Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мелиорация и рациональное использование земель северного прикаспия 7
1.1. Локальное падинное переложное земледелие 8
1.2. Богарное земледелие на фоне глубокой мелиоративной вспашки 9
1.3. Агролесомелиорация 10
1.4. Регулярное орошаемое земледелие 13
1.5. Обводнение земель Северного Прикаспия 20
1.6. Выводы 21
Глава 2. Природные условия джаныбеской равнины северного прикаспия 22
2.1. Географическое положение 22
2.2. Геолого-геоморфологическое строение 24
2.3. Рельеф 27
2.4. Климат 36
2.5. Гидрографические условия 51
2.6. Растительный и почвенный покровы 51
2.7. Морфологическая структура ландшафта 63
2.8. Выводы 65
Глава 3. Объекты и методы исследований 67
3.1, Объекты исследований 67
3.2. Методы исследований 68
Глава 4. Засоленность почв солонцовых комплексов 72
4.1. Источники и эволюция засоления почв на территории Прикаспийской низменности 72
4.2. Солевая характеристика почв солонцовых комплексов на первую половину XX века 75
4.3. Солевая характеристика почв солонцовых комплексов по данным 2001-2003 гг 81
4.4. Выводы 101
Глава 5. Оценка направленности водно-солевых процессов в замкнутых геосистемах солонцовых комплексов северного прикапия на основе математического моделирования 103
5.1. Обзор математических моделей влаго-солепереноса в почвах 103
5.2. Схематизация природных условий 110
5.3. Описание математической модели влаго-солепереноса «Джаныбек» 112
5.4. Определение параметров и оценка адекватности модели влаго-солепереноса «Джаны бек» 122
5.5. Обсуждение результатов моделирования водно-солевого режима в замкнутых геосистемах солонцовых комплексов 130
5.6. Выводы 140
Глава 6. Пути использования земель северного прикаспия 141
6.1. Обсуждение результатов моделирования водно-солевого режима в целинных мезокатенах 142
6.2. Обоснование выборочного (локального) орошения почв падин 152
6.3. Изменение темноцветных почв падин под влиянием орошения 167
6.4. Орошаемые культуры на почвах падин 169
6.5. Техническое обеспечение режима орошения 171
6.6. Выводы 172
Выводы 174
Список использованной литературы 176
Приложение 186
- Богарное земледелие на фоне глубокой мелиоративной вспашки
- Геолого-геоморфологическое строение
- Солевая характеристика почв солонцовых комплексов на первую половину XX века
- Определение параметров и оценка адекватности модели влаго-солепереноса «Джаны бек»
Введение к работе
Актуальность темы. Первый аспект темы - описание направленности водно-солевых процессов в целинных почвах Северного Прикаспия. Эта весьма актуальная научная проблема до настоящего времени в данном регионе не рассматривалась, хотя в последние годы она привлекает наибольшее внимание исследователей и имеет не только научное, но и практическое значение. К настоящему времени накоплено большое количество данных о генезисе, свойствах, эволюции и особенностях засоления почв Северного Прикаспия. Данных же о направленности процесса рассоления-засоления целинных почв Северного Прикаспия на современном этапе их развития немного. В основном эти данные базируются на эмпирических сведениях - на сравнениях характеристик засоленности почв по отдельным или серии разрезов, полученных разными авторами в разные годы.
Второй актуальный аспект темы связан с решением проблемы рационального использования земель Северного Прикаспия. Она имеет давнюю историю, тем не менее до настоящего времени остается не решенной. В разные исторические периоды данную проблему пытались решать по-разному. В ХУШ в. земледелие основывалось на богарном использовании больших падин - плоских неглубоких депрессий (до 1-1,5 м) с незаселенными черноземовидными темноцветными почвами и пресными грунтовыми водами. В падинах размещались посевы зерновых культур, бахчи и плодовые сады. Однако падины составляют около 10-15% всей территории. Потребность в расширении посевных площадей обусловила освоение межпадинных пространств, которые вследствие комплексности их почвенного покрова и господства солончаковых солонцов, требуют предварительной мелиорации. Апробация различных направлений мелиорации почв солонцовых комплексов в XX в. не дала четкого представления, какое из них является наиболее рациональным. В работе делается попытка обосновать возможный путь рационального использования земель Северного Прикаспия с целью повышения продуктивности растительной биомассы естественных пастбищных угодий и создание кормовой базы, способствующей развитию животноводства на основе выборочного орошения больших падин.
Цель работы. Основной целью исследований является описание водно-солевых процессов в целинных почвах Северного Прикаспия на основе математического моделирования и обоснование одного из способов рационального использования земель Северного Прикаспия. В соответствии с основной целью работы решались следующие задачи.
Задачи работы:
1. Изучить на основе литературных и фондовых материалов особенности
природных условий и опыт земледельческого использования земель Северного
Прикаспия.
-
Оценить на основе литературных и фондовых данных метеостанции Джа-ныбек климатические показатели и их изменения за первую и вторую половины XX в.
-
Идентифицировать """""' трч..,*грг г„„ ..п..^лд1.,„. и проверить адекватность двумерной модели вл нвС^ЛеШЯДйМУМЛвах микрокомплекса.
sa:
СПетсрб рт л I 1)Э !» vfr
-
Оценить направленность и дать количественный прогноз водно-солевым процессам в целинных почвах солонцового комплекса и почвах падцн с учетом разной степени увлажненности изучаемой территории.
-
Оценить возможность выборочного (локального) орошения почв падин с точки зрения водно-солевого режима.
Научная новизна. Впервые установлены особенности миграционных процессов в почвах микро- и мезокатен ландшафта Северного Прикаспия: стабилизация галогеохимической емкости ландшафта Северного Прикаспия наступает примерно через 100 лет после начала перераспределения солей при стабильных внешних условиях. Результаты моделирования подтвердили ранее зафиксированный факт подъема уровня грунтовых вод на 2 м [Соколова и др., 2000, 2001, 2003; Топунова, 2003 и др.] в результате изменения климатических условий (увеличение общей увлажненности) на исследуемой территории, начиная с конца 70-х гг. XX в. Эти изменения привели не только к подъему уровня грунтовых вод, но и увеличению суммарного испарения на всех элементах рельефа, что вызвало перераспределение солей внутри ландшафта. Результаты моделирования на конец XX в. показывают, что происходит тенденция засоления нижней почвенно-грунтовой толщи аккумулятивно-элювиальных фаций на фоне рассоления верхней метровой толщи почв элювиальной (солончаковых солонцов) и трансэлювиалыюй фаций (светло-каштановых почв). Прогнозные результаты на 2040 г. показывают, что при существующих погодных условиях, и соответственно при глубинах грунтовых вод примерно 5-5,5 м, будет происходить дальнейшая тенденция глубинного засоления ранее незаселенных аккумулятивно-элювиальных фаций. Верхняя 1 м почвенная толща элювиальной и трансэлювиальной фаций будет рассоляться.
На основе математического моделирования изучены водно-солевые процессы в условиях выборочного (локального) орошения почв падин, количественно выявлена роль «сухого» дренажа при орошении падин разной площади и предложен режим орошения этих почв.
Практическая значимость работы заключается в разработке предложений по сельскохозяйственному использованию земель Северного Прикаспия на основе прогностического моделирования водно-солевого режима в условиях выборочного (локального) орошения. Предложен режим орошения, при котором не допускается вторичное засоление почв и подъем уровня грунтовых вод до критических глубин (среднемноголетняя оросительная норма - 3000 м3/га, в сухие годы она может достигать 5200 м3/га при поливной норме 50-55 мм). Результаты моделирования орошения почв падин с разной площадью показали нецелесообразность орошения очень больших падин - более 80 га или 25% площади мезокатены, т.к. это может привести к негативным эколого-мелиоративным последствиям.
Апробация. Основные положения диссертации доложены на научно-технических конференциях МГУП в 2002- 2004 годах; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России» (Москва, 2004), Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов аграрных образовательных и научных уч-
реждений «Молодые ученые - сельскому хозяйству России» (Москва, 2004); ГУ съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004); на ежегодной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2004), а также на заседаниях отдела «Генезиса и мелиорации засоленных почв» Почвенного института им.В.В.Докучаева (2001-2004 гг.). Результаты исследований использованы в отчетах по проектам РФФИ (проекты №01-04-48093), а также в проектах МАС в рамках проекта РФФИ (№02-04-06513, №03-04-06674).
Публикации: По результатам исследований подготовлено и опубликовано: 12 статей, из них 7 в печати, 2 тезиса.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и приложения; изложена на 214 страницах машинописного текста, включая 28 страниц приложения, содержит 43 таблицы и 43 рисунка. Список использованной литературы включает 153 наименований, в том числе 18 иностранной.
Автор выражает глубокую признательность руководителю работы д. т.н., проф. А.И.Голованову. Автор искренне благодарен за ценные советы, поддержку и критические замечания главному научному сотруднику отдела генезиса и мелиорации засоленных почв Почвенного института им. В.В.Докучаева д.с.-х.н. Е.И.Панковой, а также начальнику Джаныбекского стационара Института лесоведения РАН к.б.н. МЛ.Сиземской; сотруднику Джаныбекского стационара к.б.н. М.К.Сапанову за предоставленную возможность сбора материала и использования неопубликованных данных; зав. отдела генезиса и мелиорации засоленных почв Почвенного ин-та им.В.В.Докучаева д.с.-х.н. Н.Б.Хитрову и другим сотрудникам Почвенного ин-та им.В.В.Докучаева, оказавшим содействие в сборе и обсуждении материала диссертации. Автор благодарен мл.н.с. ИЛ РАН, к.б.н. А.В.Колесникову, Н.Н.Бычкову, к.б.н. И.В.Топуновой за помощь в проведении полевых исследований.
Богарное земледелие на фоне глубокой мелиоративной вспашки
Второе направление земледельческого использования территории Джаны-бекской равнины получило свое развитие в 30-50-е годы XX века. Богарное земледелие охватило не только территории больших падин, но и межпадинные водоразделы, занятые почвами солонцового комплекса. А.Ф.Болыпаков, В.М.Боровский (1937) установили, что солончаковые солонцы содержат в своем профиле на глубине 30-40 см гипс., который можно использовать при распашке для «самомелиорации» солонцовых почв. На основе опытных работ (1935 г.) были разработаны принципы мелиорации солонцов, сущность которых сводилась к использованию почвенного гипса путем вовлечения его в пахотный горизонт в результате вспашки на глубину 45-50 см с применением плантажного или трехъярусного плуга. Механическое разрушение солонцового горизонта и перемешивание его с надсолонцовым и верхней частью подсолонцового засоленного и загипсованного горизонта улучшает физические свойства почвы повышает их водопроницаемость [Большаков, 1952]. С улучшением водопроницаемости повышается количество поступающей воды в почву, в результате чего природный непромывной водный режим солонцов переходит в категорию периодически промывного. Изменение водного режима способствует рассолению солонцов. Такой способ мелиорации солонцов был использован в производственных условиях в Палласовском районе Волгоградской обл., где вспашка трехъярусным плугом давала прибавку урожая пшеницы в 2-3 ц/га, по сравнению с обычной богарой, К 1983 г. такая вспашка в Палласовском районе была применена на площади около 10 тыс. га [Большаков, 1983]. Подробное описание системы агротехнических приемов при мелиорации солонцов в богарных условиях приводится в соответствующей литературе [Рекомендации по мелиорации и богарному освоению почв полупустьганого комплекса северной части Прикаспийской низменности, 1977 и др.].
Однако анализ результатов многолетнего опыта по самомелиорации солонцов при богарном земледелии показал, что влаги для растворения гипса и удаления солей из верхней части почвенного профиля, особенно в засушливые годы, не хватает. Необходимо было найти дополнительный источник влаги. Так возникла идея создания полезащитного лесоразведения на почвах солонцового комплекса.
Третье направление земледельческого использования почв солонцового комплекса стало особенно активно развиваться на севере Прикаслия в 40-50-е гг. в связи с Постановлением Совета Министров СССР от 20 октября 1948 г. [Собрание Постановлений и Распоряжений Совета Министров СССР, 1948]. Согласно этому постановлению намечалось создание системы крупных государственных защитных лесных полос «в целях преодоления губительного влияния суховеев на урожай сельскохозяйственных культур, предохранения от выдувания плодородных почв Поволжья, Северного Кавказа, ЦЧО и улучшения условий этих районов в течение 1950-1965 годов».
Всего было намечено 8 Государственных защитных лесных полос разной протяженности, проходящих через лесостепную, степную и полупустынную зоны. Намечалось также развитие защитных лесонасаждений на полях колхозов и совхозов. В 1948 г. была организована Комплексная научная экспедиция в системе АН СССР. Научным руководителем Комплексной экспедиции был академик В.Н.Сукачев, начальником экспедиции - профессор С.В.Зонн.
Одной из главных задач экспедиции было определение возможности создания государственных лесных полос в полупустыне, т.е. в особенно трудных гфиродных условиях, в которых опыт защитного лесоразведения либо отсутствовал вовсе, либо был совершенно ничтожным. Было принято решение об организации в этих природных зонах специальных стационаров для разработки способов вьфащивания лесозащитных насаждений и подбора культур, способных адаптироваться к данным природным условиям. В начале 1950 г. был организован Джаныбекский стационар, расположенный в южной части трассы государственной лесной защитной полосы Чапаевск-Владимировка.
Сотрудниками Джаныбекского стационара изучалось влияние полезащитного лесоразведения на почвы солонцового комплекса, цель которого - получение дополнительного увлажнения за счет-накопления снега, сдуваемого с прилегаюїцих к лесополосе территорий. В настоящее время на территории Джаны-бекского стационара находятся 2 опытных массива площадью 10 га и 20 га, состоящих из однорядных полос вяза мелколистного (Ulmus ршпїіа L.) и отличающихся друг от друга межполосным расстоянием (40 м и 56 м); а также 2-км отрезок Государственной лесной полосы Чапаевск-Владимировка. За годы (1950-2003 гг.) работы стационара была разработана технология посадки лесных и кустарниковых насаждений;, были выбраны наиболее засухо- и соле-устойчивые культуры; изучалось влияние лесопосадок на водный и солевой режим почв межполосных пространств и занятых под лесными насаждениями, а также на почвенные свойства и в целом на эволюцию экологических условий.
Благодаря длительности опытов (более 50 лет), в настоящее время стало возможным оценить результаты агролесомелиоративного способа земледельческого межполосного («узкомассивного») освоения почв солонцового комплекса в богарных условиях. В публикациях, обобщающих сведения об эффективности лесных полос как накопителя влаги, дана оценка по влиянию на повышение урожайности сельскохозяйственных культур в условиях полупустыни, а также оценка влияния агролесомелиорации на почвы солонцового комплекса. Все исследователи, работающие в этом направлении (АА.Роде, А.Ф.Большаков, Г.П.Максимюк, Г.С.Базыкина, И.Н.Оловянникова, М.Л.Сиземская, М.К.Сапанов и др.) отмечают следующее. На фоне агролесомелиорации за счет получения дополнительного увлажнения почв под лесополосами и в межполосных пространствах (шириной 300 м, 40 м и 56 м) происходят изменение водного режима и влагообеспеченности почв, Это приводит к изменению направленности природных почвообразовательных процессов и, в первую очередь, к рассолению и рассолонпеванию почв. Наиболее четко эти процессы проявляется на солонцах [Базыкина, Титова, 1993; Максимюк, 1974, Романенков, 1989; Си-земская, Соколова, Соколова, 1989; Сиземская 1991и др.].
Состав почвенно-поглощаюшего комплекса (ППК) в результате агролесомелиорации претерпел изменения: в целинных условиях ион Na+ составлял до 50% ППК, в пахотном слое мелиорируемых солонцов его доля уменьшается до 6-10%, большая часть (60%) ГЯЖ щжходится на долю иона Са2+ [Базыкина, Оловянникова, 1996; Романенков, 1989]. По данным Г.С.Базыкиной, НА.Титовой (1993), состав органического вещества мелиорируемых солонцов также изменяется. Что касается водно-физических свойств мелиорируемых солонцов под лесополосами и в межполосных пространствах, то они также меняются в процессе агролесомелиорации - уменьшается значение влажности завядания (ВЗ), увеличивается диапазон активной (продуктивной) влаги, таким образом, улучшается способность солонцов обеспечивать растения влагой [Базыкина, Оло-вянникова, 1996].
Геолого-геоморфологическое строение
Прикаспийская низменность сформировалась в пределах древней тектонической впадины Русской платформы [Гидрогеология, 1970]. Наиболее глубокая часть впадины занята Каспийским морем. На протяжении всей геологической истории, начиная с палеозоя и заканчивая современной эпохой, территория Прикаспийской низменности испытывала периодическое влияние морских трансгрессий и регрессий, когда обнажалось обсыхающая поверхность дна моря.
Впадина заполнена мощной (более 4 км) толщей морских и континентальных осадков. Начало их накопления относится к палеозою, В неогеновый и четвертичный периоды морские фазы преобладали над континентальными. В неогене наиболее глубокими и обширными были плиоценовые моря (акчагыльский и ашперонский бассейны древнего Каспия). Отложения апшеронского яруса (ЭДар) распространены повсеместно в Прикаспийской низменности и представлены морскими осадками. Они залегают с размывом на акчагыльных породах и представлены преимущественно плотными голубоватыми глинами с прослоями песков и имеют мощность от 10-15 до 500-600 м.
В течение плейстоцена выделяются три основные трансгрессии - бакинская, хазарская и хвалынская, которые разделены периодами осушения Прикаспийской низменности. Четвертичные отложения развиты повсеместно и представлены по генезису аллювиальными, морскими и эоловыми образованиями. Нижнечетвертичные (бакинские) отложения являются наиболее древними четвертичными породами. Они расположены в восточной части территории и представлены морскими синевато-серыми и светло-серыми плотными засоленными глинами с прослоями и линзами песков общей мощностью до 8 м.
Среднечетвертичные (хазарские) отложения имеют практически повсеместное распространение. Накопление морских отложений обусловлено хазарской трансгрессией Каспийского моря, которая заливала только южную часть низменности. Представлены они преимущественно тонко- и мелкозернистыми песками с подчиненными прослоями суглинков и глин. Общая мощность хазарских отложений составляет 9 м.
Последняя хвалынская трансгрессия Каспия привела к затоплению всей впадины, включая ее северные окраины. По мере отступления моря, дно, сложенное засоленными морскими раннехвалынскими отложениями, обсыхало, начался современный континентальный этап ее развития - процесс накопления континентальных осадков. Южная граница обсохшей равнины проходила примерно, по нулевой отметке, к югу от которой отмечается резкая смена отложений. Эти осадки являются почвообразующими породами. В литологическом отношении осадки этого периода очень разнообразны: от песков и супесей на юге до тяжелых желто-бурых лессовидных суглинков в центральной и северной частях Прикаспийской низменности. Общая мощность хвалынских отложений 20-25 м. Позднехвалынские отложения представлены главным образом супесями и песками, наличие которых подразумевает возможное подпитывание со стороны этих отложений или наоборот (коэффициент фильтрации - от 1 до 10-20 м/сутки, [Никитин, 1972]). Верхнечетвертичные (хвалынские) отложения в Прикаспийской низменности подразделяются на древнехвалынские, нижнехва-лынские и верхнехвалынские морские слои и ательскую континентальную свиту (рис .2.2).
Хвалынские отложения карбонатны, гипсоносны, слабо засолены. Даже в наиболее засоленных почвах - солончаковых солонцах - содержание солей, начиная с глубины 3 м, быстро убывает книзу и на глубине 6 м не превышает, как правило, 0,1-0,2% [Роде, Польский, 1961]. Относительно небольшую степень засоления хвалынских осадков (1,0-0,5%) можно объяснить невысокой соле-носностью морской хвалынской воды (8-10 г/л). Однако в зоне аэрации засоленность усилилась до 1,5-1,8% в зависимости от континентальных условий, а в зоне насыщения понизилась (до 0,6-0,3%) под влиянием многовековых процессов диффузионного выщелачивания глин [Приклонский, Окнина, 1956; Зате-надская, 1970].
Для примера приведем описание буровых скважин, заложенных на территории Северного Прикаспия вблизи Джаныбекского стационара. Общая мощность хвалынских суглинков их достигает 16-17 м. Глубже залегают суглинки, переслаивающиеся тонкозернистыми песками. На глубине 20-30 м залегают тонкозернистые бурые пески, подстилаемые суглинками темно-серого цвета с песчаными прослойками, различающиеся по составу, степени минерализации и мощности, (табл.2Л). По данным И.ПГерасимова (1937), ВА.Ковды (1950), В.В.Егорова (1974) и др. неоднократное отступление морской береговой линии древнего Каспия сопровождалось активной деятельностью древней, большей частью дельтовой, сети рек Волги, Еруслана, УзенеЙ и других рек, впадающих в Каспий.
В связи с этим четвертичные толщи рыхлых осадков Прикаспийской низменности, помимо морских отложений, широко представлены слоями древних аллювиально-дельтовых, лагунно-морских и других отложений, В.А.Ковда (1950) считает, что значительная часть хвалынских отложений в междуречье Волги-Урала переработана речной сетью и перекрыта последующей аллюви-ально-озерной и дельтовыми отложениями, в основном древней Волги. Прикаспийская низменность - это наклоненная в сторону моря плоская безводная и бессточная равнина с абсолютными высотами у окраин низменности 45-50 м и снижающимися к югу до -28 м. Плоская поверхность Джаныбекской равнины осложнена крупными бессточными падинами и отдельными замкнутыми лиманами - это мезоформы рельефа. Глубина падин колеблется от 0,5 до 1-1,5 метров, площадь падин варьирует от 1 до 100 и более га (рис.2.3); глубина лиманов не превышает 1,5-2 м, а площадь достигает иногда нескольких км . Общая площадь падин в пределах Джаныбекской равнины составляет 10-20%. На рис. 2.3 отражено расположение падин в районе Джаныбекского стационара Института лесоведения РАН. М.В.Габченко (2003) на основании космических снимков была проведена оцифровка контуров падин с автоматическим подсчетом площадей на общей площади 6425 га. Всего на территории Джаныбекского стационара и его окружения находится: 57% падин площадью от 1 до 10 га; 24% падин площадью от 10 до 20 га; 12% падин площадью от 20 до 30 га; 4 % падин площадью 38 га; 3% падин площадью 48 га. Падины и лиманы, по мнению А.Г.Доскач (1979), могут характеризоваться разным генезисом. Происхождение их может быть связано с исходной неровностью поверхности обсохшего дна Хвалынского моря, т.к. в течение четвертичного периода Прикаспийская низменность неоднократно заливалась водами древнего Каспия, 15 тыс. лет назад море поднималось до высоты +50м и затопляло всю Прикаспийскую низменность и предгорную равнину Кавказа [Свиточ, 1997], с древними эрозионными процессами, с современными и древними суф-фозионными процессами.
Солевая характеристика почв солонцовых комплексов на первую половину XX века
Охарактеризуем солевое состояние почв солонцовых комплексов на первую половину XX в. на основе осредненных данных анализов водных вытяжек [Роде, Польский, 1961] по 6 скважинам солончаковых солонцов элювиальной фации, 2 скважинам светло-каштановых почв трансэлювиальной фации и 7 скважинам темноцветным почв аккумулятивно-элювиальной фации. Все почвенные разрезы были заложены в районе Государственных лесополос до их посадки. Эти разрезы А.А.Роде и другие считали вполне представительными для изучаемого района, которые характеризуют целинные почвы Джаныбекского стационара. Осредненные данные анализов водных вытяжек по этим разрезам приведены в табл. 4.1, 4.2, 4.3.
По данным А.А.Роде, М.Н.Польского (1961) в разрезах, на основе которых дана характеристика засоления почв на период наиболее засушливых 50-х гт, грунтовые воды были вскрыты на глубине около 6-7 м, таким образом почвы относились к категории луговато-степных комплексов. По Л.В.Будиной (1964), луговато-степные комплексы характеризуются расположением грунтовых вод на глубине 5-7 метров. В этом случае увлажнение почв осуществляется в основном пленочно-капиллярными токами, а капиллярная кайма лежит ниже кор-необитаемого слоя. Рассмотрим особенности засоления сопряженных фаций доминантного урочища Джаныбекского стационара.
Элювиальные фации являются господствующими фациями доминантного урочища, как было сказано выше, занимающие 50 % площади водоразделов. Грунтовые воды элювиальной фации были зафиксированы на глубине 7 м, минерализация воды 5 г/л, по составу солей воды относились к хлоридно-сульфатно-кальциево- натриевым. АА.Роде (1961) указывал, что минерализация воды этой фации может достигать 10-20 г/л.
Анализ солевого профиля этих солонцов позволил констатировать, что надсолонцовый и солонцовый горизонты (до глубины 20 см) незасолены; в слое 20-30 см отмечено среднее хлоридно-сульфатное (сульфатное) засоление (по токсичным солям), ниже в первом подсолонцовом горизонте засоление резко возрастает до очень сильной степени (табл.4.1.). Такая высокая степень засоления сохраняется до 2,5-3 м, состав солей сульфатно-натриевый. Ниже с глубины 3 м до 5 м засоление снижается и глубже 5 м становится слабым. В слое 5-7 м содержание иона хлора на уровне слабого засоления также, как и содержание токсичных сульфатов. На фоне токсичных солей в профиле солонцов выделяются горизонты, в которых присутствует гипс. Это первый подсолонцовый горизонт (с 30 до 80 см) и далее второй подсолонцовый горизонт и собственно гипсовый горизонт до глубины « 2,5 м, на глубине 4,5-5 м также выделятся отдельный горизонт с повышенным содержанием гипса, глубже 6 м гипс в материнской породе отсутствует.
Анализируя солевой профиль солонца, можно констатировать, что это солончаковый солонец, так как соли в токсичных, хотя и небольших количествах обнаруживаются уже в верхнем 30-см слое. С 30 до 250 см расположен горизонт максимального скопления солей преимущественно сульфатно-натриевых. Здесь же обнаруживается и максимум хлоридов. Ниже, до 500 см залегает переходный горизонт, в котором содержания солей уменьшается, состав солей остается сульфатным. С глубины 600 см содержание солей резко падает. Почвы вскипают, чаще всего (50% случаев) в нижней части солонцового горизонта, т.е. на глубине «30 см. Максимум карбонатного горизонта (5-6% веса сухой почвы) в виде белоглазки расположен на глубине 80-90 см, т.е. на границе первого и второго подсолонцовьгх горизонтов, далее содержание карбонатов снижается до 4,75%.
Состав обменных оснований солончакового солонца свидетельствует о наличие поглощенного натрия в солонцовом горизонте (до 30-58% от емкости поглощения), но при этом в нижней части морфологически выраженного солонцового горизонта присутствуют легкорастворимые соли, что свидетельствует о том, что процесс засоления охватил уже сформировавшийся ранее солонцовый горизонт. Следует указать на еще одну специфическую особенность солонцов Джаныбекского стационара - низкую общую щелочность, только в солонцовом горизонте она превышает 1 ммоль-экв/100 г, но при этом никаких следов соды не обнаружено.
По АА.Роде, М.НЛольскому (1961), источником легкорастворимых солей в солонцах являются минерализованные грунтовые воды, в которые соли поступают за счет диффузии из нижележащих морских отложений. Согласно вышеизложенной эволюции почв Прикаспийской низменности, первоначальное формирование горизонтов аккумуляции солей в профиле солонцов на глубине 0,3-2,5 м связано с луговой стадией развития почвы, когда верхняя граница капиллярной каймы находилась близко в поверхности, и почва представляла собой солончак. В дальнейшем в связи с понижением уровня Каспийского моря, который являлся базисом эрозии, уровень грунтовых вод понижался и соли были отмыты из надсолонцового и солонцового горизонтов. Отрыв верхней границы капиллярной каймы от зоны ежегодного промачивания (20-30 см) привел к формированию сухого засоленного горизонта с «пескообразной» структурой.
Далее рассмотрим особенность засоления светло-каштановых почв траысэ-лювиальной фации (габл.4.2.). Почвы формируются на таких же породах, что и солонцы. Грунтовые воды были вскрыты на глубине около 7 метров. Минерализация их оказалась близкой к грунтовым водам под солонцами, по составу солей воды более хлоридные (сульфатно-хлоридного, хлоридно-сульфатного). Сопоставление засоления по общей сумме солей и сумме токсичных солей, перешедших в водную вытяжку, свидетельствует о том, что в отличие от солонцов светло-каштановые почвы до глубины 70-80 см не содержат легкорастворимых солей. Глубже 1 метра содержание солей возрастает, но в меньшей степени, чем в солонцах, начиная с 5 м и до 7 м сумма солей остается в пределах 0,4-0,5%, т.е. отмечается даже более высокое засоление, чем на этой же глубине в солонцах. В целом общее содержание солей в светло-каштановых почвах меньше, чем в солонцах. Засоление отмечается примерно на 80-100 см, т.е. верхний метр опреснен, почвы относятся к среднепрофильнозасоленным солончаковатым. Токсичные соли в горизонте максимального скопления солей на глубине 1,5- 2 метра содержат 1-1,4 % токсичных солей, в то время как в солонцах в наиболее засоленном слое 0,5-2 метра почвы содержат 2% токсичных солей. По содержанию гипса, перешедшего в водную вытяжку, светло-каштановые почвы также как и солонцы характеризуются сульфатно-натриевым засолением, при этом практически в пределах всего профиля отмечается присутствие гипса. По распределению карбонатов светло-каштановые почвы заметно не отличаются от солонцов.
Анализ солевого профиля темноцветных почв западин свидетельствует о том, что почвы до 7 метров не засолены, сумма токсичных солей 0,2%. По общей сумме солей в отдельных горизонтах наблюдается повышение ее до 0,3-0,7 и даже 1%. Но, как правило, это связано с гипсосодержащими горизонтами, которые переходят в водную вытяжку до 1%, По всему профилю до 7 м содержание хлоридов ниже токсичного уровня (0,3 ммоль-экв/100 г). Токсичное значение сульфатов также практически отсутствует в профиле почв (табл.4.3). Заканчивая характеристику засоления почв по материалам А.А.Роде на сухой период 50-60-х гг. XX века, можно констатировать, что почвы солонцового комплекса резко различаются по засолению: почвы западин промыты от солей до 7 метров, светло-каштановые почвы склонов не содержат солей до глубины 80-100 м от поверхности, далее в слое 1-4 м содержание солей возрастает, а на \ глубине 5-7 м понижается до слабого-среднего засоления. В профиле солонцов солевой максимум отмечается в слое 0,5-2 м, ниже количество солей понижается и на глубине 6-7 м почвы становятся слабозасоленными или практически незаселенными.
Определение параметров и оценка адекватности модели влаго-солепереноса «Джаны бек»
Практическая ценность и достоверность решения задач по передвижению влаги и растворимых веществ в пористых средах в значительной степени зависит от точности определения водно-физических и гидрохимических параметров, являющихся коэффициентами вышеуказанных дифференциальных уравнений. Движение влаги и растворенных веществ в зоне аэрации — сложный процесс, на который большое влияние оказывают минералогический и гранулометрический составы, геометрия порового пространства, гидродинамическая дисперсия, растворение кристаллов солей, ионный обмен между поровым раствором и скелетом почвы, химические реакции и т.д. Пока не представляется возможным установить количественное влияние каждого из этих многочисленных факторов в отдельности на процесс движения влаги и растворимых веществ. Обычно ограничиваются нахождением основных параметров, ощэеделяющих процесс и интегрально учитываюших влияние этих факторов. К числу основных гидрохимических параметров относятся параметры, характеризующие фильтрационную гетерогенность и особенности структуры почв; гидродинамическая дисперсия А,, коэффициент конвективной диффузии DK = DM + Ця\, коэффициент эффективной пористости шэ, и параметры, характеризующие физико-химическую гетерогенность почв [Айдаров, 1985]. Для моделирования водного и солевого режимов в почвах ландшафта Северного Прикаспия определялись показатели, характеризующие погодные условия (осадки, испаряемость), гидрофизические свойства почвы по генетическим горизонтам (плотность, пористость, параметры для расчета ОГХ, коэффициент фильтрации, максимальная гигроскопичность, предельная полевая влаго-емкость), а также параметры, характеризующие растения (глубина корнеоби-таемого слоя, биологический коэффициент, транспирация, распределение корней по глубине)
В нашей работе обобщение имеющихся литературных материалов по водно-физическим свойствам почв позволило принять для них осредненные значения. Гидрофизические параметры были взяты из работ [Роде, 1963; Роде, Польский, 1961]. Исходные данные для каждой почвы представлены в табл. 5.1. Характеристика растительного ценоза, транспирация, распределение корней взяты из работ [Каменецкая, 1952; Оловянникова, 1966, 1976]. Расчет влаго-солепереноса в замкнутых геосистемах солонцовых комплексов проводился при двух вариантах амплитуды микрорельефа - 0,5 и 0,25 м и при одинаковой площади геосистемы - 314 м2. Расчеты при меньших амплитудах (до 0,1 м) не проводились из-за нарушения условия замкнутости геосистемы солонцовых комплексов. При моделировании влаго-солепереноса в замкнутых геосистемах солонцовых комплексов было условно принято, что все три типа почвы имеют одинаковое исходное солончаковое засоление (0,71-0,76%), которое характеризует степень засоления почвообразующих хвалынских суглинков. Ежегодное весеннее увлажнение принималось согласно А.А.Роде [1963]. Как уже было сказано выше, основной причиной различия между тремя сопряженными фациями солонцовых комплексов является величина весеннего приращения влаги, которая на элювиальной фации едва превышает половину суммы осадков за холодное время года, в трансэлювиальной фадии равна этой сумме, а на аккумулятивно-элювиальной - превышает в 2 раза.
Это различие подтверждается балансовым расчетом, с учетом того, что площадь элювиальной фации в два раза больше площадей, занимаемых трансэлювиальной и аккумулятивно-элювиальной фациями, например: (200 мм х 0,25) + (100 мм х 0,25) +(50 мм х 0,5) - 100 мм, т.е. сумма осадков за холодное время года (100 мм) перераспределяется с учетом неравномерного распределения снега и весеннего стока по элементам микрорельефа. Таким образом, в модель закладывались ежегодные значения весеннего увлажнения для каждой фации отдельно. Для аппроксимации основной гидрофизической характеристики (ОГХ) почв разных фаций использовали основные гидрологические характеристики: максимальная гигроскопичность, пористость, высота капиллярного подъема, глубины грунтовых вод. Рассчитав для каждого типа почвы эпюру равновесной влажности, мы сравнили ее с измеренными полевыми данными А.А.Роде, М.Н.Польского (1961). Результаты представлены на рис. 5.3. с высокими коэффициентами детерминации (0,74-0,86). Кривые, характеризующие зависимость полного потенциала влаги от влажности почвы (весовые проценты на абс. сухую навеску) приведены на рис. 5.4. соответственно для солончакового солонца, светло-каштановой и темноцветной почвы. Результаты первой серии расчетов на период 50-х гг. XX в. позволили провести проверку модели по следующим показателям для каждой фации: суммарному испарению (рис.5.5.), глубинам грунтовых вод (рис. 5.6.), запасам солей. Суммарное испарение мы сравнивали с рассчитанными по балансовым уравнениям из работы А.А.Роде, (1963). По результатам моделирования, в среднем суммарное испарение несколько меньше, чем по данным АЛ.Роде (1963): на аккумулятивно-элювиальной фации - 322 мм (с амплитудой по годам от 250 до 392 мм) и более высокие на трансэлювиальной фации - 255 мм (с амплитудой по годам от 190 до 307 мм) и на элювиальной фации - 233 мм (с амплитудой по годам от 173 до 278 мм) (рис. 5.5). По данным А.АРоде (1963) за 1951-1960 гг., суммарное испарение в среднем на аккумулятивно-элювиальной фации составило 421 мм (с амплитудой по годам от 365 до 555 мм), на трансэлювиальной фации - 290 мм (с амплит гдой по годам от 203 до 402 мм) и на элювиальной фации - 210 мм (с амплитудой по годам от 146 до 454 мм). Таким образом, сравнение суммарного испарения показало удовлетворительную сходимость теоретических (модельных) и рассчитанных показателей, коэффициент корреляции составил 0,6-0,65. Глубины грунтовых вод сравнивали по измеренным на водно-балансовых площадках на определенные даты [Роде, 1963] с расчетными средними по фациям глубинами грунтовых вод на эти же даты, т.к. модель рассчитывает суточные значения глубин грунтовых вод для каждой фации (рис. 5.6). Сравнение теоретических (модельных) и измеренных глубин грунтовых вод показало также удовлетворительную сходимость, коэффициент корреляции равен 0,65-0,70. Запасы солей на разных фациях на период 50-70 х гг. XX в. сравнивали с данными Роде, Польского (1961), на период конца XX в. - по собственным полевым материалам и опубликованным данным [Соколова и др., 2000, 2002, 2003; Топунова, 2003] (табл.5.2).
