Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности вопроса моделирования водно-солевого режима почв 8
1.1. Основные процессы, определяющие водно-солевой режим почвогрунтов 8
1.2. Методы математического моделирования влаго- солепереноса 12
1.3. Методы оценки солевого состояния почв 14
1.4. Гидрогеолого-мелиоративная изученность Саратовского Заволжья
1.5. Изучение биоценозов в условиях техногенеза 2.1
Глава 2. Почвенно-климатические условия, объекты и методика проведения исследований 23
2.1. Природные условия 23
2.2. Объекты исследований 30
2.3. Методика проведения исследований 3 8
Глава 3. Влияние различных систем использования земель на солевой режим темно-каштановых почв Заволжья 41
3.1. Влияние уменьшения водоподачи на солевой режим почвогрунтов
3.2. Влияние прекращения орошения на солевой режим почвогрунтов длительно орошавшихся земель, находящихся в сельскохозяйственном использовании 66
3.3. Влияние вывода земель из категории пахотных на солевой режим длительно орошавшихся почв
Глава 4. Влияние негативных последствий ирригационного техногенеза на биоценозы сухостепного Заволжья 90
4.1. Влияние неблагоприятного водно-солевого режима на характер формирующихся растительных сообществ
4.2. Влияние водно-солевого режима на ферментативную активность почв
Глава 5. Адаптация модели SWAP для условий Саратовского Заволжья
5.1. Модель SWAP 144
5.2. Моделирование солевого режима с помощью модели SWAP 152
5.2.1 Исходные данные для моделирования 153
5.2.2. Результаты моделирования 156
Глава 6. Экономическая эффективность использования модели SWAP для прогнозирования солевого режима орошаемых земель
Выводы 165
Предложения производству 168
Список литературы
- Методы математического моделирования влаго- солепереноса
- Методика проведения исследований
- Влияние прекращения орошения на солевой режим почвогрунтов длительно орошавшихся земель, находящихся в сельскохозяйственном использовании
- Влияние водно-солевого режима на ферментативную активность почв
Введение к работе
Широкое развитие орошения в Поволжье позволило в конце восьмидесятых годов XX века решить многие проблемы сельскохозяйственного производства. В то же время искусственное орошение явилось сильным антропогенным фактором влияния на окружающую среду, в первую очередь на почву, подземные и поверхностные воды. На орошаемых территориях изменился водный, солевой и тепловой режимы зоны аэрации, уровень залегания и минерализация грунтовых вод. Эти изменения на значительной части поливных земель носили неблагоприятный характер и приводили к снижению почвенного плодородия. Так, спустя тридцать лет после начала широкой ирригации в Поволжье, в начале девяностых годов XX века, совпавших с периодом наибольшего развития орошения, в поволжских областях насчитывалось значительное количество мелиоративно неблагополучных земель по уровню грунтовых вод (УГВ), по УГВ и засолению. Грунтовые воды поднялись до критических отметок в Самарской области на площади 5,4, Саратовской - 14,0, Волгоградской - 7,9, Астраханской - 6,5 тыс. гектар. Площадь мелиоративно неблагополучных земель по УГВ и засолению составила по областям соответственно 3,6; 11,0; 9,0 и 7,7 тыс. гектар; засоленных земель - 4,7; 13,9; 37,5; 30,7 тыс. гектар. В результате ухудшения мелиоративной обстановки продуктивность орошаемых агроландшафтов региона не превышала 20-70% от потенциально возможной.
В период экономического кризиса, начавшегося в 1990-х годах, произошло значительное сокращение площади орошаемых земель. В первую очередь списывали мелиоративно неблагополучные орошаемые земли. Несмотря на это, из оставшихся в настоящее время в Саратовской области на балансе 257,3 тыс. га орошаемых земель 7,3% отличаются различной степенью солонцеватости, 2% - засолены, на 1,4% - грунтовые воды залегают на глубине менее 2 метров.
Для эффективного использования и контроля состояния оставшихся поливных земель и земель, перешедших в разряд неорошаемых, а также выведенных из категории пахотных необходимо изучение закономерностей изменения водно-солевого режима почв после уменьшения объема водоподачи, прекращения орошения или сельскохозяйственного использования; установление особенностей флористического состава ценозов, формирующихся на выведенных из категории пахотных мелиоративно неблагополучных землях. Без этого невозможно прогнозирование эколого-мелиоративного состояния и продуктивности мелиоративных агроландшафтов региона, необходимого для повышения качества проектирования оросительных систем, разработки экологически безопасных систем их эксплуатации, создания комплексного, в том числе биологического, мониторинга земель.
Для прогнозирования солевого режима почв на основе его моделирования нужны исследования по адаптации моделей водно-солевого режима почвогрунтов для условий региона.
К настоящему времени достаточно много исследований посвящены влиянию длительного орошения на водно-солевой режим зональных почв, в то время как характер его изменения при уменьшении водоподачи, прекращении орошения и сельскохозяйственного использования практически не изучен. Не установлены и особенности флористического состава ценозов, формирующихся на выведенных из состава пашни засоленных землях, которые могут быть использованы для их биологического мониторинга.
Поэтому настоящая диссертационная работа посвящена изучению почвенно-мелиоративных процессов при изменении характера использования длительно орошавшихся, в том числе мелиоративно неблагополучных земель, разработке основ их биоэкологического мониторинга и адаптации моделей влагосолепереноса к природно-климатическим условиям сухостепного Заволжья.
Цель и задачи исследований: Цель исследований - изучение солевого режима темно-каштановых почв и флористического состава цензов для восстановления потенциала мелиоративно-неблагополучных земель.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: -Изучение изменений водно-солевого режима темно-каштановых почв после уменьшения водоподачи, прекращения орошения или выведения земель из категории пахотных. -Изучение особенностей флористического состава цензов, формирующихся на землях, выведенных из категории пахотных, характеризующихся различными последствиями влияния ирригационного техногенеза на водный и солевой режимы почвогрунтов.
-Изучение влияния водно-солевого режима на ферментативную активность темно-каштановых почв Саратовского Заволжья.
-Адаптация модели SWAP для условий Саратовского Заволжья и прогнозирование водно-солевого режима темно-каштановых почв на основе моделирования влаго-солепереноса для обоснования способов возврата мелиоративно неблагополучных земель в сельскохозяйственный оборот
Научная новизна Изучены закономерности изменения солевого режима длительно орошавшихся темно-каштановых почв Саратовского Заволжья в результате 14-20-тилетнего воздействия уменьшения водоподачи, прекращения орошения и выведения земель из категории пахотных. Установлены характер и структура флористического состава ценозов, формирующихся на землях, выведенных из категории пахотных, в зависимости от степени выраженности и особенностей негативных последствий влияния на них ирригационного техногенеза, на основе чего установлены биологические индикаторы мелиоративного состояния почв региона. На основе моделирования влаго-солепереноса с использованием модели SWAP, адаптированной для условий Саратовского Заволжья, выполнено прогнозирование водно-солевого режима темно-каштановых почв после изменения характера их эксплуатации.
Практическая значимость работы. Применение в сельскохозяйственном производстве Саратовского Заволжья установленных особенностей водно-солевого режима темно-каштановых почв, формирующихся растительных ассоциаций, обеспечивает повышение эффективности использования пашни и возврат в разряд пахотных списанных земель. Использование для прогнозирования солевого режима темно-каштановых почв модели SWAP повысит качество проектов строительства и реконструкции оросительных систем в регионе и комплексного мониторинга земель. Реализация результатов исследований. Выполненный локальный геоинформационный мониторинг земель сельскохозяйственного предприятия сухостепной зоны Заволжья, определенные закономерности и прогноз водно-солевого режима, а также биологические индикаторы засоления и установленные регрессионные зависимости содержания токсичных солей от обилия маревых и бобовых внедрены в 2005-2006 гг. в ЗАО «Новое» (Энгельсский район Саратовской области) на площади 2500 га.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-практических конференциях разных уровней: международных -«Молодые ученые сельскому хозяйству России» (Оренбург, 2005); «Проблемы производства продукции растениеводства на мелиорированных землях» (Ставрополь, 2005); всероссийских - посвященных 117 и П8 годовщинам со дня рождения Н.И. Вавилова (Саратов, 2004, 2005, 2006), «Агроэкологические проблемы сельскохозяйственного производства» (Пенза, 2005), «Профессиональное образование в России: Какими мы будем?» (Москва, 2005), «Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути реализации» (Москва, 2005) и конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова» (Саратов, 2005,2006).
Основные положения, выносимые на защиту:
- Особенности влияния разных систем эксплуатации на водно-солевой режим темно-каштановых почв Саратовского Заволжья.
- Биологические индикаторы мелиоративного состояния темно-каштановых почв сухостепного Заволжья, разработанные на основе особенностей флористического состава цензов, формирующихся на выведенных из сельскохозяйственного использования земель, характеризующихся различными последствиями влияния ирригационного техногенеза.
- Закономерности влияния водно-солевого режима на ферментативную активность темно-каштановых почв Саратовского Заволжья.
- Прогнозы водно-солевого режима мелиоративно неблагополучных темно-каштановых почв Саратовского Заволжья, разработанные с помощью модели SWAP, адаптированной к природно-климатическим условиям региона.
Методы математического моделирования влаго- солепереноса
При мелиоративной оценке засоленных почв особое значение имеет их характеристика по типу химизма (качественному составу солей) и степени засоления.
В России было сделано много попыток создания геохимических классификаций почв по типу засоления (С.Н. Тюремнов, 1929, Н.Н. Банасевич и др., 1934, Е.Н. Иванова, А.Н. Розанов, 1939, О.А. Грабовская, 1947, В.Р. Во-лобуев, 1948, 1957, ЮЛ. Лебедев, 1951, Н.И. Базилевич, 1953, В.А. Ковда, В.В. Егоров и др., 1960 , Л.Г. Еловская и др., 1966, Н.И. Кондорская, 1967, Н.И. Базилевич, ЕЛ. Панкова, 1968) (22).
При выделении типов химизма почв одни авторы базируются на величинах отношений главнейших анионов: Cl/S04, НСОз /Cl+SOj и т.д., другие -содержании токсичных ионов.
Исследователи С.Н. Тюремнов, 1929; В.Р. Волобуев, 1948, 1957; В.А. Ковда, В.В. Егоров, B.C. Муратова и БЛ. Строганов, 1960, считают более удобным использование процентного соотношения ионов. Так, С.Н. Тюремнов, 1929, к хлоридному типу засоления относит почвы, содержащие более 40% С/ от плотного остатка, сульфатно-хлоридному 25-40%, СУ; хлоридно-сульфатному 10-25% С/, к сульфатному 10% С/
В.Р. Волобуев, 1952, 1965 основываясь на классификациях гидрогеологов и других специалистов, классифицирует засоление почв по процентному содержанию мг-экв того или иного иона от суммы мг-экв ионов солей. Так, если хлора содержится более 30% мг-экв от суммы солей, то засоление классифицируется как хлоридное; при содержании S04 более 30% как сульфатное. К сульфатно-хлоридному и хпоридно-сульфатному типу засоления относятся почвы, в которых содержание С/ и S04 порядка 20-30% мг-экв от суммы солей; к карбонатному, в которых содержание С03 и НС03 15-20% мг-экв от суммы солей. В.А. Ковда, В.В. Егоров, B.C. Муратова и Б.П. Строганов, 1960, предлагают в наименование типа солевого состава включать те анионы, содержание которых превышает 20% от суммы мг-экв анионов. При содержании иона НСОз в количестве 2 мг-экв на 100 г почвы или более, независимо от того составляет это 20% от суммы мг-экв анионов или нет, в названии химизма почв авторы предлагают отметить присутствие соды. Этот принцип классификации почв по химизму вполне целесообразен.
В настоящее время экологическое действие солей принято оценивать по содержанию в почве (и в воде) токсичных ионов и токсичных солей -Н.И. Базилевич и Е. И. Панкова, 1968.
К токсичным относят ионы, способные образовывать токсичные соли. Ионы хлора, натрия, магния относят к категории токсичных. Ионы S04 и НС03 токсичны только в том случае, когда они образуют натриевые и магниевые соли. Гипс (CaS04 2Н20) и карбонаты (бикарбонаты) кальция нетоксичны. Их присутствие не оказывает токсичного действия на растения. Н.И. Базилевич и Е.И. Панкова рекомендуют оценивать засоление по токсичным ионам или по сумме токсичных солей, перешедших в водную вытяжку. Сумма токсичных солей - это соли, перешедшие в водную вытяжку минус водорастворимые соли гипса и карбонатов кальция.
Алгоритм определения типа засоления по Н.И. Базилевич и Е.И. Панковой 1.4. Гидрогеолого-мелиоративная изученность Саратовского Заволжья
Первые геологические исследования на территории Саратовского Заволжья проводились И.И. Жилинским, 1881, и Е.А. Никитиным, 1888. Они были эпизодическими и носили описательный характер. Мелкомасштабные геологические съемки, позволившие обобщить материалы по стратиграфии, геоморфологии, тектоники и гидрогеологии были проведеныв 1917- 1934гг.(39).
Для изучения хвалыно-хазарского водоносного горизонта южной окраины Энгельса в 1936 г. был сооружен групповой водозабор, состоящий из 13 скважин. Исследования В.А. Жутеева, 1941, позволили охарактеризовать подземные воды Саратовского Заволжья и дать рекомендации о практическом их использовании.
Систематическое изучение Саратовского Заволжья с применением больших объемов буровых работ, проведением геологических и гидрогеологических съемок началось в послевоенные годы. Н.И. Толстихин, 1950, занимался изучением условий формирования и районированием подземных вод на территории СССР. Результаты инженерно-геологических изысканий, 1953, в зоне Волгоградского водохранилища позволили дать прогнозы подпором групповых вод по берегам водохранилищ. М.Н. Ланским, 1954, проведено изучение четвертичных отложений и геоморфологии Саратовского Заволжья.
В 1957 г. в отчете гидрорежимной экспедиции ВСЕГИНГЕО приводится список гидрогеологических пунктов, геологическая и геоморфологическая характеристики некоторых районов Саратовского Заволжья, в том числе Эн-гельсского. Режимные наблюдения по этим скважинам начали проводиться в 1950 г.
Методика проведения исследований
Репрезентативный участок № 4 площадью 25 га расположен на границе двух террас - хвалынской и хазарской (приложение А. 6).
Почвенный покров участка представлен темно-каштановыми средне-мощными почвами и их комплексами с лугово-каштановыми почвами (до 25%), темно-каштановыми слабосмытыми почвами, темно-каштановыми маломощными слабосолонцеватыми почвами в комплексе с солонцами (до 25%).
По гранулометрическому составу почвы участка среднесуглинистые и тяжелосуглинистые, сформированные на средних суглинках.
Орошение участка осуществлялось с 1966 по 1982 г. В 1991 году участок был выведен из категории пахотных земель, зарос дикой степной растительностью, кустарниками и деревьями, в основном лохом серебристым (рис. 2.4). В настоящее время на нем начата раскорчевка территории.
Изучение современного мелиоративного состояния участка и изменений водного и солевого режимов почвы проводилось на основе отбора проб почвы в точке 4 (рис. 2.1.).
Репрезентативный участок № 5 площадью 35 га расположен на хазарской террасе (приложение А. 6), по рельефу неоднороден, выражены микро-понижения площадью 6-20 м (рис 2.5). Рис. 2.5. Репрезентативный участок № 5 выведенный из категории пахотных
Почвенный покров участка № 5 представлен темно-каштановыми маломощными почвами и их комплексами с лугово-каштановыми почвами (25-50 %), а также лугово-болотными почвами.
По гранулометрическому составу почвы среднесуглинистые, сформированные на средних суглинках.
Орошение участка осуществлялось с 1966 по 1982 г. В 1986 году участок был выведен из категории пахотных земель, зарос дикой степной растительностью, кустарниками и деревьями, в основном лохом серебристым.
Изучение современного мелиоративного состояния участка и изменений водного и солевого режимов почвы проводилось на основе отбора проб почвы в точках 487 А и 487 Б, расположенных на расстоянии 15 м друг от друга на двух различных элементах рельефа (рис. 2.1). Репрезентативный участок № 6 площадью 19 га расположен на хазарской террасе (приложение А. 6).
Почвенный покров участка представлен темно-каштановыми маломощными почвами и их комплексами с лугово-каштановыми почвами (25-50 %), темно-каштановыми маломощными почвами и их комплексами с лугово-каштановыми почвами (до 25 %), темно-каштановыми среднемощ-ными почвами и их комплексами с лугово-каштановыми почвами (25-50 %).
По гранулометрическому составу почвы среднесуглинистые, сформированные на средних суглинках.
Орошение участка осуществлялось с 1966 по 1982 г. В 1986 году участок был выведен из категории пахотных земель, зарос дикой степной растительностью, кустарниками и деревьями, в основном лохом серебристым и вязом мелколистным (рис. 2.6.).
Изучение современного мелиоративного состояния участка и изменений водного и солевого режимов почвы проводилось на основе отбора проб почвы в точке 489 (рис. 2.1.). Репрезентативный участок № 7 площадью 19 га расположен на хазарской террасе (приложение А. 6).
Почвенный покров участка представлен темно-каштановыми мало 37 мощными почвами и их комплексами с лугово-каштановыми почвами (25-50%), темно-каштановыми маломощными почвами и их комплексами с лугово-каштановыми почвами (до 25 %), темно-каштановыми среднемощ-ными почвами и их комплексами с лугово-каштановыми почвами (25-50 %).
По гранулометрическому составу почвы среднесуглинистые (слой 0-30 см) и тяжелосуглинистые (слой 30-100 см), сформированные на средних суглинках.
Орошение участка осуществлялось с 1966 по 1982 г. В 1984 году участок был выведен из категории пахотных земель, зарос дикой степной растительностью, кустарниками и деревьями, в основном лохом серебристым (рис. 2.7).
Изучение современного мелиоративного состояния участка и изменений водного и солевого режимов почвы проводилось на основе отбора проб почвы в точке СП.5 (рис. 2.1.). 2.3 Методика проведения исследований
Для решения поставленных на изучение задач по выявлению влияния различных систем использования орошаемых земель Заволжья на направленность почвенно-мелиоративных процессов были проведены сопутствующие наблюдения и исследования за свойствами почвы и грунтовых вод.
Были определены мелиоративные и водно-физические свойства почвы, химический состав грунтовых вод.
Кроме того, для изучения влияния ирригационного техногенеза на флору и фауну орошаемых агроландшафтов выполнены исследования биологической активности почвы и ботанического состава растительных сообществ.
Отбор почвенных образцов проводился в соответствии с общепринятыми методиками и нормативами: ГОСТ 17.4.3.01-83; ГОСТ 28168-89; ГОСТ 17.4.4.02-84; ОСТ 56 81-84; общесоюзной инструкцией по почвенным обследованиям и составлению крупномасштабных почвенных карт землепользования (1973) и методикой почвенно-площадного обследования с учетом пространственной и временной изменчивости (1973).
Отбор проб на определение химического состава грунтовых вод проводился в соответствии с Государственным стандартом РФ ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб» (принят и введен в действие постановлением Госстандарта РФ от 21 апреля 2000 г. N 117-ст).
При мелиоративном обследовании в образцах почв, проводились анализы полной водной вытяжки согласно ГОСТ 26424-85; ГОСТ 26426-85; ГОСТ 26427-85; ГОСТ 26428-85 в соответствии с методиками И.Н. Антипо-ва-Каратаева, В.Н. Филипповой, 1937; Н.И. Базилевич, Е.И. Панковой, 1970; И.С. Кауричева, Н.П. Панова, Н.Н. Розова и др., 1989.
Химические анализы почв и грунтовых вод были выполнены в агрохимической лаборатории ФГНУ «ВолжНИИГиМ» (г. Энгельс).
Определение ферментативной активности почвы проводилось в соответствии с методиками Т.В. Щербаковой, 1968, 1983; J.L. Johnson, K.L. Temple, 1964; Л.А. Карягиной и Н.А. Михайловой, 1986 (рис 2.8, 2.9).
Влияние прекращения орошения на солевой режим почвогрунтов длительно орошавшихся земель, находящихся в сельскохозяйственном использовании
Слой почвы 30-50 см остался по-прежнему слабозасоленным, сумма солей составляет 0,305%, токсичных - 0,220%. Тип засоления по анионному составу изменился с содово-сульфатного на хлоридно-сульфатный. При этом химизм засоления по катионному составу не изменился - кальциево-натриевый. По нашему мнению изменение анионного состава связано с тем, что грунтовые воды гидрокарбонатно-сульфатного состава за рассматриваемый период с глубины 0,8-1 м опустились до 2-2,5 м.
Слой почвы 50-75 см из категории слабого засоления перешел в сред-незасоленные. Сумма солей составляет 0,635%, токсичных 0,493%. Тип засоления по составу анионов изменился с сульфатного на хлоридно-сульфатный. Химизм засоления по составу катионов тоже трансформировался - с натрие-во-кальциевого на кальциево-натриевый.
Почвогрунты 75-100 см слоя стали сильнозасоленными - сумма солей равна 0,521%, токсичных - 0,440%. Тип засоления изменился: по составу анионов стал сульфатно-хлоридным, по катионам - кальциево-натриевым.
Степень засоления почвы в целом по полуметровому (0-50 см) и метровому (0-100 см) слою не изменилась, они до сих пор относятся к слабозасо-ленным и среднезасоленным. Однако тип засоления по ионному составу изменился, стал хлоридно-сульфатным и кальциево-натриевый. Химизм засоления по составу катионов сохранился - кальциево-натриевый.
Изменение ионного состава 30-100 см слоя связано, по-видимому, с тем, что ионы хлора переместились из верхнего слоя почвы нисходящим потоком влаги в периоды весеннего снеготаяния.
За 14 лет с 1991 по 2005 в результате прекращения орошения и вывода земель из категории пахотных в слое 40-80 см произошло увеличение содержания токсичных солей. Это произошло в основном за счет хлоридов натрия, поэтому тип засоления изменился и стал хлоридно-сульфатным.
Общее направление процессов солепереноса определялось понижением уровня грунтовых вод с глубины 0,8-1,0 м до 2,0-2,5 м в результате прекращения орошения и прекращения подачи воды в канал, проходящий в 400 м к югу от точки 4. В результате этого начал восстанавливаться естественный ав-томорфный режим почв, грунтовые воды перестали участвовать в водопо-треблении растений. Соли перестали подтягиваться к поверхности за счет испарения грунтовых вод, и, наоборот, начали вымываться из пахотного горизонта нисходящим потоком воды в периоды весеннего снеготаяния.
По данным 1986 года на момент прекращения орошения и вывода репрезентативного участка № 5 из категории пахотных в слое почвы 0-30 см наблюдалось сильное засоление. Сумма солей составляла 0,991%, токсичных 0,587%. (табл. 3.19). Химизм засоления по анионному составу был гидрокар-бонатно-сульфатный, по катионному составу - кальциево-магниевый (табл. 3.20).
В 30-50 см слое наблюдалось среднее засоление гидрокарбонатно-сульфатного типа. Сумма солей была равна 0,728%, токсичных - 0,424%. При этом химизм засоления по катионному составу был кальциево-магниевый.
Почвы второго полуметра были незаселенными с преобладанием анионов SO2 и НСО;, катионов М и Са2\
В целом по метровому слою в почвах наблюдалось среднее засоление гидрокарбонатно-сульфатного типа. Химизм засоления по составу катионов был кальциево-магниевым. Сумма солей составляла 0,539%,токеичных-0.321%.
В процессе 16-летнего орошения грунтовые воды поднялись и в 1982 году находились на глубине 1,1-1,2 м. По химизму - сульфатно-натриевые, солоноватые с минерализацией 3-5 г/л.
Рельеф репрезентативного участка № 5 неоднороден, выражены мик-ропонижения площадью 6-20 м , поэтому изучение современного состояния участка проводилось на двух различных элементах рельефа.
В результате наших исследований 2005-2006 г. были получены данные по современному состоянию засоления (табл. 3.21).
За 19 лет с момента прекращения орошения и вывода земель из категории пахотных характер распределения ионов солей по почвенному профилю микроповышения участка № 5 не изменился - в настоящее время наибольшая концентрация ионов приходится также на 0-50 см слой почвы (рис. 3.18).
Почвогрунты 30-50 см слоя также потеряли значительное количество токсичных солей, стали слабозасоленными. Сумма солей равна 0,446%, токсичных - 0,232%. Тип засоления по анионному составу остался прежним -гидрокарбонатно-сульфатным. Химизм засоления по составу катионов изменился с кальциево-магниевого на натриево-кальциевый.
В слое 50-75 см отмечено увеличение токсичных солей, в нем наблюдается слабое засоление - сумма солей составляет 0,200%, токсичных - 0,166%. Тип засоления по анионному составу - гидрокарбонатно-сульфатный, по катионному составу - кальциево-натриевый.
Слой почвы 75-100 см остался по-прежнему незасоленным - сумма со лей равна 0,121%, токсичных - 0,097%. При этом произошла трансформация ионного состава - преобладание анионов SCf4 и НСО сменилось на доминирование НСО ъ и Stf , катионов Mg2+ и Са2+ на Na++ и Са44".
В настоящее время почвы по всему метровому слою микропонижения участка очень сильно засоленные (табл. 3.17.), сумма солей составляет 1,316%, токсичных 0,958%. Химизм засоления по анионному составу - гид-рокарбонатно-сульфатный, по катионному составу - в пахотном горизонте натриево-кальциевый, по остальным слоям - кальциево-натриевый.
С момента прекращения орошения и вывода земель из категории пахотных по настоящее время в почвенном профиле микропонижения участка произошло очень значительное увеличение солей (рис.3.20), наибольшая концентрация наблюдается в слое 30 - 75 см.
Влияние водно-солевого режима на ферментативную активность почв
Модель SWAP ("soil - water - atmosphere - plant" - «почва - вода -атмосфера - урожай») была разработана нидерландскими учеными Вагенингеского университета под руководством профессора Рейндера Феддеса на основе ранее существовавших гидрологических моделей SWATRE и SWACROP и некоторых из их многочисленных разновидностей, например SWASALT для моделирования транспорта солей и FLOCR для усадки и набухания глинистой почвы. Она объединила моделирование переноса влаги, растворенных веществ, тепла в почвенном профиле и прогнозирование урожайности в общей системе согласно текущим концепциям я и методам моделирования.
Программное обеспечение SWAP написано на языке программирования ФОРТРАН 77. Оно может использоваться на IBM совместимый PC с процессором Intel 486 или выше, а также на компьютерах VAX. Модульная структура программы и большое количество комментариев позволяют исследователям приспосабливать программу к их потребностям.
Уравнение водного баланса, применяемое в модели SWAP, является модификацией уравнения А.Н. Костякова: (М + Pef + AW ± Wrp) - Е = 0, где М - количество оросительной воды, необходимое для достижения бездефицитного водного баланса, мЗ/га; Pef - осадки, используемые растениями за вегетационный период, мЗ/га; AW - количество воды, используемое растениями из расчетного слоя почвы, мЗ/га; Wrp -поступление влаги из грунтовых вод в расчетный слой почвы или фильтрация воды из расчетного слоя в грунтовые воды, мЗ/га; Е - суммарное водопотребление сельскохозяйственной культуры, мЗ/га.
Водный баланс в модели SWAP несколько отличается от принятого в России. Во-первых, с связи с тем, что модель ведет расчет не на сезон вегетации а посуточно, оросительная норма заменяется поливными, привязанными к датам поливов. Во вторых, в качестве расходной статьи баланса предусмотрен поверхностный сток, так как модель может использоваться и для богарных условий. Водопотребление делится на транспирацию и испарение с поверхности почвы, то есть эвапорацию. Включены в баланс также дренажный сток и перехват осадков листьями растений.
В общем, водный баланс модели SWAP содержит следующие статьи: - приходные - поливы, осадки, поток через нижнюю границу; - расходные - транспирация, эвапорация, перехват осадков, поверхностный и дренажный стоки. При этом поток через нижнюю границу может быть как положительным (подпитка), так и отрицательным (инфильтрация).
Уравнение водного баланса решается для каждого элементарного слоя почвенного профиля, при этом некоторые статьи для отдельных слоев оказываются равными нулю.
Пространственные различия потенциала или давления почвенной влаги являются причиной движения воды в почве. Согласно закону Дарси, поток воды в почве направлен в сторону уменьшения давления почвенной влаги и пропорционален ее градиенту. Дня насыщенной зоны коэффициентом пропорциональности является коэффициент фильтрации, для ненасыщенной - коэффициент влагопроводности. Для одномерного вертикального потока, уравнение закона Дарси может быть написано следующим образом: , = -ВД ) (5.,) где q -поток почвенной влаги, см/сут; К - коэффициент влагопроводности (гидравлическая проводимость), см/сут; h - давление почвенной влаги, см водного столба; z - вертикальная координата, направленная вверх, см. Единица измерения потока почвенной влаги получается следующим образом: объем прошедшей воды / сечение потока / время, то есть см3/см2/сут = см/сут. Так как, в любом элементарном слое вода не возникает ниоткуда и не 146 пропадает никуда, для него верно уравнение неразрывности для воды в почве - аналог закона сохранения массы веществ: = - -S(h) (5.2) где в - объемная влажность почвы, доли или см3/см3; t - время, сутки; S(h) -норма извлечения влаги корнями растений, см3/см3сут.
Уравнение неразрывности гласит, что изменение влажности элементарного слоя (объема) почвы есть результат изменения потока воды через этот слой и отбора влаги корнями растений из него. Чем больше уменьшается поток при проходе через слой, тем больше воды в нем остается и наоборот. С другой стороны, чем больше воды отбирают корни растений, тем меньше ее остается. При этом, как подсказывает здравый смысл и опыт земледелия, способность корней потреблять воду зависит от влажности почвы и, значит, от давления почвенной влаги. Если подставить уравнение закона Дарси в уравнение неразрывности получится уравнение Ричардса:
Уравнение Ричардса имеет ясный физический смысл и является объективным законом движения воды в почве. Решая его в численном виде, то есть, задавая небольшие шаги по времени и вертикальной координате (глубине) для отдельных элементарных слоев, можно определить распределение влажности в почвенном профиле, исходя из начальных условий, поступления осадков и поливов, водопотребления растений и так далее. Уравнения Ричардса применяется в SWAP для ненасыщенной и насыщенной зоны, с возможным присутствием переходного процесса (флюктуации) и воздействием грунтовых вод.
Максимально возможная норма извлечения воды корнями, рассчитанная для всей глубины корневой системы, равна потенциальной транспирации, которая определяется фазой роста и развития растений и погодными условиями.
