Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Экологическая оценка физического состояния засоленных почв

Специальность 03.02.13 - почвоведение

кандидата биологических наук

Стародубов Александр Александрович

Астрахань 2010

Работа выполнена на кафедре почвоведения Астраханского государственного университета

Научный руководитель: Федотова Анна Владиславовна, доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: Яковлев Александр Сергеевич, доктор биологических наук, доцент

Серебряков Алексей Олегович доктор геолого-минералогических наук

Ведущая организация: Южный Федеральный университет

Защита диссертации состоится 17 декабря 2010 года в 10-00 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.009.10 при Астраханском государственном университете по адресу: 414000, Астрахань, пл. Шаумяна, 1, Естественный институт АГУ.

Тел./факс: (8512)22-82-64

E-mail: sovetei@rambler.ru

С авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета и на сайте Астраханского государственного университета www.aspu.ru

Автореферат разослан «___» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор биологических наук,

профессор Федотова А.В.

экологический засоленный почва волга

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Проблема диагностики и оценки засоления почв, несмотря на длительную историю изучения, до сих пор остается мало изученной (Засоленные…, 2006). Для этого существует ряд объективных причин. В масштабах Земли наблюдается значительное разнообразие засоленных почв. И главное - это отсутствие единых методов и критериев оценки засоленных почв, и особенно солончаков. Критерии оценки засоления почв разработаны применительно к каждому из методов. Существует необходимость более объективной оценки засоленных почв, учитывающей их свойства и особенности.

Главным критерием оценки физического состояния почвы является соответствие комплекса почвенных свойств характеру функций, выполняемых почвой в конкретном ландшафте. В этом контексте наибольшую актуальность приобретают вопросы количественной оценки засоленных почв. Это значит, что, прежде всего, необходимо установить как, и в какой степени влияет количество солей на выполнение почвой своих экологических функций через изменение физических свойств.

Солевое состояние оказывает заметное влияние на физические и водные свойства почвы (Панкова, Мазиков, 1985; Бреслер, 1979; Воронин, 1986; Судницын, 1979; Глобус, 1987 и др.). Именно поэтому распределение водно-физических свойств по профилю и в пространстве на территориях, имеющих различные почвенно-климатические, гидрологические и гидрохимические условия индивидуально. Это связано, с одной стороны, с тем, что вода принимает непосредственное участие в процессах переноса и распределения солей. С другой стороны, основные параметры процессов влаго- и солепереноса напрямую зависят от физических свойств почвы, которые изменяются под действием растворимых солей. Физические свойства, процессы влаго-, воздухо- и теплопереноса в засоленных почвах имеют свою специфику, отличающуюся от процессов в незасоленных почвах (Шеин, 2008). Соответственно и растительный покров реагирует не только на содержание и состав солей, а на формирующиеся за счет изменения состава и содержания солей физические условия роста и развития, а именно на наличие в почве доступной влаги, воздуха, тепла. Особая роль здесь принадлежит физическим свойствам, определяющим транспортную функцию почвы.

В связи с ростом антропогенных нагрузок, деградация почв является одной из самых актуальных и требующих незамедлительного вмешательства проблем нашего времени. Засоление почв выделено, как один из наиболее существенных типов деградации почв с учетом реальной встречаемости и природно-хозяйственной значимости последствий. Засоление почв приводит к физической деградации земель и дальнейшему выводу их из сельскохозяйственного использования. В свою очередь физическая деградация почв служит спусковым механизмом для большого количества природных катастроф. Повсеместное увеличение площадей засоленных почв и сокращение вследствие этого пахотных угодий вызывает необходимость экологической оценки засоленных почв с точки зрения их экологического состояния. К сожалению, сама методология исследования и изучения физических свойств и режимов засоленных почв остается слабо разработанной, так как ряд свойств в засоленных почвах достоверно определить традиционными методами почвоведения и экологии невозможно. На сегодняшний день актуальной задачей является разработка системы почвенных признаков для экологической оценки засоленных почв с учетом их многофункциональной значимости в аридных регионах.

Цель исследования - оценка экологического состояния засоленных почв на основе их физических свойств.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. обоснование методов и подходов для количественной оценки экологического состояния засоленных почвы;

2. выявление закономерностей экологического состояния засоленных почв от степени изменения их физических свойств;

3. выявление наиболее информативных количественных показателей для экологического состояния почвы;

4. разработка методологического подхода к оценке экологического состояния почвы на основе физических свойств;

5. реализация разработанного подхода для экологической оценки засоленных почв дельты Волги.

Научная новизна. Для засоленных почв дельты Волги выявлены закономерности изменения физических свойств почвы от степени засоления. В настоящее время отсутствует единая идеология комплексной экологической оценки. Теоретически любая экосистема может быть описана бесконечным набором параметров. Для реализации экологической оценки почвы на практике число подобных параметров должно быть разумно ограниченным. Впервые разработана система показателей качества засоленных почв на основе физических функций. Впервые предложена система показателей для экологической оценки засоленных почв на основе физических свойств. Разработан подход для экологической оценки физического состояния засоленных почв. Впервые разработанный подход реализован для экологической оценки засоленных почв дельты Волги.

Практическая значимость:

Разработанный подход может быть рекомендован для широкого использования в вопросах землепользования, земельного кадастра, бонитировки и оценки засоленных почв в аридных регионах РФ.

Материалы исследования используются в учебном процессе при преподавании почвоведения, физики почв, земельного кадастра и бонитировки почв, почвенно-экологического мониторинга и др. а Астраханском государственном университете.

Результаты исследования поддержаны программой «У.М.Н.И.К.» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере для молодых исследователей; Российским фондом фундаментальных исследований (проекты №№ 06-04-48297-а и 09-04-97002-р_поволжье_а) и Аналитической Ведомственной Целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» Мероприятие 2. «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки» № 2.1.1/4284 «Новый подход к экологическому нормированию засоленных почв».

Результаты работы использованы при разработке рабочих программ и лекционных курсов по дисциплинам «Агроэкологическая оценка почв», «Охрана и рациональное использование почв Астраханской области», «Физика почв», «Почвенно-экологический мониторинг».

Апробация работы: Основные результаты исследования доложены на Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы современных аграрных технологий» (Астрахань, 2006, 2007, 2008); Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы экологии и сохранения биоразнообразия» (Владикавказ, 2009, 2010); Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы состояния, индикации и прогнозирования» V Всероссийском съезде Российского общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009» (Москва, 2009); III Всероссийской научной конференции с международным участием «Актуальные проблемы экологии и сохранения биоразнобразия» (Астрахань, 2009); IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2009).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК. Доля участия автора составляет 50%.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы, включающего 121 наименований, из них 12 на иностранных языках. Изложена на 136 страницах машинописного текста, включает 35 рисунков и 11 таблиц.

Автор выражает глубочайшую признательность и благодарность сотрудникам кафедры почвоведения Астраханского государственного университета за неоценимую помощь, замечания и пожелания при работе над диссертацией.

Часть 1. Подход к экологической оценке почвы

Засоленность почв является одним из ярких признаков деградации земель и существенно уменьшает их стоимость. Данный процесс вызывает трансформацию почвенных свойств и процессов, протекание которых в засоленных почвах имеет свою специфику. Большая роль при этом отводится физическим свойствам.

По нашему мнению, при разработке количественной оценки для экологического состояния засоленных почв не имеет смысла использовать оценку для каждого отдельного показателя. Смысл заключается именно в использовании комплексной оценки, зависящей от каждого отдельного показателя и учитывающей их все в совокупности. Для того чтобы количественно установить экологическую норму почвы - состояние почвы, при котором она способна выполнять свои экологические функции, обеспечивая устойчивое функционирование естественных и антропогенных систем (Яковлев, 2006), необходимо выделить параметры (почвенные свойства) определяющие указанные функции (базовые показатели).

Основной принцип предлагаемой методологии заключается в системном подходе, предложенном В.В. Докучаевым. Основное положение заключается в том, что любой объект или природное явление необходимо рассматривать во взаимосвязи с окружающими его процессами и объектами, а не изолированно. Это в полной мере относится и к такому явлению, как засоление почвы.

Основные положения предлагаемой методологии:

1. комплексное изучение показателей физического состояния почвы;

2. выявление наиболее информативных количественных показателей для экологического состояния почвы;

3. исследование и учет пространственной вариабельности в зависимости от морфологического строения почвы и геоморфологического строения ландшафтов;

4. сравнительный анализ состояния почвы.

Применительно к засоленным почвам исследование состояния этих почв будет наиболее полным в том случае, если будут определены прямые показатели физического состояния почвы (плотность, порозность, сопротивление пенетрации, водопроницаемость, мощность засоленного/деградированного слоя) и физические показатели, изменяющиеся под воздействием засоления.

Следуя целям экологической оценки, базовые параметры должны максимально полно описывать процессы в экосистеме. К ним относятся, прежде всего, физические показатели, поскольку они лучше коррелируют со степенью засоления и имеют меньшее варьирование в пространстве и во времени по сравнению с водными (влажность). Кроме того, должны быть учтены содержание и состав гумуса, качественный состав солей.

Тепло и влага служат ведущими факторами, определяющими пределы существования живой материи и биоразнообразие.

Экологический оптимум влажности почвы в отношении сельскохозяйственных растений неодинаков для разных растительных групп. Тем не менее, для большинства культур этот диапазон начинается от 60% НВ. Поэтому будем считать экологически оптимальным диапазон влажности почвы 60-100%НВ. Кроме того, в почве должна существовать возможность для обитания разнообразных групп организмов, которые тоже «требуют» благоприятного водно-воздушного режима. Оптимальная экологическая гармония - воздух и вода должны быть в равных по объему количествах, что соответствует влажности почвы 60% от НВ. Именно эту величину примем за экологический оптимум.

Водопроницаемость почв будет зависеть и от пористости почв. Н.А Качинским было предложено разделение почв по величине водопроницаемости (за первый час), в которой более 1000 см/сут трактуется как провальная и менее 70 см/сут - неудовлетворительная водопроницаемость. Исходя из классификации Качинского, примем за оптимум величину водопроницаемости почвы 500 см/сут.

Плотность почв (_b) - одно из основных, фундаментальных почвенных свойств. Поэтому проведение любой оценки состояния почвы не возможно без знания этой величины. Исходя из урожайности с/х растений оптимум _b, по данным большинства исследователей, составляет 1,0-1,3 г/см³ для суглинков и 1,2-1,6 г/см³ для песчаных почв (Бондарев, 1988). Важно, что для поверхностных горизонтов почв, величины плотности зависят от содержания гумуса.

Сопротивление пенетрации (Р_пен) зависит от многообразных почвенных свойств, например от влажности и плотности почвы, гранулометрического и минералогического состава, доли Na⁺ в ППК и количества агрономически ценных агрегатов. Измерение этого свойства является одним из обязательных при оценке физического состояния почвы. Критическим значением Р_пен, при котором затруднено проникновение корней в почву является величина 3МПа (30 кг/см²).

Физическое обоснование предлагаемой системы базовых показателей при оценке экологического состояния почвы на основе нарушения физических функций определяется, прежде всего, тем, что классические представления о почве как о дисперсной пористой системе с развитой структурой и поровым пространством является основополагающими для оценки физического состояния почвы.

Плотность почвы является первичным и определяющим фактором всей физики почв (Ревут, 1962).

Рассматривая все множество физических свойств необходимо прежде всего оценить, каков механизм влияния того или иного фактора на экологическое состояние почвы (говоря об экологическом состоянии в данном контексте не имеется в виду техногенное загрязнение почвы). Значит, имеет смысл разделить физические условия засоленных почв на 2 группы:

1. Оказывающие непосредственное воздействие

2. Проявляющиеся через формирование водного, воздушного и теплового режимов.

Определяющие же влияние на выделенные экологические функции почвы будут оказывать факторы, формирующие водный, воздушный и тепловой почвенно-физические режимы. Исходя из этого, в заявленном подходе будут использованы критические параметры указанных режимов для оценки оптимальности физических параметров и экологического нормирования засоленных почв.

Важная экологическая функция почвы связана со способностью сорбировать/десорбировать, трансформировать и пропускать загрязняющие вещества.

Для выполнения следующей функции почва должна обеспечить разнообразные условия (прежде всего водно-воздушные). При этом особую роль приобретают знания о пространственной вариабельности почвенных свойств, являющейся ведущей для сохранения биоразнообразия.

Таким образом, анализ главных почвенных функций показывает, что их основой являются водный, воздушный и тепловой режимы, а значит, потоки вещества и энергии, как внутри почвы, так и на ее границах. Именно благодаря этим потокам почва осуществляет указанные функции (Шеин, 1999). Результатом будет количественная экологическая норма почвы.

Все выбранные в качестве базовых параметры характеризуют состояние почвы на разных иерархических уровнях структурной организации почв. Последствия засоления почвы проявляются также на разных иерархических уровнях. Таким образом, указанный набор из минимального количества почвенных свойств может быть использован для оценки состояния почвы.

Во избежание значительной трудоемкости, представляется возможным провести разделение на две группы; базовые (основные) и косвенные.

Косвенные параметры реагируют на изменение основных параметров, прямое влияние засоления почвы выражено слабо или отсутствует.

Тем не менее, использование подобного подхода не исключает очень большого набора параметров. Для сокращение их числа и выбора наиболее значимых предлагается использовать следующие критерии:

1. Параметр должен представлять результат нескольких разнонаправленных процессов или свойств.

2. Параметр должен быть стабильным или иметь аналогичные закономерности временных изменений.

3. Простота, незначительная трудоемкость и затратность при определении.

4. Небольшая чувствительность к другим факторам окружающей среды, кроме искомого (засоление).

Выбранные базовые параметры отвечают необходимым требованиям при проведении экологической оценки:

1. Легко измеримы в любой точке почвенного покрова.

2. Могут служить интегральным показателем для некоторого набора почвенных свойств или процессов.

3. Сопоставимы с абсолютными или относительными показателями степени засоления почвы.

4. Имеют экологическую значимость.

Полученные величины параметров должны быть выражены в абсолютной и относительной формах. Это позволяет сравнивать между собой значения параметров, выраженные в разных размерностях.

Далее, после составления перечня базовых показателей, необходимо получить их количественное выражение для выбранного объекта исследования. Как правило, это должен быть перечень почвенных свойств или процессов, состояние или протекание которых зависит от солесодержания в почве.

Количественные определения базовых параметров проводятся по существующим ГОСТ и известным методикам (Воробьева, 1998; Полевые.., 2001; Ганжара, 2002; Теории и методы…, 2007; Теория и практика…, 2006). Для возможности сравнительного анализа результатов на разных территориях, рекомендовано использовать один и тот же набор методов определения. В других случаях, необходимо указать, каким методом, с помощью какой методики проводилось определение.

Кроме того, крайне важно, корректное использование размерностей и единиц измерения, а также срока (периода) проведения измерений. Последнее особенно важно для территорий с динамическим водным и солевым режимом.

Одной из центральных задач экологического нормирования и оценки засоленных почв является установление «чувствительности реакции» каждого из выбранных параметров на степень засоления почвы.

Для этой цели предлагается следующая последовательность действий:

1. Для каждой пробной площадки по 10-ти сантиметровым почвенным слоям определяются величины выбранных параметров в 3-х или 5-ти кратной повторности.

2. Для каждой пробной площадки по 10-ти сантиметровым почвенным слоям отбираются пробы для проведения лабораторных анализов, для параметров, определение которых полевыми методами не возможно (анализ водной вытяжки, плотный остаток и т.п.).

3. Результаты определения параметров анализируются, изучается пространственное варьирование, проводится простая статистическая обработка выборок.

4. Среди имеющих параметров выбирается самый чувствительный по отношению к солесодержанию в почве или обладающий наибольшей пространственной вариабельностью на участке исследования по критерию:

5. Проводится ранжирование параметров по величине критерия п.3.

6. Выявляется наличие и теснота связи каждого параметра с солесодержанием в почве с использованием корреляционного анализа.

7. Производится деление параметров на две группы: базовые и косвенные.

8. Для каждого параметра рассчитываются относительные величины:

Использование относительных величин физических свойств позволяет оценивать влияние степени засоления почвы на весь комплекс физических свойств, то есть позволяет оценить состояние почвы, так как имеется возможность производить операции с величинами независимо от их единиц измерения.

Но для экологической нормы почвы должны быть определены величины значений почвенных свойств и признаков, соответствующих этой норме.

В целом задача экологической оценки применительно к засоленным почвам сводится к установлению таких величин содержания солей в почвах, которые не вызывают в течение неопределенного времени (длительного периода) отклонений в нормальном функционировании экосистем и выполнении почвой своих биосферных функций (Воробейчик и др., 1994).

Для получения адекватных результатов в качестве точки отсчета принимается фоновое состояние, то есть почва той же типологии, не подверженная процессам засоления (или имеющая естественное засоление, если речь идет о влиянии антропогенного фактора).

На основании проведенных исследований предлагаются следующие основные этапы экологической оценки засоленных почв:

1. Выбор территории исследования;

2. Экспедиционные работы (полевые определения и пробоотбор);

3. Составление перечня базовых параметров;

4. Определение базовых параметров;

5. Определение экологического состояния почвы на основе ее физических свойств.

Учитывая, что в данном случае цели экологического нормирования вполне согласуются с экологической оценкой, указанный алгоритм может быть рекомендован для практических целей.

Последовательность действий предлагаемого подхода к экологической оценке засоленных почв отражена на следующей схеме (рис. 1).

Завершающим этапом является сравнение полученных экологических нормативов с реальными и оценка экологического состояния почвы.

Величина каждого параметра, определяющегося величинами конкретного физического свойства из указанных выше, должна быть сведена к какому либо критерию. Это необходимо с целью оценки экологического состояния почвы.

В качестве критерия степени нарушения экологических функций почвы предлагается использовать интегральный показатель физического состояния почвы (ИПФС), определенный на основе набора наиболее информативных физических свойств. Почва выполняет свои экологические функции полноценно, пока не произошло снижения значений интегрального показателя. При его снижении в той или иной степени происходит нарушение тех или иных экологических функций почвы.

В данном контексте может быть предложено два подхода:

1. Сравнение реального состояния почвы с неким экологическим оптимумом (или экологической нормой);

Рис. 1

2. Сравнение реального состояния почвы с контролем (незасоленная почва такой же типовой принадлежности).

Данный подход подразумевает использование оптимального физического состояния почвы с точки зрения выполнения ею экологических функций. То есть состояние, которое является «идеальным» согласно количественным величинам свойств. При использовании данного подхода возможно «уравнивания» почв разных генетических типов, в той или иной степени имеющих общие процессы почвообразования (таежная зона, степная зона и т.п.). Однако, с точки зрения получения адекватных результатов, это скорее недостаток.

Получение данного «идеального» показателя предполагает установление по литературным данным оптимумов для каждого исследованного свойства (Качинский, 1958, 1970; Бондарев, 1981, 2004; Елисеева и др., 2004; Шеин, 2005; Теории и методы…, 2007 и др.), принятие его за 100%. Далее, с использованием отношения реальной величины свойства к соответствующему оптимуму находится процентное выражение для всех изученных свойств, усредняется и производится сравнение, на основании чего и производится оценка экологического состояния и экологическое нормирование.

Недостатки данного подхода заключаются в недостаточной проработанности ранжирования физических показателей для различных почв.

Использование контрольных проб, образцов (далее - контроль) практикуется очень широко во всех естественных науках. Исходя из целей нашей работы, контролем должна являться незасоленная почва того же генетического типа, находящаяся в подобных почвенно-геоморфологических и гидрологических условиях.

Для расчета значения всех исследованных показателей для контроля принимаются за 100%, и по отношению к этой величине находятся %-ные выражения для реальных величин физических свойств, для которых затем находится среднее значение. Полученное итоговое значение интегрального показателя выражено в % от контроля.

Недостатком данного приема является сложность подбора контрольной почвы в естественных условиях. Так, например, в дельте Волги, учитывая специфический гидрологический режим, большую сложность представляет найти участок с незасоленными почвами той же классификационной принадлежности.

Кроме того, на фоне развивающихся деградационных процессов (водная и ветровая эрозия, переуплотнение и т.п.) принимать контроль за эталонное физическое состояние нельзя.

Выбранная для проведения исследований территория должна отвечать требованиям использования ее в качестве модельной при разработке подхода экологической оценки засоленных почв. Для этого должен быть выполнен ряд условий, соблюдение которых позволит получить достоверные результаты, использование которых может быть далее адаптировано более широко.

1. Почвенный покров представлен почвенными разностями разной степени засоления, но в пределах одной классификационной группы (почвенного типа). Это связано с разными условиями протекания процессов почвообразования, свойствами и режимами почв разных типов. Наличие же одного почвенного типа позволит выявить качественные и количественные зависимости состояния почвы от солесодержания в ней.

2. Засоление на данной территории присутствует достаточно долго, трансформация экосистемы вышла на стационарный уровень. В противном случае трансформации экосистем не могут быть выявлены.

3. Площадки отбора проб и проведения наблюдений и определений представляют собой генетически однотипные биогеоценозы, находящие в одинаковых элементах рельефа и имеющие сходные уровни нагрузки.

4. Территория позволяет разместить необходимое количество пробных площадок. Количество точек отбора проб должно быть статистически значимым.

5. Интенсивность процесса засоления мало меняется со временем.

6. Исключены рекреационные воздействия и другие формы нагрузки. При наличии таковых разделение воздействия каждого вида нагрузка будет очень сложным, а скорее всего невозможным.

7. Территория может служить адекватным аналогом для других объектов региона (одинаковые физико-географические условия, структура и т.д.).

При проведении полевых исследований на выбранной территории закладывают серию почвенных разрезов.

Результаты исследований могут быть достоверными при условии, если контур засоления характеризуется статистически значимым количеством точек опробования.

Для получения более достоверной информации и возможности аппроксимации и интерполяции результатов на всю территорию, при проведении полевых исследований может быть использован метод, рекомендованный авторами проекта РФФИ № 06-04-48297-а. Автор исследования лично принимал участие в экспедиционных работах по данному проекту и апробировал это метод для территории дельты Волги.

С помощью GPS-приемника закладываются параллельные почвенно-геохимические профили по всей длине выбранной территории исследования. На каждом профиле через одинаковое расстояние друг от друга закладываются почвенные прикопки или разрезы. Шаг сетки выбирается в зависимости от задач исследования, как правило, это 10-40 метров. В результате получается равномерная сетка (рис 2).

Рис. 2. Примерная схема расположения почвенных прикопок (метод равномерной сетки)

Указанный полевой метод исследования почв позволяет более точно пространственно оценить переходы между почвами и почвенными разностями, отличающимися по свойствам и количеству солей. Анализ картографического материала и наложение отдельных картографических слоев дает возможность проведения детального анализа почвенно-растительного покрова и его пространственно-временной динамики под влиянием природных и антропогенных факторов.

Для изучения основных физических свойств и солевого состояния почвенного покрова объектов исследования вполне приемлемо использование традиционных методов, принятых в почвоведении, экологии и физике почв (Ганжара и др., 2002; Теоретические методы…, 2007).

Часть 2. Экологическая оценка засоленных почв дельты волги (реализация предлагаемого подхода)

Основным источником солей в почвах аридных галоморфных провинций являются минерализованные грунтовые воды. На автоморфные участки грунтовые воды непосредственного влияния не оказывают. Здесь протекают другие процессы, связанные с реликтовым засолением и интенсификацией солонцовых процессов.

В 70-х годах прошлого века большинство территорий подверглись обваловке для перекрытия доступа паводковых вод к планируемым сельскохозяйственным угодьям. В результате чего водный режим почв был нарушен. Почвы перестали подвергаться естественным промывкам от солей паводковыми водами.

Затем, в силу экономической ситуации, довольно значительная часть орошаемых земель была заброшена, и, естественно, разваловка не производилась. Территории оказались отрезанными от влияния паводковых вод и источниками поступления влаги в почву остались немногочисленные осадки и минерализованные грунтовые воды. Одним из наиболее распространенных последствий является вторичное засоление почв. Подобная территория и была выбрана в качестве объекта исследования.

В качестве объекта исследования выбран антропогенно измененный дельтовый ландшафт в Икрянинском районе Астраханской области, расположенный на юго-западе Астраханской области, в пределах западной периферии Волжской дельты и восточной окраины подстепных ильменей. По генетическому типу придельтовая территория относится к современной аллювиальной равнине. Подтип рельефа определен как ильменно-грядовая морская аккумулятивная равнина с ильменно-грядовыми формами рельефа в зоне воздействия волжских вод, осложненная полигенетическими образованиями -- бэровскими буграми, ильменями и солоноватыми озерами.

Для оценки засоления почвы и её плодородия наиболее важным показателем является засоленность верхнего корнеобитаемого слоя почвы. Исходя из этого, отбор почвенных образцов проводили с поверхностного слоя почвы 0-20 см.

В настоящем исследовании за основу взят комплекс экспресс-методов исследования физических и физико-механических свойств почв (Шеин, 1987, 2000; Полевые…, 2001; Теории и методы…, 2007). Влажность почвы (W) определяли традиционным термостатно-весовым методом и на влагомере МХ-50. Плотность почвы (_b) определялась буровым методом с использованием бура Качинского объемом 100 см² в 3-х кратной повторности. Сопротивление пенетрации определяли микропенетрометром МВ-7 в 10-ти кратной повторности. Водопроницаемость почв послойно определяли методом трубок с переменным и постоянным напором (Полевые…, 2001).

Почвенные пробы для проведения лабораторных анализов отбирались с глубин 0-5 см, 10-15 см, 20-25 см без учета генетических горизонтов, что вполне согласуется с задачами исследования.

Изучение солевого состояния почв проведено общепринятыми методами: по величине плотного остатка и анализу водной вытяжки.

Для изучения физических свойств почв, их солевого состояния и оценки экологического состояния использовали метод равномерной сетки. Предварительно был определен участок размерами 80 х 100 метров. На этом участке с помощью GPS-приемника закладывались параллельные почвенно-геохимические профили с шагом 10 метров друг от друга и протяжностью 100 м. На каждой трансекте закладывались почвенные прикопки до глубины 40 см на одинаковом расстоянии друг от друга с шагом 10 м. В результате получилась равномерная сетка. Так же была проведена GPS-привязка и нивелирная съемка исследуемой территории в узлах сетки, по результатам которой построены 3D-изоплеты участка (рис. 3). В узлах сетки схематично изображено пространственное расположение почвенных разрезов.



Рис. 3. Схема расположения почвенных прикопок на исследуемом участке

На участке, включающем два заброшенных сельскохозяйственных поля, в пределах исследованного ландшафта в период низкого стояния воды в водотоках дельты Волги, было проведено детальное исследование физических свойств почвы в узлах прямоугольной равномерной сетки по 10-ти сантиметровым слоям до глубины 40 см.

Результаты анализировались и представлялись в виде топоизоплет, характеризующих пространственную изменчивость почвенных свойств послойно.

На рис. 4. представлены топоизоплеты влажности почвы поверхностного слоя исследованного участка и нивелирной съемки профиля, проходящего через середину участка.

Влажность поверхностного слоя почв исследуемой территории изменяется в пределах от 6% до 18%. Наиболее иссушенные участки приурочены к подножию бугра Бэра. Отмечена тенденция уменьшения величин влажности с приближением к бугру. Как и следовало ожидать, с глубиной величины влажности почвы увеличиваются.

Рис. 4. Топоизоплеты пространственного распределения влаги в поверхностном (0-5 см) слое почвы

В целом влажность в пределах всего исследованного участка невелика и соответствует влажности почв автоморфных участков. По положению в рельефе выбранная территория находится выше окружающего пространства, с учетом обваловки, поступление влаги в почвы восходящими токами из грунтовых вод осложнено.

Исследовали пространственную изменчивость величин сопротивления пенетрации (Р_пен) (рис. 5).

Для поверхностного слоя величины сопротивления пенетрации варьируют от 1,4 до 2,2 МПа. Максимальные значения для исследованного слоя (2,2 МПа) зафиксированы в южной части участка, для которой характерны повышенные величины изучаемого параметра. Другая часть исследуемого участка характеризуется значениями Р_пен менее 1,7 МПа. Минимальное значение сопротивления пенетрации составляет 1,37 МПа. Слой 10-15 см характеризуется большим рабросом значений (от 1,1 до 2,5 МПа).

В целом участок характеризуется высокими величинами сопротивления пенетрации. Наименьшие значения данного параметра приурочены к южной границе участка.

Рис. 5. Топоизоплеты величин сопротивления пенетрации для поверхностного слоя почвы

Рис. 6. Топоизоплеты величин плотности для поверхностного слоя почвы

Анализ топоизоплет (рис. 6) показал, что плотность почвы поверхностного слоя изменяется в пределах от 1,1 до 1,6 г/смі. Отметим, что наименьшие величины плотности приурочены лишь к небольшому участку, в целом плотность почвы выше 1,25 г/см³. Для слоя 10-15 см характерны более высокие средние величины плотности почвы. Для слоя 20-25 см размах величин плотности почвы меньше. Однако в целом характер распределения в пространстве сохраняется.

Одним из основных в экологическом смысле свойством почвы является водопроницаемость, в большей степени определяющая «транспорт» различных веществ в почве.

Интервал варьирования величин водопроницаемости составляет от 0,1 до 17,6 см/час (рис. 7). Однако отметим, что высокие значения водопроницаемости почвы зафиксированы лишь в трех реперных точках. Не следует относить эти величины к «промахам», но для объективной картины следует сделать оговорку, что в целом водопроницаемость поверхностного слоя неудовлетворительная с точки зрения классификации Н.А. Качинского. Лишь на указанных выше точках водопроницаемость почвы может быть охарактеризована как хорошая.

Рис. 7. Топоизоплеты величин водопроницаемости для поверхностного слоя почвы

Наименьшей водопроницаемостью характеризуется слой 10-15 см. Этот слой характеризуется повышенной плотностью, что очевидно связано с использованием тяжелой техники в период интенсивного сельскохозяйственного использования.

На рисунке 8 представлены топоизоплеты содержания легкорастворимых солей (по величине плотного остатка) в пределах исследуемого ландшафта. Анализ топоизоплет показал, что содержание солей в поверхностном слое почв изменяется в широких пределах от

0-5 см20-25 см

10-15 см40-45 см

Рис. 8 Топоизоплеты содержания легкорастворимых солей в почве по слоям опробования

0,19% до 3,11%. В целом следует отметить, что содержание солей в поверхностном слое достаточно динамично и на распределение оказывает влияние, как микрорельеф местности, так и положение дренажного канала. Наблюдается увеличение содержания солей по направлению к бугру.

Максимальные значения содержания солей соответствуют центральной части ландшафта и расположены около дренажного канала.

Почвенный покров исследуемого ландшафта характеризуется резко выраженной пространственной мелкопятнистой неоднородностью (комплексностью). Различные компоненты этого комплекса приурочены к определенным элементам микрорельефа, которые имеют разную степень засоления. Наличие бывших оросительных каналов и магистрального дренажного канала создают условия горизонтально-бокового перераспределения солей между почвами комплекса.

Выбранная территория отвечает требованиям для использования ее в качестве модельной при разработке подхода экологического нормирования засоленных почв.

Засоление на данной территории присутствует достаточно долго, трансформация экосистемы вышла на стационарный уровень. Хорошо видны зоны деградации и даже деструкции в результате засоления. Интенсивность процесса засоления практически не меняется со временем.

Площадки отбора проб и проведения наблюдений и определений представляют собой генетически однотипные биогеоценозы, находящие в одинаковых элементах рельефа и имеющие сходные уровни нагрузки.

Территория позволяет разместить необходимое количество пробных площадок. Количество пробных площадок составило 99, что достаточно для корректной аппроксимации результатов и достоверного анализа полученных зависимостей.

Исключены рекреационные воздействия и другие формы нагрузки.

Территория может служить адекватным аналогом для других объектов региона (одинаковые физико-географические условия, структура и т.д.).

Анализируя видовой состав растительности, характерный для исследуемого участка, можно выделить три основные группы видов, в разной степени устойчивых к засолению

1 группа. К этой группе относятся виды, устойчивые к максимальному засолению почв. К ним относятся Анабазис безлистный, Качим метельчатый, Солянка древовидная, Солянка русская, Солянка южная, Терескен серый, Шведка.

2 группа. Включает в себя виды, устойчивые к средней степени засоления: Мартук восточный, Мартук пшеничный, Лебеда татарская.

3 группа. Характеризуется видами, произрастающими на почвах с минимальным содержанием солей. Из перечисленного видового состава растительности исследуемого участка, таковым является Полынь белая.

Анализ данных показал, что для предварительной оценки экологического состояния почвы возможно использование некоторых видов растительности. Наиболее подходящими видами для решения поставленной задачи являются Полынь белая, Лебеда татарская и Солянка южная.

Как видно из таблицы 1, для Лебеды татарской и Солянки южной наибольшие различия наблюдаются в значениях величин водопроницаемости и плотности почвы. Незначительные - для влажности и порозности почвы. Это позволяет сделать вывод, что на распространение Солянки южной в большей степени влияет содержание легкорастворимых солей и водопроницаемость почвы, в меньшей - плотность, влажность и порозность почвы.

Таблица 1. Виды растительности по отношению к почвенным свойствам

Свойство	Наличие вида	Отсутствие вида
Полынь белая
Плотный остаток, %	0,71±0,18	1,81±0,26
Водопроницаемость, см/ч	2,63±0,92	2,36±0,65
Плотность, г/см3	1,43±0,02	1,4±0,03
Влажность, %	11,6±1,0	10,47±0,76
Порозность, %	37,0±2,0	39,0±1,0
Лебеда татарская
Плотный остаток,%	0,89+0,37	1,32±0,19
Водопроницаемость, см/ч	1,81±1,03	2,61±0,62
Плотность, г/см3	1,46±0,02	1,4±0,02
Влажность, %	10,67±1,20	11,21±0,73
Порозность, %	41,0±3,0	39,0±1,0
Солянка южная
Плотный остаток, %	1,38±0,2	0,75±0,27
Водопроницаемость, см/ч	2,7±0,65	4,92±2,20
Плотность, г/см3	1,41±0,02	1,38±0,04
Влажность, %	10,58±0,66	11,42±1,25
Порозность, %	38,0±1,0	40,0±3,0

Так, если рассматривать области распространения Полыни белой, то можно утверждать, что данные почвы малозасолены. Действительно, полынь встречается на почвах, для которых величина плотного остатка в слое 0-20 см колеблется в пределах 0,5-0,9%. Для остальных свойств Полынь белая малопоказательна.

Лебеда татарская встречается на участках, величина плотного остатка в которых в слое 0 - 20см колеблется в пределах 0,5 до 1,3%. Кроме того, рассматриваемый вид произрастает на почве, водопроницаемость для которой не превышает значений 1,7-1,9 см/ч. На почвах со значением водопроницаемости более 2,0 см/ч данный вид не встречается.

Солянка южная. Это растение произрастает на почвах, содержание плотного остатка в слое 0 - 20 см которых более 1,3%. Кроме того, этот вид отмечен на почвах, величины водопроницаемости для которых ограничены интервалом от 2,0 до 3,3 см/ч. Так же необходимо отметить ту особенность, что Солянка южная, в отличие от Лебеды татарской и Полыни белой, требовательна к плотности почвы. Солянка южная в основном встречается на почвах, значение плотности для которых приблизительно равны 1,4г/см³. Для почв с более низким значением плотности распространение этого вида не характерно.

Подобные утверждения носят лишь поверхностный характер и могут быть пока использованы в качестве дополнительных информативных критериев. Однако, в дальнейшем, развивая данное направление необходимо тщательно изучить состояние растений, его морфологические и физиологические особенности на почвах разной степени засоления.

Выявление зависимости структурного состояния почвы от содержания ЛРС имеет немаловажное значение. Было высказано предположение, что засоление почв негативно влияет на их структурное состояние, останавливает процесс структурообразования и ухудшает уже образованную структуру в процессе засоления, разрушая агрономически ценные агрегаты.

Одной из задач данного этапа работы по проекту, было изучение структурного состояния засоленных почв в естественных условиях. Для решения поставленной задачи был использован метод сухого просеивания, предложенный известным почвоведом-физиком Н.И. Савиновым.

Для первоначальной оценки изучаемого показателя и его пространственной изменчивости использовали К_стр по результатам сухого просеивания. Рассчитанные в каждом узле сетки величины К_стр по 10-ти сантиметровым слоям позволили изучить пространственную динамику в пределах 20-ти сантиметрового слоя. Результаты представляли в виде топоизоплет (рис. 9).

В пределах изучаемого ландшафта на большей площади исследуемого участка агрегатное состояние почвы по общепринятым градациям оценивается как хорошее и отличное. Неудовлетворительное структурное состояние (К_стр< 0,67) приурочено к границам участка, преимущественно восточной и западной (дренажный канал и бугор Бэра). Анализ топоизоплет показал, что агрегатный состав поверхности значительно отличается от нижележащих слоев, что обусловлено воздействием природно-климатических и антропогенных факторов, при этом особенно выделяются зоны, поверхность которых покрыта такырообразной коркой.

В качестве примера приведем интегральные кривые агрегатного состава почв в 20-ти сантиметровом слое с поверхностной такырообразной коркой (ПР № 1.1) и без нее (ПР № 1.7) (рис. 10).

Однозначно оценить результаты агрегатного анализа по существующей градации не представляется возможным. Это обусловлено целым комплексом факторов.

Рис. 9. Топоизоплеты пространственной изменчивости К_стр: слой 0-5 см (1), слой 10-15 см (2), слой 20-25 см (3)

Из топоизоплет видно, что наилучшее структурное состояние характерно для слоя 20-25 см. Однако, морфологическое изучение почв исследуемого участка показало, что к этой глубине приурочен солевой горизонт, зачастую с признаками осолонцевания. В связи с этим, наиболее вероятно, что происхождение почвенных агрегатов связано с высоким содержанием в почве гипса и карбонатов и спецификой физико-химических свойств глинистых частиц.

Рис. 10. Интегральные кривые агрегатного состава почв ПР №№ 1.1 и 1.7 в слое 0-20 см

Рис. 11. Статистики распределения величин К_стр в слое 0-20 см

Это значит, что, несмотря на общепризнанную важность данного параметра и его агрономическое значение, применительно к засоленным почвам (особенно с признаками осолонцевания и солонцам) он не имеет однозначной трактовки по величинам содержания агрономически ценных агрегатов и К_стр.

Рассчитанные статистические показатели (рис. 11) подтверждают выдвинутое предположение, так как, несмотря на очень малое содержание гумуса в слое 20-25 см здесь наблюдается наибольшая вариабельность величин К_стр. Поэтому данный показатель не может быть использован в качестве базового.

В данном разделе приведены результаты с использованием одного из вариантов получения интегрального показателя физических свойств.

Для всех изучаемых почвенных свойств из литературных источников были найдены интервалы оптимума свойств почвы исходя из доминирующих процессов почвообразования. Этот оптимум был принят за 100%.

Например:

Коэффициент водопроницаемости - 0,63-1,67 см/час

Порозность - 50-60%

Плотность почвы - 1,0-1,4 г/см³

И по отношению к нему в процентах выражается значение этого же показателя для всех имеющихся пробных площадок, то есть относительный показатель, что является информативным показателем экологического состояния засоленных почв.

Р₁ = Р /Р_опт 100%,

где Р - значение свойства для каждой точки опробования.

Внутри каждой выборки, по полученные относительным результатам, проведено разбиение на интервалы с шагом 20%. данный подход был применен для почвенных слоев 0-5, 10-15 и 20-25 см. Результаты представляли в виде топоизоплет относительных величин каждого свойства.

Для каждого рассмотренного почвенного слоя наблюдается значительная вариабельность состояния почвы по отношению к каждому свойству.

При этом, достаточно выделены зоны с оптимальными величинами свойств. Однако, хорошо видно, что явно выраженных закономерностей не наблюдается при переходе от слоя к слою. Это является причиной специфического морфологического строения почв, где верхний слой иссушен и зачастую покрыт тонкой растрескавшейся коркой, а с глубины 20 см отмечено наличие солевого горизонта и часто признаки осолонцевания и надсолонцовый горизонт.

Как уже указывалось выше, для целей исследования необходима комплексная оценка физического состояния почвы, поэтому использовали прием наложения топоизоплет для каждого отдельного слоя (рис. 12-14).

Рис. 12. Топоизоплеты почвенных свойств для поверхностного слоя



Рис. 13. Топоизоплеты почвенных свойств для слоя 10-15 см

Рис. 14. Топоизоплеты почвенных свойств для слоя 20-25 см

Использование относительных величин вполне позволяет проводить анализ для всех свойств в одной шкале измерений.

Для поверхностного слоя практически не выявлено зон, для которых все свойства принимали оптимальные значения. Наиболее сложная ситуация выявлена для водопроницаемости поверхностного слоя.

Для слоев почвы 10-15 и 20-25 см напротив водопроницаемость в среднем более близка к оптимуму, чем остальные свойства.

Подобным образом были проанализированы все изученные почвенно-физические свойства выбранной территории.

Интегральный показатель физического состояния (ИПФС) для каждого слоя может быть рассчитан как среднее значение относительных величин свойств соответствующего слоя (таблица 2).

Таблица 2. Результаты экологической оценки засоленных почв по физическим свойствам и содержанию гумуса

Параметр	Относительный показатель состояния, %	Общая оценка физического состояния почвы, %
Плотность почвы, г/см3	58%	50%
Водопроницаемость, см/ч	76%
Порозность, %	57%
Сопротивление пенетрации, МПа	34%
Содержание гумуса, %	24%

В качестве примера, в таблице 2, приведены результаты оценки экологического состояния засоленной почвы, по нескольким определенным параметрам (при расчетах использовались только авторские экспериментальные данные).

Было получено, что экологическое состояние исследованной почвы может быть оценено как 50% от экологической нормы.

Данный подход позволяет составить градацию экологического состояния засоленных почв.

Для более точного учета солесодержания возможно введение относительной величины содержания солей, однако это, на наш взгляд, может быть использовано для решения отдельных специфических задач, связанных например, с изучением качественного состава солей и его влияния на почвенные свойства.

Заключение

При разработке предлагаемого подхода для экологической оценки засоленных почв не имеет смысла использовать оценку для каждого отдельного показателя. Смысл заключается именно в использовании комплексной оценки, зависящей от каждого отдельного показателя и учитывающей их все в совокупности.

Общие закономерности изменения свойств почвы по мере возрастания содержания легкорастворимых солей сформулированы на основе собственных экспериментальных материалов. В результате исследований установлены наиболее информативные показатели экологического состояния почвы для целей экологического нормирования. К ним относятся, прежде всего, физические показатели, поскольку они лучше коррелируют со степенью засоления и имеют меньшее варьирование в пространстве и во времени по сравнению с водными (влажность). Кроме того, должны быть учтено содержание солей. Выбранные параметры состояния почвы действительно являются определяющими для выполнения почвой своих биосферных и экологических функций, и дает объективную и информативную картину о протекающих в почве процессах и ее экологическом состоянии.

Учитывая, что для экосистемы существует бесконечное множество параметров, прямо или косвенно связанных с солесодержанием в почве. Во избежание значительной трудоемкости, предложено провести разделение на две группы; базовые (основные) и косвенные. Основные параметры должны отвечать за выполнение почвой основных функций в функционировании экосистем и вносить значительный вклад в выполнение биосферных функций. Косвенные параметры реагируют на изменение основных. Прямого влияния на засоление почвы эти параметры не оказывают.

В результате анализа экспериментальных результатов и теоретического обоснования установлено, что агрегатное состояние почв не имеет однозначной трактовки по величинам содержания агрономически ценных агрегатов и К_стр. Происхождение почвенных агрегатов может быть связано с высоким содержанием в почве гипса и карбонатов и спецификой физико-химических свойств глинистых частиц. Поэтому данный показатель не может быть выбран в качестве базового при оценке экологического состояния почвы.

...