложений Уфимского яруса верхнепермской системы. В пользу этого говорит профильное распределение солей в погребенной почве под курганом, в которой содержание солей также как и в верхней части современной почвы является сульфатно-хлоридным, но очень высоким (0,52-0,77%). Высокий уровень засоления палеопочвы обусловлен по всей видимости климатическими условиями, способствующими подтягиванию и испарению засоленных вод акчагыльской морской трансгрессии. Такой характер изменения количественного и качественного состава солей указывает, что со времени сооружения кургана произошло существенное рассоление современных почв, а климат данной территории 3,5 тыс. лет тому назад был более сухим и засушливым по сравнению с современным. Полученные данные также согласуются с результатами исследований Я.Г. Рыскова и В.А. Демкина [1997], которые установили, что на территории Южного Урала в этот период господствовали сухостепные условия.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

Для защиты от эрозии и повышения плодородия чернозема южного глубокосолончаковато-солонцеватого в сельскохозяйственном обороте рекомендуется использовать природные агрономические удобрения (навоз, сплавина, сапропель) в дозах 60 т/га.

Для рекультивации техногенно засоленных и осолонцованных серых лесных почв рекомендуется внесение эквивалентных доз фосфогипса и навоза в дозе 200 т/га на фоне систематического рыхления и снегозадержания.

Для рекультивации техногенно засоленных и осолонцованных почв насыщенных основаниями и (или) имеющих свободные карбонаты в своем профиле рекомендуется фитомелиорация (Medicago sativa L. (люцерна посевная), Melilotus officinalis (L.) Pall. (донник лекарственный), Elytrigia repens (L.) Nevski. (пырей ползучий), Lotus ucrainicus Klok. (лядвинец украинский), Galega orientalis Lam. (козлятник восточный) и внесение природных удобрений (сапропель, цеолит) на фоне снегозадержания.

Для рекультивации гидрофобной техногенно засоленной и осолонцованной в результате загрязнения сырой нефтью светло-серой лесной почвы рекомендуется использование биопрепаратов - деструкторов нефти, обработка гуминовыми препаратами и эквивалентное внесение гипса на фоне систематического рыхления и снегозадержания.

При выращивании овощей в условиях орошения в качестве органических удобрений целесообразно использовать сплавину и сапропель извлеченных из ближайшего водохранилища или озера с целью их очистки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Почвы засоленного ряда на Южном Урале в пределах Республики Башкортостан по своему происхождению подразделяются на природные и агротехногенные.

Природные засоленные почвы распространены преимущественно в Зауральской степной зоне, небольшими площадями встречаются в Предуральской степи. Их формирование связано, прежде всего, с морскими третичными отложениями. На отдельных участках лесостепных и степных зон Предуралья природное засоление обусловлено гидрогенным соленакоплением в районах выхода на дневную поверхность вод минеральных источников.

Формирование агротехногенно-засоленных почв возможно во всех природно-климатических зонах. В Предуралье основными причинами этих процессов являются - загрязнение сырой нефтью и высокоминерализованными нефтепромысловыми сточными водами, в лесостепных зонах - осушение солончаковатых болот, в степных зонах - нарушение режимов орошения.

2. Природные засоленные почвы Зауралья представлены в основном черноземами обыкновенными и южными сильно различающимися по мощности, содержанию гумуса, выраженности засоления и осолонцевания и развитости почвенного профиля. Собственно типы солончаков и солонцов не образуют самостоятельного фона, обычно они комплексируются с черноземами и лугово-черноземными почвами. Содержание солей в профиле солончаков луговых относительно равномерное с максимумом скопления в верхней части, преобладающий тип засоления сульфатный и хлоридно-сульфатный. В солонцах черноземных, луговых и лугово-болотных максимальное содержание солей обнаруживается в иллювиальных горизонтах. Степень засоления этих горизонтов определяется как сильная, тип засоления обычно хлоридно-сульфатный или сульфатно-хлоридный, реже - сульфатный.

3. Длительное сельскохозяйственное использование черноземов южных глубокосолончаковато-солонцеватых приводит к существенному ухудшению их агроэкологических свойств. Вследствие повышения интенсивности испарения влаги отмечается передвижение вверх и накопление по всему профилю водорастворимых солей с доминированием ионов хлора.

Одним из путей повышения плодородия этих почв является использование природных удобрений и мелиорантов. Внесение навоза, сапропеля, измельченных сплавины и соломы способствует улучшению агрофизических свойств: уменьшается плотность сложения, возрастает водоудерживающая способность и влагоемкость почв, улучшается структурно-агрегатный состав, уменьшается механическая прочность агрегатов, улучшается гумусное состояние почвы, повышается содержание питательных элементов - азота и фосфора.

По эффективности воздействия на свойства почвы используемые природные удобрения и мелиоранты можно расположить в следующий убывающий ряд: навоз - сапропель - сплавина - солома - цеолит - песок. Со временем (3-4 года) влияние навоза, сапропеля и соломы уменьшается, а сплавины - возрастает.

4. В Предуралье наиболее распространенным фактором засоления почв в районах нефтедобычи является загрязнение высокоминерализованными нефтепромысловыми сточными водами. Техногенно-спровоцированное засоление и осолонцевание почв в лесостепной и степной зонах приводит к формированию не существующих в естественных условиях почв, сходных по комплексу свойств с природными солончаками и солонцами. В профиле почв происходит накопление водорастворимых солей хлоридно-натриевого состава и трансформация почвенно-поглощающего комплекса. Это приводит к осветлению гумусово-аккумулятивных горизонтов, увеличению плотности, глыбистости структуры, уменьшению количества агрономически ценных агрегатов и их водопрочности. Насыщение почвенно-поглощающего комплекса натрием способствует подщелачиванию реакции среды, уменьшению содержания обменных кальция и магния, резкому снижению буферности почвы в щелочном и возрастанию в кислотном интервале. Щелочной гидролиз органического вещества приводит к уменьшению содержания общего гумуса. Ухудшается обеспеченность азотом и фосфором, подавляется ферментативная активность, особенно класса гидролаз - инвертазы, фосфатазы и уреазы.

Процесс техногенного засоления и осолонцевания по ряду характеристик отличается от естественного, прежде всего, ускоренностью протекания, более высокой степенью засоления преимущественно хлоридного типа, осолонцеванием всего профиля, гидрофобизацией и существенным снижением биопродуктивности.

5. Рекультивация серых лесных почв, загрязненных нефтепромысловыми сточными водами путем внесения в качестве мелиоранта фосфогипса, хотя и способствует снижению насыщенности почвенно-поглощающего комплекса натрием, не приводит к улучшению их свойств. Более того, этот прием ухудшает агрофизические свойства, вызывая излишне высокую водопрочность агрегатов и чрезмерную плотность сложения. Полное рассоление и рассолонцевание загрязненной почвы происходит только при внесении эквивалентной дозы фосфогипса и большого количества навоза (200 т/га), что сопровождается улучшением структурного состава, оптимизацией водопрочности агрегатов, плотности сложения, нейтрализацией щелочности почвенного раствора, возрастанием обеспеченности питательными элементами, повышением активности гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов.

Рекультивация почв насыщенных основаниями и (или) имеющих свободные карбонаты в своем профиле (черноземы типичные, серые лесные пестроцветные карбонатные, лугово-черноземовидные карбонатные) может быть проведена без использования кальций содержащих мелиорантов. Процесс замещения натрия в почвенно-поглощающем комплексе имеющимся в почве кальцием активизируется при фитомелиорации и внесении сапропеля и цеолита.

6. На территории нефтяных месторождений к засолению и осолонцеванию зональных типов почв приводит загрязнение сырой нефтью. При загрязнении светло-серой лесной почвы на пологих склонах происходит миграция загрязнителя, преимущественно водно-солевой составляющей сырой нефти, и образование новых ореолов засоления хлоридного типа. За 15-30 лет после загрязнения сырая нефть проникает вглубь до 3,5 м, но основная ее часть концентрируется в гумусово-аккумулятивном горизонте, уровень загрязненности которого нефтепродуктами и солями через 30 лет характеризуется как слабый, а через 15 лет - высокий. Профиль почвы за эти годы в значительной степени рассоляется, но осолонцовывается.