Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природные условия формирования каштановых почв 6
1.1. Климат 6
1.2.Рельеф и почвообразующие породы 10
1.3 .Растительность 12
1.4. Почвенный покров 14
Глава 2. Объект и методы исследований 17
2.1 .Характеристика почв опытного полигона 17
2.2. Агромелиоративная характеристика состава окисленных бурых углей 22
2.3 .Методика исследований 26
Глава 3. Физические и водно-физические свойства почвы при взаимодействии с мелиорантом и орошении минерализованной водой 32
3.1.Изменение гранулометрического состава почвы при взаимодействии с мелиорантами 33
3.2.Удельная поверхность почвы - 38
3.3.Изменение агрегатного состава и водопрочности структуры почвы 40
3.4. Влияние мелиоранта на плотность почвы, плотность твердой фазы и пористость 51
3.5.Изменение вводно-физических характеристик 59
3.6.Влажность мелиорированных почв и оценка ее вариабельности 62
3.7.Влияние мелиорантов на целлюлозолитическую и протеолитическую активность каштановой супесчаной почвы 72
Глава 4. Ионно-солевой состав карьерной воды и мелиорируемых почв и состояние почвенных физико-химических систем 75
4.1 .Оценка оросительных качеств минерализованных карьерных вод 76
4.2. Ионно-солевой состав и состояние почвенно-поглощающего комплекса при орошении и внесении углей 83
4.3.Изменение равновесия в карбонатно-кальциевой и сульфатно-кальциевой системах 93
4АМоделирование солевого режима почв в связи с орошением 102
Выводы 110
Литература 114
Приложение 134
- Климат
- Агромелиоративная характеристика состава окисленных бурых углей
- Влияние мелиоранта на плотность почвы, плотность твердой фазы и пористость
- Ионно-солевой состав и состояние почвенно-поглощающего комплекса при орошении и внесении углей
Введение к работе
Актуальность работы заключается в том, что в карьеры открытой разработки бурых углей выходят минерализованные воды Гусиноозерского артезианского бассейна, залегающие в угленосном комплексе засоленных пород юрско-мелового времени. Они создают проблемы по их утилизации. Кроме того, с угледобывающей деятельностью связано накопление в виде промышленных хвостов окисленных бурых углей, характеризующихся низкими топливными показателями и не имеющих практического применения Они также создают экологические проблемы, тк размещены на поверхности в породных отвалах и служат источником загрязнения водных объектов, атмосферного воздуха и почв. Как источник органоминерального сырья они используются в незначительных объемах В связи с этим возникла необходимость экологически безопасной утилизации побочных продуктов карьерной разработки угля, используя карьерные воды для орошения, а окисленные бурые угли как физический мелиорант легких каштановых почв
Цель исследований - установление количественных закономерностей воздействия окисленных бурых углей и минерализованной карьерной воды на состав, физические свойства, ионно-солевые показатели и состояние физико-химических систем легких каштановых почв Для достижения этой цели поставлены следующие задачи
Изучить комплексное влияние окисленных бурых углей как физического мелиоранта и орошения минерализованной водой на гранулометрический, структурно-агрегатный составы и агрогидрологические свойства легких каштановых почв,
Выявить характер изменения солевого состава, катионообменной способности мелиорируемых почв и оценить параметры равновесия в карбонатно-кальциевой и сульфатно-кальциевой системах;
На основе концептуального и физического моделирования определить основные направления и вывести физико-химические параметры взаимодействия почв с мелиорантом и минерализованной водой и разработать прогноз изменения состава приоритетных ионов.
Защищаемые положения
сочетание орошения карьерными минерализованными водами с внесением окисленных бурых углей приводит к достоверному изменению соотношения гранулометрических фракций, оцененного с помощью функции энтропии, повышение содержания физической глины вызывает рост удельной поверхности твердой фазы и снижение количества эрозионноопасных микроагрегатов,
в мелиорируемой почве усиливаются капиллярные свойства, что вызывает заметное приращение влажности наименьшей влагоемкости, а дисперсия полевой влажности снижается и влажностный режим становится устойчивее; на основе установленных параметров статистического распределения влажности оценена возможность применения к ним закона нормального распределения,
состав карьерной воды не вызывает экологических негативов при орошении,
мелиорируемые почвы как по сумме, так и по составу токсичных солей и
количеству поглощенного натрия не превышают опасных пределов, при этом зоисходит нарушение физико-химического равновесия карбонатно-кальциевой и
сульфатно-кальциевой систем с тенденциями к разрушению почвенного кальцита и почвенных сульфатов кальция
Научная новизна- Диссертация является первой работой по комплексному применению бурых окисленных углей в сочетании с орошением минерализованными водами. Впервые в регионе бурые угли изучены как мелиорант легких каштановых почв С позиций агромелиоративной эффективности с применением математико-статистических методов изучено влияние комплексной мелиорации на изменения основных физических и гидрологических свойств почв Впервые показаны параметры энтропии гранулометрического состава, удельной поверхности и плотности заряда на твердофазной поверхности мелиорируемых каштановых почв Установленный факт снижения дисперсии полевой влажности легкой ксероморфной почвы при внесении бурых углей служит теоретической основой для аргументации их широкого применения в сухостепных ландшафтах, т к придает им необходимую инерционность и устойчивость Выявленные параметры статистического распределения влажности и установленный факт подчиненности эмпирических распределений нормальному закону дают научную базу для расширенного применения в практике почвенных, почвенно-гидрологических и земледельческих исследований общепринятых методов вариационной статистики без предварительного преобразования дат
Научное обоснование экологической безопасности применения карьерных вод позволяют перейти к широкому их применению в практике сельскохозяйственных мелиорации, что показано расчетами по практически всем существующим в настоящее время подходам и расчетным схемам. Разработанные математико-статистические зависимости позволяют прогнозировать изменения почвенных свойств под влиянием изученных мелиоративных мероприятий Впервые изучено состояние карбонатно-кальциевой и сульфатно-кальциевой систем, разработан прогноз изменения приоритетных ионов, в т.ч. при физическом моделировании.
Практическое значение заключается в том, что показывается реальный путь утилизации отходов угледобывающего производства, в настоящее время загрязняющих окружающую среду и дестабилизирующих ее состояние В результате экспериментальных исследований наработан практический опыт применения окисленных бурых углей как мелиоранта в сочетании с орошением минерализованной водой Результаты, обосновывающие применимость карьерных вод для орошения, полученные зависимости и др являются практически значимыми Отдельные результаты, положения и разделы работы могут быть включены в планы лекций и практических занятий студентов по основам мелиорации и рекультивации земель
Апробация работы Материалы диссертации апробированы на международных научно-практических конференциях «Научные основы сохранения водосборных бассейнов' междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ, 2003), «Ломоносов -2004» (Москва), «Устойчивое землепользование в экстремальных условиях» (Улан-Удэ, 2004), а также в работе школы-семинара молодых ученых «Проблемы устойчивого развития региона (Улан-Удэ, 2004)
Публикации- По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2
в рецензируемых журналах
Объем и структура диссертационной работы Результаты исследований изложены на 141 странице текста компьютерного набора. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, 11 приложений, она содержит 32 таблицы, 12 рисунков, библиография включает 220 источников, в том числе 7 на иностранных языках
Климат
Особенности климата Гусиноозерской котловины, как и климата всего Забайкалья, обусловлены геофафическим положением региона, находящегося в сфере контрастного воздействия - с одной стороны холодного фронта Якутского термического минимума, а с другой - жаркого и сухого воздуха центральноа-зиатских пустынь. Зимние погоды с резко пониженной температурой воздуха вызваны Азиатским антициклоном. Массированные дожди второй половины лета обычно выпадают при западном со стороны Атлантики переносе влажных воздушных масс. Тихоокеанский бассейн влияет на Забайкалье слабо, обычно с восточным переносом связано выпадение обильных осадков, вызывающих наводнения с периодичностью 1-2 раза за 10-12 лет в соответствии с солнечной активностью.
Для степных регионов характерна отрицательная среднегодовая температура воздуха (-0,5...-2,8С) при большой амплитуде ее колебания по сезонам года и в течение суток. В самом холодном месяце (январь) средняя температура воздуха колеблется от -20 до -35 С, при абсолютном минимуме, достигающем -40 ...-58С. В июле средняя месячная температура воздуха возрастает до 15-25С, а средняя максимальная достигает 34-39С. Столь большие сезонные термические контрасты позволяют характеризовать климат региона как резко континентальный (Приложение 1).
Количество осадков незначительно, как в твердом виде зимой, так и жидком - летом. За теплый период (апрель-сентябрь) выпадает 210-220 мм, чего явно недостаточно для получения высоких урожаев. Поэтому поиск источников для водозабора и орошение земель в этой зоне являются важнейшей задачей земледелия.
При небольшой годовой сумме атмосферных осадков (250-280 мм), распределение их крайне неравномерно. Засушливый период длится от весны (апрель-май) до начала июля, а в июле и августе выпадает 136-161 мм осадков, что составляет 47-57 % по отношению к годовой норме. Периодически наблюдаются весенние и раннелетние засухи различной интенсивности. Интенсивные случаются один раз в три года (Агроклиматический ..., 1974).
Зима протекает с большим количеством ясных дней и сильными морозами. Высота снежного покрова редко достигает 10 см.
Для характеристики радиационного режима приведем данные по актино-метрической станции Иволгинск (Приложение 1).
Величина суммарной солнечной радиации, приходящей в степные ландшафты, высокая. Она уже в марте составляет 10,1 ккал/см2, а в июле достигает максимума - 15,0 ккал/см2. В последующие месяцы интенсивность суммарной радиации резко падает. Годовая сумма суммарной радиации равняется 103,1 ккал/см .
Радиационный баланс в зимние месяцы отрицателен по величине. Наивысшего значения этот показатель достигает в июле (7,7 ккал/см2-мес). Всего за теплый сезон (апрель-сентябрь) сумма радиационного баланса составляет 35,4 ккал/см . Это количество остаточной радиации затрачивается на турбулентный теплообмен, теплопоток в почву и испарение. Последняя статья расхода наиболее энергоемка. Обычно она составляет 60-70% от величины радиационного баланса. Принимая, что единичное количество радиационной энергии вызывает фазовый переход вода-водяной пар в количестве 600 ккал/кг, определяем, что норма испарения воды в степных ландшафтах приблизительно соответствует 350-400 мм. Это означает, что примерная норма орошения степных почв Гусиноозерской впадины составляет 3000-4000 м3/га.
В годы исследований метеорологические условия были довольно неоднородными (рис. 1, 2, Приложение 2). Наиболее благоприятными условия тепла и влаги сложились в 2003-2004 гг. Май и июнь были не столь жаркими, как обычно, поэтому даже не очень обильные дожди меньше испарялись, хорошо промачивали почву и способствовали росту и развитию растений. В периоды онтогенеза растений в июле выпали обильные атмосферные осадки, которые продолжались в течение августа. Сентябрь характеризовался по количеству осадков и температуре воздуха как нормальный.
Если учитывать известную цикличность климата Забайкалья (Жуков, 1965, Куликов и др., 1997), из всех годов 8-11 летнего цикла к числу неблагоприятных для сельского хозяйства района относится 2005 г., который начался с резким набором высоких температур весной. О жесткости метеоусловий 2005 г. также свидетельствуют повышенные температуры вегетационного периода. Так в июле и августе средняя температура была выше на 1-2С по сравнению со среднемноголетними. Также отрицательно повлияли на влагообеспеченность почвы и меньшее количество выпавших осадков.
Таким образом, в годы исследований тепловлагообеспеченность почвы складывалась по-разному. Неравнозначность тепловлагоресурсов получало соответствующее отражение в проявлении почвенного плодородия, эффективности изучавшихся мероприятий и урожайности.
Агромелиоративная характеристика состава окисленных бурых углей
Ископаемые угли - твёрдые горючие полезные ископаемые осадочного происхождения. В состав ископаемые углей входят: органическое вещество — продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов, минеральные примеси (условно не более 50%) и влага. Угли залегают в земной коре в виде пластов, пластообразных и линзовидных залежей, имеют землистую, массивную, слоистую или зернистую текстуру; цвет от коричневого до чёрного. Угли - один из основных видов энергетического сырья. Доля их участия в мировом топливно-энергетическом балансе 30-35%. С 1950 по 1974 гг. мировая добыча угля увеличилась в 1,7 раза, превысив 3 млрд. т. Угли составляют основную часть (87,5%) прогнозных ресурсов ископаемого топлива Земли, оцениваемых величиной 12,8 триллиона т топлива условного (тут). На территории СНГ находятся крупнейшие ресурсы углей. Разведанные и прогнозные геологические запасы углей, отвечающих современным требованиям по качеству и мощности разрабатываемых пластов, составляют 5,7 триллиона т.
На территории Бурятии известно около 30 угленосных месторождений и площадей, размещённых в кайнозойских и мезозойских впадинах Прибайкалья и Забайкалья. Наиболее известные из них: Тункинская, Торская, Туг-нуйская, Гусиноозёрская, Удинская, Чикойская, Ушмунская и др. Балансовые запасы угля на территории республики оценены в 2631,7 млн. тонн, из них 1279,3 млн. тонн составляют бурые угли.
Оцененные запасы окисленных углей Гусиноозерского угольного месторождения превышают 3 млн. т. Эти угли находятся близко к поверхности, поэтому могут добываться открытым способом. Это до недавнего времени проводилось Холбольджинским угольным разрезом, а продолжается на Туг-нуйском угольном разрезе. В этой связи понятно, что все более острым становится вопрос об утилизации отходов разработки угольных месторождений.
Пористая структура и большой общий объем пор делают угли подходящим материалом, предположительно, для увеличения влагоемкости почв, улучшения соотношения почвенных фаз, возможно благоприятного изменения агрегатного и, может быть, химического состава и др.
Многие исследователи в своих работах (Лиштван, Зуева, 1982; Ефимов, 1986; Бахнов, 1982; и т.д.) показали, что в состав минеральной части бурых углей входят ряд первичных и вторичных минералов, привнесенных извне (кварц, полевые шпаты, магнетит, роговая обманка, слюда, пирит), либо образовавшихся в ходе самого процесса угле образования (опал, ряд гидрооксидов железа, минералы безводных оксидов железа, а также сидерит, вивианит и др.).
Гусиноозерские, Тункинские и Тугнуйские угли являются витринитовы-ми и характеризуются как твёрдые, хрупкие, относительно плотные, обладающие блеском и однородным видом.
Бурые угли Гусиноозерского месторождения представляют собой темную или черной окраски массу с пылеватой структурой, не имеющей запаха. Плотность твердой фазы 2,1 г/см3, плотность сложения 1,6±0,9 г/см3.
При залегании пластов углей вблизи поверхности, при вскрытии их в карьере, а также при хранении в штабелях происходит их окисление кислородом воздуха, пластовыми и атмосферными водами. Окислительное выветривание приводит к изменению химического состава и технологических свойств угля. Так, с ростом степени окисленности гусиноозерских и других бурых углей увеличивается выход летучих веществ. Следует отметить, что при понижении этого показателя увеличивается содержание углерода и уменьшается, как правило, содержание кислорода и водорода.
Окисленные бурые угли Гусиноозерского месторождения имеют следующий химический состав (табл. 5).
Важная составляющая ископаемых углей - «зола» - минеральный остаток после сожжения топлива. В большинстве случаев 98-99 % золы состоит из свободных и связанных в оксиды 9 элементов: железа, алюминия, титана, кальция, магния, натрия, калия, кремния и серы. Минеральные вещества ископаемых углей включает в свой состав редкие элементы. В углях установлены до 30 подобных элементов, в т.ч. бериллий, бор, скандий, иттрий, палладий, радий, платина и др. (Гофтман, 1963). Изучение свойств гусиноозерских углей, применяемых в опыте, показало, что в их составе присутствуют гуми-новые кислоты (ГК), которые обусловливают достаточно высокую концентрацию ионов водорода и понижают рН до 3,5-4,5. Выход ГК обычно составляет 35-70 %, содержание углерода составляет 61,1-63,0 %. Количество минеральных элементов, таких как Са, достигает 11,2 %; Р - 0,59; S - 0,57 %; К - 0,53 %; H - 3,5 %; N - 1,9 %; 0-44,1 %, зольность - 15,1 %.. Кроме этого в углях содержатся ряд биофильных микроэлементов: Си, Zn, Mg, Md, Со, редкоземельные элементы. Количество тяжелых металлов невысоко, в частности, не превышает ПДК в почвах.
Извлеченные на поверхность бурые угли оказываются в термодинамически неустойчивом состоянии и, подвергшись процессам гипергенеза, теряют свои потребительские свойства, расцениваясь уже как отходы угледобываю-. щего предприятия, загрязняющие ландшафт и снижающие его эстетическую привлекательность. Окисленные бурые угли, складированные в отвалах горного производства на Холбольджинском угольном разрезе, продолжающиеся складироваться по настоящее время на угольном разрезе ООО «Орхон», перенявшем эстафету у Холбольджинского разреза, а также на Тугнуйском угольном разрезе, представляют собой реальную угрозу экологической безопасности в целом Селенгинского среднегорья. Для снятия напряженности наиболее эффективным является воспользоваться полезными качествами этих отходов производства, в том числе используя их как мелиорантов легких маловлагоемких каштановых почв. Кислая реакция углей предполагает их применение в качестве мелиоранта на почвах, забуференных к кислотам.
Влияние мелиоранта на плотность почвы, плотность твердой фазы и пористость
Под плотностью или плотностью сложения почвы понимают массу. твердой фазы определенного объема ненарушенного сложения со всеми присущими этому объему трещинами, порами, пустотами, измеряемой величиной объемной массы. Этот параметр имеет немаловажное значение в регулировании водного, воздушного, теплового, питательного режимов, направленности и интенсивности микробиологических процессов.
Плотность твердой фазы почвы, измеряемая удельной массой, - есть среднее значение плотностей всех компонентов, слагающих твердую фазу почвы. Ее величина определяется минералогическим составом почвы и содержанием в ней органического вещества. От упаковки почвенных частиц. величина плотности твердой фазы не зависит. Кварц, полевые шпаты, большая часть глинистых минералов имеют плотность 2,6-2,7, железистые минералы (лимонит и др.) - 3-4; органическое вещество почвы - 1,2-1,4 г/см3. Поэтому малогумусные горизонты почв, как правило, имеют удельную массу в пределах 2,6-2,7, а гумусированные - 2,4-2,6 г/см3.
Многочисленными исследованиями выявлены параметры оптимальной плотности почвы, для основных сельскохозяйственных культур (Приложение 7). Для большинства культур она находится в пределах 1,1-1,3 г/см3. И.Б.Ревут (1972) рекомендует не допускать переуплотнения почв выше 1,25-, 1,35 г/см3. Оптимальные параметры плотности для мерзлотных лугово-черноземных почвы Бурятии выявлен А.И.Куликовым и др. (1986) в специальном полевом эксперименте.
Растения отрицательно реагируют, как на излишне рыхлое, так и на слишком плотное сложение. Наибольшую продуктивность они обеспечивают при оптимальной плотности почвы. Согласно оценочной шкале Н.А. Качинского (1965), пахотный слой черноземов с плотностью меньше 1,0 г/см3 характеризуется, как вспушенный, неблагоприятный в агрономическом отно-. шении, т.к. не обеспечивает достаточный контакт семян с почвой, что вызывает недружные всходы и падение урожайности.
От плотности почвы зависит степень использования осадков растениями. Так, во влажный период рыхлая почва впитывает больше воды, чем плотная, а в условиях засухи лучше сохраняется влага при более плотном сложении.
Высокие урожаи яровых зерновых культур на среднесуглинистых черноземах Сибири обеспечивались при плотности пахотного слоя 1,1-1,2 г/см3 (Шевлягин, 1965). В условиях лесостепи Иркутской области на черноземе-выщелоченном, оптимальная плотность для зерновых находится в пределах 1,0-1,2 г/см3 (Солодун, 1995).
Плотность сложения почвы зависит в первую очередь от агрегатного состояния и от факторов, определяющих рыхление или уплотнение (механическая обработка, работа роющей фауны, динамика увлажнения и иссушения, промерзания и оттаивания и т.п.). Органогенные горизонты имеют объемную массу меньше 1,0. для гумусовых горизонтов характерна величина 1,0-1,3 г/см3. В безгумусовых составляет 1,3-1,5. Песчаные почвы имеют, как правило, плотность сложения большую, чем почвы тяжелого гранулометрического состава, так как последние всегда в какой-то мере агрегированы. Оптимальные значения для большинства культур 1,1-1,2 на суглинистых и 1,2-1,3 г/см3 на песчаных.
Б.Н.Мичурин (1975) на строгой математической основе в моделях из шаров показал, что дисперсные системы в термодинамических условиях земной поверхности приобретают минимальную свободную энергию при гексагональной упаковке и, тем самым не может быть почв и осадочных пород, имеющих объемную массу более 2,0 г/см3, а порозность менее 26 %.
При орошении происходит увеличение объемной массы в результате-разрушения структурных частиц почвы (Зборищук и др., 1980; Крейда, Лядова, 1983). Это связано с качеством поливных вод и способом полива, прямым разрушающим влиянием струй воды, замещением поглощенного кальция на натрий, что ведет к диспергации почвенных коллоидов. Еще одной причиной может быть изменение гранулометрического состава в результате вымывания частиц илистой фракции.
В почвенном профиле плотность определяется литологическим строением и составом материнских пород, а также характером почвообразовательного процесса, в частности, мощностью гумусового слоя и количеством гумуса в нем, выраженностью иллювиальных горизонтов, окарбоначенностью, оглеенностью и др. (Почвенно-физические..., 1977). Также имеется проблема переуплотнения почвы сельскохозяйственной техникой, что в настоящее время занимает одно из первых мест в ряду других негативных антропогенных воздействий на окружающую среду. Например, переуплотнение черноземных почв привело к тому, что продуктивной влаги в метровом слое стало меньше на 50-60 мм, а недобор зерна составил до 6-7 ц/га (Доклад ЕЭК, 1984).
В процессе наших исследований установлено, что плотность твердой фазы на всех вариантах изменяется, но очень слабыми темпами (табл. 12). Это и понятно, т.к. плотность твердой фазы - наиболее консервативный признак. Имеющиеся различия в пределах 0,1-2,1 % происходят в результате, как было сказано выше, перераспределения илистых частиц при орошении. Внесение органического мелиоранта вызывает некоторое понижение величины плотности твердой фазы, т.к. при этом происходит частичное замещение ор-гано-минерального компонента почвы более легким материалом.
Что касается плотности почвы, то орошение вызывает ее заметное повышение. Относительно контроля плотность пахотного слоя на орошаемой площадке увеличивается на 2-5 %.
Сравнивая плотность сложения почвы на площадках орошения и с внесением углей с площадкой, где проводилось только орошение, можно заметить, что комплексная мелиорация, особенно высокими дозами угольного материала, вызывает небольшое рыхление почв, обусловленное улучшением структурно-агрегатных характеристик. Мелиоративно вызванное разрыхление приводит к понижению плотности наиболее показательного для этого слоя 0-10 см на 1-5% при применении малых доз мелкоизмельченного угля и 5-8% - при мелиорации более высокими дозами.
Внесение физического мелиоранта орошение явных признаков слити-зации не вызывает. Аномально высокие величины уплотненности (например, 1,45-1,50 г/см3) объясняются, возможно, физико-химическими изменениями в почвах, например, гидрофиллизацией коллоидов, образованием высокодисперсных почвенных полимеров, цементацией микроагрегатов, происходящих при орошении (Розанов, 1973;Ковда, 1973,1981,1985).
Для расчетов непараметрического критерия Фридмана данные по плотности почвы в программу «Снедекор» введены в виде целых чисел, т.е. без запятой (табл. 13). Здесь строки (фактор А) - испытанные варианты, столбцы (фактор В) - значения плотности по глубине и по годам. Расчеты показывают, что влияние орошения и внесение углей на плотность почвы достоверно по критерию Пирсона «Хи-квадрат» %2 уровне вероятности Р 0.95.
От величины плотности сложения почвы и плотности ее твердой фазы зависит общая пористость. Значениями общей пористости определяется вла-гоемкость, фильтрационные свойства, водоподъемная способность, аэрация почв.
Н.А. Качинский (1965) предложил выделять следующие диапазоны общей пористости почвы (в долях единицы объема):
- Отличная (культурный пахотный слой) 0,65-0,55;
- Удовлетворительная для пахотного слоя - 0,55-0,50;
- Неудовлетворительная для пахотного слоя 0,50;
- Чрезмерно низкая - 0,40-0,25.
Исследованные почвы находятся в диапазоне неудовлетворительной общей пористости. Наши данные согласуются с данными Г.Ф Колосова (1983). Близкие значения имеют каштановые почвы Баргузинской котловины (Почвы Баргузинской котловины, 1983).
При орошении без дополнительной физической мелиорации свойства почв по общей пористости дальше ухудшаются вследствие роста плотности. Внесение физического мелиоранта грубого помола несколько нейтрализует уплотнение почвы при орошении. Дальнейшее снижение пористости при внесении мелиоранта мелкого помола связано с тем, что частицы 0,001 мм легче перемещаются в нижележащие слои при орошении, чем мелиорант размерностью 1-3 мм.
Ионно-солевой состав и состояние почвенно-поглощающего комплекса при орошении и внесении углей
Изменение водного режима почв при орошении вызывает трансформацию их солевого состояния. В частности, при орошении в почве наблюдаются следующие явления:
1. Растворение и вынос оросительными водами за пределы почвенного профиля легкорастворимых солей, находившихся в почве;
2. Привнесение солей с оросительными водами и их осаждение;
3. Обменные реакции между солями оросительной воды и почвенного раствора с одной стороны и катионами почвенного поглощающего комплекса с другой;
4. Повышение уровня грунтовых вод и, как следствие, капиллярное подтягивание солей грунтовой воды в корнеобитаемую зону.
Засолению, в основном, подвержены почвы в районах с преобладанием жаркого сухого климата. Основной причиной галогенеза почв является процесс испарения вод. Качественный состав солей зависит от широты местности, что было выявлено В.А.Ковдой (1946). И.Н.Гоголев, РЛ.Баер (1986) показали, что тип почв также влияет на скорость соленакопления. Так, по данным этих авторов при прочих равных условиях в каштановых почвах за 10-25 лет орошения запасы солей повысились почти в 2 раза больше, чем в черноземных.
Н.А.Ногиной (1964) в котловинах Забайкалья отмечено два этапа в процессах засоления почв. Первый из которых, характеризуется накоплением солей, в том числе и легкорастворимых, в рыхлой толще и образованием карбонатных горизонтов в почвах периферийной части котловин. Преобладание-процессов выноса легкорастворимых солей и карбонатов характеризует второй этап солевого режима. Проявление второго этапа связывается с изменением климатических условий и с усилением дренированности территории котловин. Кроме того, поступление солей с окружающих территорий в настоящее время слабо выражено в связи с хорошо оформившимися руслами дренирующих рек. Автор, однако, не исключает возможности существования в Забайкалье других видов солевого режима, в частности она отмечает, что в регионе можно обнаружить почвы, находящиеся на любой стадии засоления и рассоления.
В ежегодно промерзающих почвах, к которым относятся почвы изученного района при промерзании соли вместе с водой перемещаются вверх к фронту промерзания. Соли продолжают перемещаться и в мерзлом слое под влиянием градиента температур. Эти явления прослежены многими авторами (Голяков, 1951; Ногина, 1964; Еловская и др., 1966; Сеньков, 1978; Куликов и др., 1999). Весной в этих почвах формируется сезонная надмерзлотная верховодка, из которой также происходит перекачка солей в верхние горизонты (Орловский, 1979).
Солонцы и солончаки в Забайкалье впервые отмечены еще участниками экспедиций Переселенческого управления (Короткий, 1916; Прасолов, 1927). Позже подробные исследования этих почв проведены И.В.Николаевым (1949). Свойства солонцов и засоленных почв также становились предметом изучения участников забайкальских экспедиций Совета по изучению производительных сил АН СССР (Уфимцева, 1960; Ногина, 1964). Специальные исследования солевого режима почв в Иволгинской котловине проведены Т.В.Королюк (1971,1972).
О масштабах засоления почв котловин Забайкалья можно судить по следующим цифрам (Борисенко, 1983): Тугнуйская впадина - 33500, Боргойская - 18800, Чикой-Хилокская -20500, Удинская - 25500, Поперечинская -19200, Кижингинская - 19900 га. В целом по Бурятии площадь в той или иной мере засоленных почв составляет более 200000 га. Однако эти площади в большей своей части относятся к вторично засоленным почвам, чьи минерализация и режимы существенно изменены человеком при орошении. При введении новых ирригационых систем, видимо, следует ожидать дальнейшего увеличения площади засоленных почв. Все это вызывает необходимость уже сейчас перейти к оптимизации и регламентации оросительных режимов с тем, чтобы в полной мере удовлетворить эколого-мелиоративным требованиям хозяйствования в регионе особого природопользования.
По нашим исследованиям, хлориды в профиле изученных почв до орошения составляют незначительное количество, также сульфаты обнаруживаются в небольшом количестве - 0,008 %. Основную часть анионов составляют бикарбонаты. Отсутствие гипсового горизонта Н.А. Ногина (1964) объясняет бедностью пород сульфатами, легкостью их гранулометрического состава и глубокой промачиваемостью и выщелачиваемостью почвенной толщи.
Согласно В.Г. До долиной (1972) предельное содержание ионов в водной вытяжке почвы не должно превышать следующих величин (в числителе -%, в знаменателе - мг-экв./100 г почвы): С032" 0,001/0,08; НС03 0,08/1,4; СГ 0,01/0,3; SO42"0,68/14,2. При этом допустимая минерализация почвенной вытяжки должна быть равна 1 -3 г/л.
Химический анализ свидетельствует, что при применении комплексной мелиорации содержание ионов не превышает вышеуказанных значений, степень засоления остается в пределах прежней градации. Однако, при опреде-" ленном повышении общего солесодержания происходит качественное изменение соотношения ионов.
Главным фактором накопления солей в наших опытах является полив минерализованной водой. Так, по сравнению с контролем содержание солей увеличивается на 34,5-103,4 % (табл. 24). Особенно значительный рост соле-запаса происходит при внесении повышенных доз угля обеих фракций, что свидетельствует о сопутствующем влиянии доз углей на соленакопление каштановых почв. Содержание прокаленного остатка не совпадает с расчи-танной суммой солей, что еще раз указывает на то, что его величина не полно отражает минерализацию вод (Зенин, Белоусова, 1988).
На основе данных водной вытяжки можно в соответствии с рядом растворимости последовательно связать ионы в гипотетические соли. Последовательность такова: Na COvMgCOyCafflCOiVNaHCOr- Mg(HCO02-CaS04- Na SO -MgSOd-NaCl-MgCb-CaCb: из этих солей токсичные подчеркнуты. Расчеты по построению гипотетических солей начинают с менее растворимых солей, выражая концентрацию ионов в эквивалентной форме.
Расчеты проводим по следующим трем схемам (Почвенно-мелиоративное ..., 1985; Зайдельман, 2003):
1. НС03" Са2+. Вычисляем остаток Са2+ после его связывания с НС03 : Cai2+= Са2+ (водная вытяжка) - НСОз" (общее) - SO/ (токсичных солей) = БО Сводная вытяжка) - Cai2+, т.е. этот остаток Cai2+ связывается с SO4 . Тогда сумму токсичных солей составляют: S токсичных солей % = [ Na+ + Mg + + C1 +S042" токсичных солей ];
2. НСОз" Са2+. Определяем излишек НС03", который входит в состав токсичных солей НСОз" (токсичных солей) = НСОз (общее) - Са +(водная вытяжка), т.е. весь кальций оказывается связанным с бикарбонатом. Сумму токсичных солей составляют 5" токсичных солей % = Na+ + Mg + + СГ + SO4" + НСОз" токсичных солей, т.е. в этом случае все интересующие нас сульфаты переходят в разряд токсичных.
3. SC»42" Са2+ . Также определяем избыток кальция после его связывания с бикарбонатом: Саі2+= Са2+(водная вытяжки) - НС03" (общее). Затем рассчитываем избыток этого катиона после связи с сульфатами, т.е. узнаем количество токсичных кальциевых солей (хлоридов): Са2+(токсичных солей) = [Са i2+- S042" (водной вытяжки)]. В данном случае весь запас сульфатов связан в нетоксичную соль CaSC 4. Отсюда сумма токсичных солей: S токсичных со-. лей % = Са2+токсичных солей + Mg2++ Na+ + СГ.