Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природные условия и почвы Джаныбекского стационара б
Глава 2. Литературный обзор 15
Глава 3. Объекты и методы исследования 59
Глава 4. Результаты и обсуждение 63
4.1. Изменение минерализации и состава грунтовых вод в ходе модельного опыта 63
4.2. Состав водных вытяжек из исходных образцов лугово-каштановой почвы и из образцов после взаимодействия с модельными грунтовыми водами 66
4.3. Активности ионов в суспензиях 1:2,5 в исходных образцах лугово-каштановой почвы и в образцах после проведения модельного эксперимента75
4.4. Состав фильтратов из насыщенных водой паст из исходных образцов лугово-каштановой почвы и образцов после проведения модельного эксперимента 78
4.5. Влияние степени разбавления на состав жидкой фазы 95
4.6. Содержание карбонатов в исходных образцах лугово-каштановой почвы и в образцах после проведения модельного эксперимента 97
4.7. Содержание гипса в образцах лугово-каштановой почвы после взаимодействия с МГВ 102
4.8. Минералогический состав плотного остатка фильтратов из паст и солевых аккумуляций, образовавшихся при взаимодействии лугово-каштановой почвы с МГВ 104
4.9. Состав обменных катионов в исходных образцах лугово-каштановой почвы и в образцах после проведения модельного эксперимента 106
4.10. Процессы взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными сульфатно-натриевыми грунтовыми водами и прогноз изменений этих почв в условиях подъема грунтовых вод 113
Заключение 115
Выводы 122
Список использованной литературы 125
Приложение 135
- Состав водных вытяжек из исходных образцов лугово-каштановой почвы и из образцов после взаимодействия с модельными грунтовыми водами
- Состав фильтратов из насыщенных водой паст из исходных образцов лугово-каштановой почвы и образцов после проведения модельного эксперимента
- Минералогический состав плотного остатка фильтратов из паст и солевых аккумуляций, образовавшихся при взаимодействии лугово-каштановой почвы с МГВ
- Процессы взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными сульфатно-натриевыми грунтовыми водами и прогноз изменений этих почв в условиях подъема грунтовых вод
Введение к работе
Актуальность темы. На территории Прикаспийской низменности с конца 70-х годов начался общий подъем уровня грунтовых вод, приводящий к засолению и осолонцеваниго всех компонентов почвенного покрова, в том числе - исходно незаселенных и несолонцеватых лугово-каштановых почв западин, формирующих в сочетании с солончаковыми солонцами на повышениях микрорельефа основной фон почвенного покрова. Подъем грунтовых вод и процессы засоления почв особенно быстро развиваются на территориях, непосредственно прилегающих к оросительным каналам, где грунтовые воды стоят на глубине 2-3 м и выше. Изучение реакций и механизмов взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными грунтовыми водами необходимо для прогноза изменения солевого состояния этих почв в условиях подъема уровня фунтовых вод. Этим определяется актуальность работы.
Цель работы — исследовать основные процессы взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными грунтовыми водами в условиях модельных опытов, имитирующих подъем уровня фунтовых вод на целинных участках, вне зоны влияния оросительных систем, и на территориях, прилегающих к оросительным каналам.
Задачи работы: 1. Проведение двух модельных лабораторных опытов по взаимодействию профиля лугово-каштановой почвы с фунтовыми водами, аналогичными по составу и уровню минерализации фунтовым водам на целинных участках и на территориях, прилегающих к оросительным каналам.
Оценка изменения количества и состава фунтовых вод в результате взаимодействия с почвой.
Оценка изменения содержания и состава легкорастворимых солей (по данным анализа водной вытяжки, суспензий 1:2,5 и фильтратов из паст) в разных генетических горизонтах почвы в результате взаимодействия с минерализованными фунтовыми водами.
4. Оценка изменения состава обменных катионов и степени проявления
солонцового процесса в разных генетических горизонтах почвы в результате
взаимодействия с минерализованными грунтовыми водами.
Оценка изменения содержания карбонатов и гипса в разных генетических горизонтах почвы в результате взаимодействия с минерализованными грунтовыми водами.
Выявление реакций и механизмов взаимодействия лугово-каштановых почв с грунтовыми водами и прогноз изменения этих почв при подъеме уровня грунтовых вод.
Объекты исследования - целинные лугово-каштановые почвы солонцовых комплексов Джаныбекского стационара.
Методология исследования — физическое моделирование, математическое моделирование, статистическая обработка имеющихся массовых данных.
Научная новизна. Впервые на основе модельного эксперимента выявлены реакции и механизмы взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными грунтовыми водами и составлен прогноз изменения этих почв при подъеме уровня грунтовых вод. Экспериментально показано, что при непрерывном капиллярном подъеме минерализованных сульфатно-натриевых грунтовых вод в профиле лугово-каштановой почвы в нижних горизонтах ВСа и ВСса основным процессом является вытеснение натрием обменного Са; часть Са, поступившего в раствор, осаждается в форме кальцита и гипса, а часть остается в жидкой фазе и перемещается в верхние горизонты с восходящим током раствора преимущественно в форме хлоридов. В верхнем горизонте происходит испарение влаги, концентрирование раствора и осаждение из раствора гипса и хлоридов Са и Mg в форме плохоокристаллизованньтх сильно гидратированных соединений, т.е. развивается хлоридно-магниево-кальциевое засоление.
Место и время сбора фактического материала: Джаныбекский
стационар, расположенный в северо-западной части Прикаспийской
низменности, был организован весной 1950 г. Он находится на границе
Уральской области Казахстана и Палласовского района Волгоградской области России. Поскольку территория Джаныбекского стационара типична для междуречья Волги и Урала в пределах северной части Прикаспийской низменности, выводы диссертации могут быть распространены на весь этот обширный географический регион. Основной задачей стационара вначале была разработка способов выращивания полезащитных лесных насаждений в исконно безлесной глинистой полупустыне с широким распространением засоленных почв. В дальнейшем стационар перешел к новой, более широкой задаче -разработке методов земледельческого освоения почв, в богарных условиях, с использованием системы агролесомелиоративных мероприятий.
Начиная с момента создания стационара весной 1950 года, на его территории проводились систематические почвенные исследования, глубокое изучение водно-солевого режима солончаковых солонцов. По солевому состоянию почв этих почв накоплен огромный фактический материал. Менее изучены другие почвы солонцового комплекса — лугово-каштановые.
Экспериментальный материал для настоящей работы был собран в сентябре 2002 года. Автор принимал непосредственное участие в проведении модельного эксперимента. Химические анализы, статистическая обработка полученных массовых данных, а также интерпретация полученных данных также принадлежат автору данной работы.
Благодарности: Автор выражает сердечную благодарность своему научному руководителю - профессору, доктору биологических наук Т. А. Соколовой за постоянное внимание и помощь в написании диссертации. Автор признателен к.б.н. М. Л. Сиземской и д.б.н. М. К. Сапанову за непосредственное руководство полевыми работами при сборе материала для диссертации. Также автор выражает благодарность к.б.н. Т. Я. Дроновой и к.б.н. И. И. Толпешта - за большую помощь в получении экспериментального материала и консультации, д.с/х.н. Н. Б. Хитрову - за ценные советы и консультации при составлении программы работ, к.с/х.н. Н. С. Никитиной — за помощь в проведении химических анализов, к.б.н. А. В. Колесникову, аспирантке С. Г. Борзенко за помощь в проведении полевых и лабораторных исследований.
Состав водных вытяжек из исходных образцов лугово-каштановой почвы и из образцов после взаимодействия с модельными грунтовыми водами
Таким образом, удалось достоверно обнаружить некоторое специфическое влияние солей на растения. При равных значениях осмотического давления почвенных растворов физические условия поступления воды в растения из растворов различных солей сходны, поэтому различия в скорости роста могут быть объяснены только их специфическим влиянием на другие свойства почв и растений. Поскольку в разбавленных растворах исследованных солей молекулы обычно диссоциированы на ионы, можно говорить о специфическом влиянии не только солей, но и ионов. Чем более высокое осмотическое давление раствора какой-либо соли (или иона) соответствует прекращению роста, тем сильнее выражено ее специфическое отрицательное влияние на почву и растения.
Не до конца понятным остаются причины различного эффекта хлоридов натрия и кальция в песчаной культуре и в дерново-подзолистой суглинистой почве: в песке NaCl оказывает меньший негативный эффект, чем СаСІг, а в дерново-подзолистой суглинистой почве наблюдается обратная ситуация (Судни-цын, Зайцева, 1999). Возможно, это связано с влиянием натрия на физико-химическими свойства почв: в суглинистой почве Na вызвал диспергирование почвы, освобождение поглощенного алюминия и подкисление раствора, тогда как в песке этот эффект отсутствовал.
Состояние наиболее чувствительных к хлору растений может ухудшаться, если содержание СГ в фильтратах из насыщенной водой почвенной пасты превышает 5-10 ммоль экв/л. Существует предположение, что ионы хлора, а возможно, и натрия, нарушают механизм, регулирующий транспирацию. Плодово-ягодные культуры имеют повышенную чувствительность к хлору и натрию. Имеются также сведения о повышенной чувствительности некоторых культур к «бикарбонатной токсичности». На практике она часто бывает связана с дефицитом определенного питательного элемента, например, железа, обусловленным высоким значением рН и присутствием СаСОз при постоянном использовании воды с повышенным содержанием бикарбоната. Для бобовых культур хлорид кальция наиболее опасен, чем хлорид натрия. Эти растения поглощают Са2+ за счет Mg2+ и К+, что приводит к нарушению баланса питательных веществ. Высокое содержание натрия может вызвать нехватку кальция и магния в балансе питательных веществ (Бреслер и др., 1987) и ухудшение азотного и фосфатного питания культур. В ряде случаев при оценке засоления необходимо дополнительно учитывать бор, интервал содержания которого менаду недостаточными и токсичными концентрациями для многих культур достаточно узок.
Карбонат натрия является наиболее токсичным по сравнению со всеми другими водорастворимыми солями (Базилевич, Панкова, 1972). Присутствие свободных карбонатов и бикарбонатов щелочей в почвах вызывает возникновение в них резко щелочной реакции. В. А. Ковда (1946) в качестве щелочных рассматривал почвы с рН выше 8,4 (рН обычно колеблется в интервале от 9 до 11) и общей щелочностью, превышающей 1 ммоль экв/100 г почвы. Уже при общей щелочности порядка 0,07% НСОз" и при рН 8,7 рост и развитие многих культурных растений ухудшаются. При рН 9,5 и щелочности 1% почти все культурные растения гибнут. Среди щелочных почв В. А. Ковда выделяет содовые, хлоридно-содовые и содово-сульфатные. В большинстве случаев, чем выше щелочность почв, тем больше содержание поглощенного натрия в составе обменных катионов.
Наличие высоких концентраций соды в водах (до 1 г/л) сильно влияет на растворимость и подвижность карбонатов кальция. Концентрация кальция в грунтовой воде резко снижается при сравнительно низких величинах общей щелочности. В присутствии бикарбоната натрия углекислый кальций еще сохраняет некоторую растворимость, но абсолютное преобладание нормальной соды приводит к практически полному исчезновению кальция из грунтовых вод. В районах щелочного соленакопления в почвенно- грунтовых водах кальций практически отсутствует, несмотря на наличие значительных масс карбонатов как в породе, так и в почвенных горизонтах. Таким образом, почвы содового засоления весьма неблагоприятны для сельскохозяйственного использования и нуждаются в мелиорации. Сода даже в малых концентрациях вызывает диспергирование почв, резкое ухудшение их физических свойств, что связано с внедрением ионов натрия в ППК. Повышенное содержание поглощенного натрия вызывает угнетение и гибель сельскохозяйственных и лесных культур. Косвенное неблагоприятное действие натрия связано с тем, что при повышенном содержании ионов натрия происходит ухудшение физических свойств почвы.
При высоком содержании в почвенном растворе как натрия, так и других ионов, обычно проявляется лишь физиологическое действие натрия, тогда как при низком общем содержании солей, но высокой доле растворенного натрия могут иметь место оба эффекта. Отрицательный эффект сочетания высокого значения отношения Na к Са и низкой концентрации солей в почвенном растворе уменьшается при меньшем насыщении почвы влагой.
Многочисленные исследования показали, что на водопроницаемость и, соответственно, на гидравлическую проводимость почвы сильно влияют концентрация солей в растворе и его состав, особенно - отношение натрия к кальцию. Набухание глинистых частиц в замкнутой системе вызывает уменьшение крупных почвенных пор, а диспергирование и миграция глинистых кристаллитов еще сильнее забивают поры.
Состав фильтратов из насыщенных водой паст из исходных образцов лугово-каштановой почвы и образцов после проведения модельного эксперимента
Физическое моделирование - это метод воспроизведения реального явления в наиболее удобном масштабе. Каждая физическая модель решает конкретную задачу на основе определенной совокупности данных. После этого результаты можно обобщить с охватом всего класса аналогичных задач (Бреслер и др., 1987).
Преимуществом модельных лабораторных опытов является возможность достоверного выявления влияние на изучаемый объект какого-либо одного или нескольких факторов при обеспечении постоянства остальных факторов, которые в природе обычно подвержены сильному варьированию во времени и в пространстве.
В литературе опубликованы результаты многих лабораторных опытов, в которых имитируются процессы засоления и рассоления почв.
Одним из первых такого рода модельные опыты проводил К. К. Гедройц (цит. по Ковда, 1937). Он показал, что свойства почв, образующихся при рассолении солончаков, зависит от соотношения кальция и натрия в составе солей и от состава соединения, в котором находится кальций. Более высокое содержаниє солей кальция, чем хлорида натрия, может обеспечить рассоление почвы, минуя стадии солонца. Такой же эффект оказывает и гипс; наличие карбоната кальция из-за его низкой растворимости не может полностью оградить почвы от осолонцевания.
В 1912 году К. К. Гедройц предложил теоретическое обоснование природы происхождения солонцового горизонта. На основании результатов модельных опытов по изучению физико-химических условий солонцеватости и искусственному осолонцеванию почвенных образцов он выявил тесную связь между физико-химическими свойствами почвенной массы и пептизируемостью ила. Он показал, что при насыщении почвенного поглощающего комплекса обменным натрием при низком содержании легкорастворимых солей и достаточном содержании почвенных коллоидов, свойства почвенной массы качественно изменяются в результате значительного повышения пептизируемости почвенных коллоидов.
Изучая роль хлоридного и сульфатного засоления, И. Э. Цилдас и А. Е, Иванов (1934, цит. по Ковда, 1937) в условиях модельных опытов показали, что засоление карбонатного почвенного материала хлоридами натрия ведет к развитию солонцеватости, а засоление сульфатами - к образованию гипса, но при этом солонцеватость не развивается.
В отношении влияния состава солей на последующий характер засоления-рассоления и осолонцевания интересен опыт Ковды (1937). Образцы карбонатного и бескарбонатного лессовидного суглинка засолялись IN растворами NaCl, Na2S04 и MgCb- Суглинки загружались в цилиндры, нижняя часть которых помещалась в раствор соли, а поверхность - нагревалась до 40-45 С. Соли с капиллярными растворами поднимались к поверхности и осаждались в виде корки. Затем цилиндры промывались порциями дистиллированной воды. Анализируя химический состав полученных фильтратов, автор отмечает, что сульфатные солончаки задерживают подавляющую часть обменного кальция и при рассолении не отдают, а хлоридные солончаки в большей степени отдают обменный кальций в раствор. Солонцеватость наиболее интенсивно проявляется у солонцов, развившихся из хлоридных солончаков, причем в группе хлоридных солончаков наибольшая солонцеватость развивается в случае засоления исходно карбонатного суглинка. Столь значительная разница в рассолении хлоридных и сульфатных солончаков объясняется различными формами соединений кальция, образующимися при засолении. В случае хлоридного засоления кальций связывается с хлором, образуя легкорастворимую соль СаСІ2, которая при рассолении выносится в несколько раз быстрее, чем гипс, образующийся при сульфатном засолении. Соответственно, в поглощающем комплексе больше остается обменного натрия, сразу же вызывающего сильную солонцеватость. В сульфатных солончаках при рассолении кальций сохраняется в профиле и, постепенно возвращаясь в ППК, снижает степень солонцеватости.
Так, по данным Г. П. Максимюк («Повышение продуктивности...», 1989) при промывке на больших воронках лессовидного карбонатного суглинка водой сульфатно-натриевого состава наблюдались обменные реакции между натрием поступающих растворов и поглощенным кальцием почвы с выщелачиванием образующегося СаСЬ Изучению состава почвенного раствора после взаимодействия незаселенного покровного суглинка с растворами NaCl и Na2S04 концентрацией от 1 до 20 г/л посвящены работы Р. И. Зайцевой, Н, Г. Минашиной, И. И. Судницына (Зайцева и др., 1996, Зайцева и др., 1997). Увлажнение растворами солей проводили до полной влагоемкости (ПВ). ЕКО суглинка была равна 22 ммоль экв/ЮОг, из которых 17 приходится на Са. В вариантах опытов с растворами хлорида натрия почвенные растворы получали прессом Ричардса в интервале давлений от 0 до 100 кПа, с растворами сульфата натрия - от 0 до 150 кПа. При Р = 1 кПа состав раствора совпадал с исходным, при увеличении давления обнаружены различия, особенно при переходе от давления 1 кПа к 3 кПа, когда начался процесс катионного обмена. Чем больше давление (чем меньше диаметр пор), тем больше в растворе Са и Mg и тем меньше Na, так как при повышении давления усиливается катионный обмен. Особенно большие различия наблюдались между вариантами опытов, проведенных в интервалах давлений 0-10 и 10-100 кПа, которые соответствуют диаметру пор 300-30 и 30-3 мкм. Чем шире поры, тем меньшая площадь их стенок приходится на единицу объема раствора, поэтому в меньшей степени осуществляются реакции катионного обмена. При взаимодействии почвы с растворами хлорида натрия в крупных порах концентрация Na была выше, чем в тонких, и возрастала по мере увеличения концентрации исходного раствора. Концентрация ионов СГ менялась незначительно и существенно не зависела от давления, вначале немного увеличиваясь — за счет нерастворяющего объема. При взаимодействии почвы с растворами сульфата натрия концентрация Na в крупных порах была в 1,1 раза выше, чем в тонких, по причинам, указанным выше. Концентрация сульфата была выше в крупных порах, чем в тонких, т.к. в тонких порах из-за более высокой концентрации Са происходило осаждение гипса. Концентрация Mg в растворе возрастала с уменьшением размера пор.
С, А. Николаевой с соавторами (Николаева и др., 1982) было исследовано взаимодействие минерализованной поливной воды с исходно незасоленным южным черноземом. Хлоридно-сульфатно-натриевая поливная вода после взаимодействия с незаселенными почвенными образцами превращается в хло-ридно-кальциевый почвенный раствор в результате реакций катионного обмена. При уменьшении размеров пор (повышении давления) отношение Na к сумме Са и Mg в поровом растворе снижается.
Из анализа этих работ следует, что при прочих равных условиях реакции катионного обмена (вытеснения натрием обменных Са и Mg) при взаимодействии насыщенной этими катионами почвы с хлоридно-сульфатно-натриевыми водами должны более активно протекать в наиболее тонких порах, т. е. при меньших влажностях почвы.
Минералогический состав плотного остатка фильтратов из паст и солевых аккумуляций, образовавшихся при взаимодействии лугово-каштановой почвы с МГВ
По данным литературного обзора, сделанного Т. А. Соколовой и И. И. Толпешта (1994) в природных условиях в засоленных почвах разных регионов земного шара были обнаружены различные ассоциации минералов легкорастворимых солей.
По данным Doner & Lynn (1989), в засоленных почвах Турции, были обнаружены: галит, мирабилит, тенардит, астраханит, эпсомит, гексагидрит. По данным других исследователей (Van Doesburg jan et al., 1982, Vergouwen, 1981) там также был обнаружен новый минерал - коньяит.
В засоленных почвах Ирана были идентифицированы галит и карналлит; в низовьях реки Колорадо в США в почвах было обнаружено большое количество минералов легкорастворимых солей: эпсомит, гексагидрит, пентагидрит, старкеит, кизерит, мирабилит, тенардит, лоевеит, астраханит, сода, трона, на-хколит, галит (Eswaran et al., 1980, цит по Harvie, Weare, 1980). В Северной Дакоте (США) L. P. Keller et al. (1986а, 19866) диагностировали следующую минеральную ассоциацию: мирабилит, тенардит, эпсомит, гексагидрит, коньяит, блоедит. По данным К. А. Меняйло и др. (1989) солевые новообразования в степных почвах Тургайского плато в Казахстане представлены гипсом, галитом и тенардитом. По данным О. А. Грабовской (1947), в засоленных почвах Вахшской долины Таджикистана обнаружены галит, бишофит, тенардит, эпсомит, гексагидрит, мирабилит, ангидрит, гипс; в почвах Голодной и Джизакской степи Туркестанского хребта (Панкова, Ямнова, 1987) — гипс, тенардит, глауберит.
Минералогические исследования солевых новообразований на поверхности засоленных почв в Северном Перу выявили присутствие трех минеральных ассоциаций: галит-трона-тенардит; галит-трона-тенардит-буркеит-пирсонит; галит-тенардит-эвгстерит (Mees, Stoops, 1991).
L. D. Whittig с соавторами (1982) исследовали методом рентгендифракто-метрии солевые аккумуляции в отложениях бассейна р. Колорадо, США. Глинистые соленосные морские сланцы этого района содержат в основном гипс, встречаются и минеральные ассоциации из сульфатов Са, Na и Mg: гипса, эп-сомита, гексагидрита, пентагидрита, старкеита, кизерита, лоевита, астраханита, мирабилита и тенардита; карбонатные отложения этого региона содержат минеральную ассоциацию солей, состоящую из соды, троны, нахколита и галита.
Дж. Гумуззио с соавторами (Gumuzzio et ah, 1982) исследовали почвы Центральной Испании, расположенные на бессточной равнине. В них идентифицировались 2 типа минеральных ассоциаций различного состава - в зависимости от сезона года. Зимой в составе солей преобладали мирабилит, тенардит, эпсомит, астраханит, летом - тенардит, астраханит. Грунтовые воды района исследования имеют сульфатно-натриевый состав. В сухой период их уровень находится на глубине 50-70 см. Во влажный период уровень грунтовых вод поднимается, распределение солей в профиле становится равномерным, почва насыщается водой. Было показано, что мирабилит трансформируется в тенардит при увеличении температуры и уменьшении влажности. Из-за своей меньшей растворимости, чем у тенардита, мирабилит имеет тенденцию оставаться в солевых аккумуляциях
По данным В. В. Царевского (1983), Т. А. Соколовой с соавт. (1985), М. Л. Сиземской (1985), Т. А. Соколовой, В. В. Царевского (1986) легкорастворимые соли в солончаковых солонцах Северного Прикаспия (Джаныбекский стационар ИЛ РАН) представлены преимущественно гипсом и астраханитом. Эти данные получены на основании рентген-дифрактометрического анализа новообразований легкорастворимых солей - солевого «мха», формирующегося при подсыхании почвы на стенках разрезов. Менее ясным является вопрос о том, какими минералами представлены в солончаковых солонцах хлориды, всегда определяемые в заметных количествах в водных вытяжках. Автором настоящего исследования также изучался минералогический состав легкорастворимых солей в солончаковых солонцах Северного Прикаспия (Володина, 2001, Володина и др., 2002, Володина, 2002а), и были получены следующие результаты: в составе плотного остатка водной вытяжки из горизонтов скопления солей диагностированы гипс, галит, глауберит, тенардит, аст-раханит, эпсомит, гексагидрит, и возможно (диагностируется по 1-2-м рефлексам), вантгоффит и мирабилит; в составе солевого «мха» — гипс, галит, мирабилит, астраханит и возможно, гексагидрит. В результате модельного эксперимента по засолению горизонтов В и Вса целинной лугово-каштановоЙ почвы (Володина, 20026, 2004) по данным рентген-дифрактометрического анализа в плотных остатках водных вытяжек преобладают гипс, галит, тенардит, астраханит, возможно присутствие также присутствие гексагидрита, глауберита и вантгоффита; в составе солевого налета — гипс, тенардит, астраханит, и возможно, гексагидрит.
Присутствие относительно большого числа минералов легкорастворимых солей в солевых аккумуляциях может быть объяснено отчасти лабильностью некоторых минералов и высокой скоростью, с которой они могут переходить друг в друга при изменении температуры и влажности. Эти исследователи также отмечают, что в некоторых случаях ассоциация мирабилит - эпсомит превращается при высушивании в ассоциацию тенардит — астраханит, а обратное превращение может произойти при увлажнении образцов и (или) снижении температуры. Такое поведение этих минералов-солей было отмечено также в работах Dreissen and School (1973, цит. по Whitu g et al., 1982).
Некоторые исследователи, используя метод рентгеновского фазового анализа, провели сопряженное изучение минералогического состава солевых новообразований и плотного остатка водной вытяжки, сделанного из тех же почвенных образцов. Так, К. А. Меняйло с совт. (1989), обнаружили и в солевых аккумуляциях, и в составе плотного остатка водной вытяжки из засоленных почв Северного Казахстана одни и те же минералы: галит и тенардит. Дж. Гумуззио с соавторами (1982) в скоплениях солей в почвах Испании и в плотном остатке также нашли одинаковые компоненты: тенардит и астраханит.
Процессы взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными сульфатно-натриевыми грунтовыми водами и прогноз изменений этих почв в условиях подъема грунтовых вод
Проведен модельный эксперимент в двух колонках, в которых в профиль исходно незасоленной лугово-каштановой почвы снизу в течение 10 месяцев непрерывно подавались минерализованные сульфатно-натриевые модельные грунтовые воды (МГВ), по минерализации и составу аналогичные естественным грунтовым водам под лугово-каштановыми почвами на целине («целинная» МГВ) и на орошаемом участке вблизи канала («приканальная» МГВ).
В результате проведенного опыта общая минерализация оставшихся модельных грунтовых вод не изменилась, но произошло изменение их состава: снизилось количество Na и Са и бикарбонат-иона и увеличилось содержание в воде К . Расчеты, сделанные с учетом изменения объема МГВ и их состава, показывают, что в условиях эксперимента из грунтовых вод в почву поступило 97% и 86% от исходного суммарного содержания солей в опытах соответственно с «целинной» и «приканальной» МГВ.
После воздействия «целинной» МГВ на исходно незасоленные лугово-каштановые почвы по степени и типу засоления, определенному по составу водной вытяжки, горизонт А1 характеризуется как сильно засоленный хлорид-но-магниево-кальциевый, АВ — слабо засоленный сульфатный (гипсовый) магниево-кальциевый, Вса — слабо засоленный сульфатный (гипсовый) натриево-кальциевый, ВСса- слабо засоленный сульфатный (гипсовый) натриевый.
После взаимодействия исходной лугово-каштановой почвы с «приканальной» МГВ по типу и степени засоления, определенному по составу водной вытяжки, горизонт А1 характеризуется как очень сильно засоленный хлоридно-магниево-кальциевый, горизонт АВ — слабо засоленный хлоридно-сульфатной магниево-кальциевый, горизонты Вса и ВСса — сильно засоленные сульфатные (гипсовые) натриевые.
В обоих вариантах опыта при воздействии на почву МГВ сульфатно-натриевого состава фиксируется отчетливое преобладание хлоридов Са и Mg в составе водной вытяжки из верхнего горизонта А1, т.е. происходит не только засоление почвы, но и изменение типа засоления по сравнению с МГВ. Эту закономерность можно объяснить вытеснением натрием обменного кальция из ППК и капиллярным подъемом обогащенной Са и Mg воды. Из анионов наиболее миграционно-способным является СГ, поэтому вверх движутся именно хлориды Са + и Mg +, и именно они накапливаются в верхнем горизонте при испарении влаги. Этому процессу способствует более высокая по сравнению с другими солями растворимость хлоридов щелочноземельных металлов. Аналогичная закономерность была выявлена последними исследованиями (Бычков, Сиземская, 2005) у верхней границы капиллярной каймы в лугово-каштановых почвах в условиях агролесомелиоративной системы.
Исходная лугово-каштановая почва характеризуется низкими значениями активностей ионов Na+, К+, Са2+ и СГ в суспензиях 1:2,5, которые измеряются десятыми долями ммоль/л, без существенной дифференциации по горизонтам. Только для иона К+ наблюдается закономерное снижение активности с глубиной. Под влиянием «целинной» и «приканальной» МГВ происходит отчетливое увеличение активности ионов Са2+, К+ и СГ в верхнем горизонте А1 и ионов Na+ — в нижней части профиля.
В фильтратах из насыщенных водой паст из исходных образцов лугово-каштановой почвы катионы представлены почти целиком Са и Mg, среди анионов преобладает бикарбонат-ион; существенной дифференциации какого-либо из ионов по профилю не наблюдается; фильтраты имеют низкую ионную силу (0,004-0,006 М/л) и, соответственно, низкие величины электропроводности ( 1 dSm"1). По индексам насыщенности (расчет по программе VMENTEQ) в образцах из бескарбонатных горизонтов наблюдается недонасыщенность жидкой фазы по кальциту, в карбонатных горизонтах фильтраты из всех образцов слабо пересыщены по кальциту. Образцы из всех горизонтов сильно недонасыщены по гипсу. Зависимость между рН и величинами карбонатной щелочности в карбонатных горизонтах удовлетворительно описывается карбонатно-кальциевыми равновесиями.
После взаимодействия образцов с «целинной» МГВ, во всех горизонтах концентрации всех ионов, кроме бикарбонат-иона, в фильтратах возрастают по сравнению с исходной почвой. Так же, как и в водной вытяжке, в самом верхнем горизонте А1 наблюдается отчетливое накопление хлоридов Са и Mg, в нижних горизонтах ВСа и ВССа несколько повышается концентрация Na+ и SO42" по сравнению с вышележащими горизонтами — соответственно до 22 и 30 ммоль экв/л. С развитием засоления в фильтратах возрастают значения ионной силы (данные расчета по VMTNTEQ) до 0,09-ОД моль/л в горизонте А1 и до 0,04-0,06 моль/л - в нижележащих горизонтах и величины электропроводности - соответственно до 5,6-6,8 и 2,7-4,1 dSm"1 в верхнем горизонте А1 и в нижней части профиля. По существующим градациям эти величины превышают критические значения для чувствительных и умеренно-чувствительных культур. По программе VMINTEQ рассчитано, что натрий, калий и хлор по всему профилю на 97-100% представлены свободными ионами Na+, К+ и СГ соответственно. Доля свободных ионов Са и Mg от общей концентрации этих элементов в фильтрате снижается от 87-90% в горизонте А1 до 67-81% в нижележащих го-ризонтах. Доля свободных SCU "-ионов от общей концентрации сульфатов возрастает от 50% в горизонте А1 до 70% в нижней части профиля. По индексам насыщенности фильтраты во всех образцах сильно пересыщены по кальциту, доломиту и арагониту и несколько недонасыщены по гипсу.
После взаимодействия образцов с «приканальной» МГВ во всех горизонтах концентрации всех ионов, кроме бикарбонат-иона, резко возрастают по сравнению с исходной почвой. В самом верхнем горизонте А1 наблюдается отчетливое накопление хлоридов Са и Mg, в нижних горизонтах резко повышаются концентрации Na+ и SO42". С развитием засоления в фильтратах возрастают значения ионной силы (данные расчета по VMINTEQ) до 0,2 моль/л в горизонте А1 и до 0,1-0,2 моль/л - в нижележащих горизонтах и величины электропроводности - соответственно до 10-11 и 9-13 dSm"1 в верхнем горизонте А1 и в нижней части профиля. Эти величины ЭП по принятым градациям превышают критические значения для умеренно-толерантных и даже для толерантных культур.
Похожие диссертации на Реакции и механизмы взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными грунтовыми водами в условиях модельного опыта
