Реакции и механизмы взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными грунтовыми водами в условиях модельного опыта: На примере почв Джаныбекского стационара ИЛ РАН

Актуальность темы

На территории Прикаспийской низменности с конца 70-х годов начался общий подъем уровня грунтовых вод, приводящий к засолению и осолонцеванию всех компонентов почвенного покрова, в том числе — исходно незаселенных и несолонцеватых лугово-каштановых почв западин, формирующих в сочетании с солончаковыми солонцами на повышениях микрорельефа основной фон почвенного покрова. Подъем грунтовых вод и процессы засоления почв особенно быстро развиваются на территориях, непосредственно прилегающих к оросительным каналам, где грунтовые воды стоят на глубине 2−3 м и выше. Изучение реакций и механизмов взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными грунтовыми водами необходимо для прогноза изменения солевого состояния этих почв в условиях подъема уровня грунтовых вод. Этим определяется актуальность работы.

Цель работы — исследовать основные процессы взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными грунтовыми водами в условиях модельных опытов, имитирующих подъем уровня грунтовых вод на целинных участках, вне зоны влияния оросительных систем, и на территориях, прилегающих к оросительным каналам.

Задачи работы: 1. Проведение двух модельных лабораторных опытов по взаимодействию профиля лугово-каштановой почвы с грунтовыми водами, аналогичными по составу и уровню минерализации грунтовым водам на целинных участках и на территориях, прилегающих к оросительным каналам.

2. Оценка изменения количества и состава грунтовых вод в результате взаимодействия с почвой.

3. Оценка изменения содержания и состава легкорастворимых солей (по данным анализа водной вытяжки, суспензий 1:2,5 и фильтратов из паст) в разных генетических горизонтах почвы в результате взаимодействия с минерализованными грунтовыми водами.

4. Оценка изменения состава обменных катионов и степени проявления солонцового процесса в разных генетических горизонтах почвы в результате взаимодействия с минерализованными грунтовыми водами.

5. Оценка изменения содержания карбонатов и гипса в разных генетических горизонтах почвы в результате взаимодействия с минерализованными грунтовыми водами.

6. Выявление реакций и механизмов взаимодействия лугово-каштановых почв с грунтовыми водами и прогноз изменения этих почв при подъеме уровня грунтовых вод.

Объекты исследования — целинные лугово-каштановые почвы солонцовых комплексов Джаныбекского стационара.

Методология исследования — физическое моделирование, математическое моделирование, статистическая обработка имеющихся массовых данных.

Научная новизна. Впервые на основе модельного эксперимента выявлены реакции и механизмы взаимодействия лугово-каштановых почв с минерализованными грунтовыми водами и составлен прогноз изменения этих почв при подъеме уровня грунтовых вод. Экспериментально показано, что при непрерывном капиллярном подъеме минерализованных сульфатно-натриевых грунтовых вод в профиле лугово-каштановой почвы в нижних горизонтах Вса и ВСса основным процессом является вытеснение натрием обменного Сачасть Са, поступившего в раствор, осаждается в форме кальцита и гипса, а часть остается в жидкой фазе и перемещается в верхние горизонты с восходящим током раствора преимущественно в форме хлоридов. В верхнем горизонте происходит испарение влаги, концентрирование раствора и осаждение из раствора гипса и хлоридов Са и Mg в форме плохоокристаллизованных сильно гидратированных соединений, т. е. развивается хлоридно-магниево-кальциевое засоление.

Место и время сбора фактического материала: Джаныбекский стационар, расположенный в северо-западной части Прикаспийской низменности, был организован весной 1950 г. Он находится на границе 4.

Уральской области Казахстана и Палласовского района Волгоградской области России. Поскольку территория Джаныбекского стационара типична для междуречья Волги и Урала в пределах северной части Прикаспийской низменности, выводы диссертации могут быть распространены на весь этот обширный географический регион. Основной задачей стационара вначале была разработка способов выращивания полезащитных лесных насаждений в исконно безлесной глинистой полупустыне с широким распространением засоленных почв. В дальнейшем стационар перешел к новой, более широкой задачеразработке методов земледельческого освоения почв, в богарных условиях, с использованием системы агролесомелиоративных мероприятий.

Начиная с момента создания стационара весной 1950 года, на его территории проводились систематические почвенные исследования, глубокое изучение водно-солевого режима солончаковых солонцов. По солевому состоянию почв этих почв накоплен огромный фактический материал. Менее изучены другие почвы солонцового комплекса — лугово-каштановые.

Экспериментальный материал для настоящей работы был собран в сентябре 2002 года. Автор принимал непосредственное участие в проведении модельного эксперимента. Химические анализы, статистическая обработка полученных массовых данных, а также интерпретация полученных данных также принадлежат автору данной работы.

Благодарности: Автор выражает сердечную благодарность своему научному руководителю — профессору, доктору биологических наук Т. А. Соколовой за постоянное внимание и помощь в написании диссертации. Автор признателен к.б.н. М. JI. Сиземской и д.б.н. М. К. Сапанову за непосредственное руководство полевыми работами при сборе материала для диссертации. Также автор выражает благодарность к.б.н. Т. Я. Дроновой и к.б.н. И. И. Толпешта — за большую помощь в получении экспериментального материала и консультации, д. с/х.н. Н. Б. Хитрову — за ценные советы и консультации при составлении программы работ, к. с/х.н. Н. С. Никитиной — за помощь в проведении химических анализов, к.б.н. А. В. Колесникову, аспирантке С. Г. Борзенко за помощь в проведении полевых и лабораторных исследований.

Выводы.

1. Проведен модельный эксперимент в колонках, в котором в течение 10 месяцев осуществлялся капиллярный подъем минерализованных сульфатно-натриевых модельный грунтовых вод (МГВ) через профиль исходно незасолен-ной лугово-каштановой почвы. В первом варианте опыта МГВ по минерализации и составу была аналогична естественным грунтовым водам под лугово-каштановыми почвами на целине («целинная» МГВ), во втором варианте МГВ — грунтовой воде на орошаемом участке вблизи канала («приканальная» МГВ).

2. По данным анализа водной вытяжки, суспензий 1:2,5 и фильтратов из паст после воздействия «целинной» МГВ на исходно незаселенные лугово-каштановые почвы горизонт А1 характеризуется как сильно засоленный хло-ридно-магниево-кальциевый, АВ — слабо засоленный сульфатный (гипсовый) магниево-кальциевый, Вса — слабо засоленный сульфатный (гипсовый) натрие-во-кальциевый и ВСса — слабо засоленный сульфатный (гипсовый) натриевый. После взаимодействия с «приканальной» МГВ горизонт А1 характеризуется как очень сильно засоленный хлоридно-магниево-кальциевый, АВ — слабо засоленный хлоридно-сульфатно-магниево-кальциевый, Вса и ВСса — сильно засоленные сульфатные (гипсовые) натриевые.

3. В обоих вариантах опыта при воздействии на почву МГВ сульфатно-натриевого состава наблюдается отчетливое преобладание хлоридов Са и Mg в составе водной вытяжки и фильтратов из паст в верхнем горизонте А1, т. е. фиксируется не только засоление почвы, но и изменение типа засоления по сравнению с МГВ.

4. В исходных образцах лугово-каштановой почвы карбонаты отсутствуют в горизонтах А1 и АВ, в нижележащих горизонтах ВСа и ВСса содержание карбонатов составляет 11%. После взаимодействия и с «целинной», и с «приканальной» МГВ достоверно увеличилось содержание карбонатов в горизонте ВСса за счет фракции, диссоциирующей при нагревании в области относительно низких температур (620−780°С), что свидетельствует о процессе осаждения.

122 кальцита в этом горизонте. Во всех горизонтах фиксируется процесс осаждения из раствора гипса.

5. В составе солевого налета, образовавшегося на поверхности колонок в обоих вариантах опыта, преобладающим компонентом является гипс, а в составе солевых выцветов, образовавшихся на поверхности образцов из горизонтов ВСа и ВСса в опыте с «приканальной» МГВ — гипс, астраханит, тенардит и галит. После взаимодействия с «целинной» и «приканальной» МГВ в плотном остатке фильтратов из паст во всех горизонтах преобладающим компонентом является бассанит — минерал с формулой CaS04−0,5H20, образовавшийся из гипса при прогревании препаратов.

6. В исходной лугово-каштановой почве во всех горизонтах среди обменных катионов преобладает Са2+, содержание обменного Na+ не превышает 1%. Под воздействием МГВ в составе обменных катионов в горизонтах ВСа и ВСса снизилось количество обменного Са и резко возросло количество обменного Na+ (до 66% от ЕКО). Вместе с тем, ни в одном из горизонтов нельзя ожидать неблагоприятного изменения физических свойств почвы, характерного для солонцового процесса, за счет высокой концентрации солей.

7. Полученный материал позволяет сделать заключение о процессах, происходящих в разных горизонтах лугово-каштановой почвы при непрерывном поступлении и капиллярном подъеме минерализованных сульфатно-натриевых грунтовых вод. В нижних горизонтах ВСа и ВСса основным процессом является вытеснение натрием и, возможно, магнием обменного Са. Часть Са, поступившего в раствор, осаждается в форме кальцита и гипса, а часть остается в жидкой фазе и перемещается в верхние горизонты с восходящим током раствора преимущественно в форме хлоридов. В верхнем горизонте А1 происходит испарение влаги, концентрирование раствора и осаждение из раствора гипса и хлоридов Са и Mg в форме плохоокристаллизованных сильно гидратированных соединений. В результате воздействия минерализованных сульфатно-натриевых МГВ лугово-каштановая почва превращается в солончак.

8. Развитие хлоридно-кальциевого засоления у верхней границы капиллярной каймы в лугово-каштановых почвах, выявленное в ходе эксперимента, подтверждает результаты последних исследований в природных условиях на лугово-каштановых почвах в системе агрослесомелиорации.

Заключение

.

Проведен модельный эксперимент в двух колонках, в которых в профиль исходно незасоленной лугово-каштановой почвы снизу в течение 10 месяцев непрерывно подавались минерализованные сульфатно-натриевые модельные грунтовые воды (МГВ), по минерализации и составу аналогичные естественным грунтовым водам под лугово-каштановыми почвами на целине («целинная» МГВ) и на орошаемом участке вблизи канала («приканальная» МГВ).

В результате проведенного опыта общая минерализация оставшихся модельных грунтовых вод не изменилась, но произошло изменение их состава: снизилось количество Na и Са и бикарбонат-иона и увеличилось содержание в воде К+. Расчеты, сделанные с учетом изменения объема МГВ и их состава, показывают, что в условиях эксперимента из грунтовых вод в почву поступило 97% и 86% от исходного суммарного содержания солей в опытах соответственно с «целинной» и «приканальной» МГВ.

После воздействия «целинной» МГВ на исходно незаселенные лугово-каштановые почвы по степени и типу засоления, определенному по составу водной вытяжки, горизонт А1 характеризуется как сильно засоленный хлорид-но-магниево-кальциевый, АВ — слабо засоленный сульфатный (гипсовый) маг-ниево-кальциевый, Вса — слабо засоленный сульфатный (гипсовый) натриево-кальциевый, ВСса — слабо засоленный сульфатный (гипсовый) натриевый.

После взаимодействия исходной лугово-каштановой почвы с «приканальной» МГВ по типу и степени засоления, определенному по составу водной вытяжки, горизонт А1 характеризуется как очень сильно засоленный хлоридно-магниево-кальциевый, горизонт АВ — слабо засоленный хлоридно-сульфатной магниево-кальциевый, горизонты Вса и ВСса — сильно засоленные сульфатные (гипсовые) натриевые.

В обоих вариантах опыта при воздействии на почву МГВ сульфатно-натриевого состава фиксируется отчетливое преобладание хлоридов Са и Mg в составе водной вытяжки из верхнего горизонта А1, т. е. происходит не только засоление почвы, но и изменение типа засоления по сравнению с МГВ. Эту закономерность можно объяснить вытеснением натрием обменного кальция из.

Л I I.

ППК и капиллярным подъемом обогащенной Са и Mg воды. Из анионов наиболее миграционно-способным является СГ, поэтому вверх движутся имен.

2+ 2+ но хлориды Са и Mg, и именно они накапливаются в верхнем горизонте при испарении влаги. Этому процессу способствует более высокая по сравнению с другими солями растворимость хлоридов щелочноземельных металлов. Аналогичная закономерность была выявлена последними исследованиями (Бычков, Сиземская, 2005) у верхней границы капиллярной каймы в лугово-каштановых почвах в условиях агролесомелиоративной системы.

Исходная лугово-каштановая почва характеризуется низкими значениями активностей ионов Na+, К+, Са2+ и СГ в суспензиях 1:2,5, которые измеряются десятыми долями ммоль/л, без существенной дифференциации по горизонтам. Только для иона К+ наблюдается закономерное снижение активности с глубиной. Под влиянием «целинной» и «приканальной» МГВ происходит отчетливое.

24* «Ь увеличение активности ионов Са, К и СГ в верхнем горизонте А1 и ионов Na+ — в нижней части профиля.

В фильтратах из насыщенных водой паст из исходных образцов лугово-каштановой почвы катионы представлены почти целиком Са и Mg, среди анионов преобладает бикарбонат-ионсущественной дифференциации какого-либо из ионов по профилю не наблюдаетсяфильтраты имеют низкую ионную силу (0,004−0,006 МУл) и, соответственно, низкие величины электропроводности (<1 dSm" 1). По индексам насыщенности (расчет по программе VMINTEQ) в образцах из бескарбонатных горизонтов наблюдается недонасыщенность жидкой фазы по кальциту, в карбонатных горизонтах фильтраты из всех образцов слабо пересыщены по кальциту. Образцы из всех горизонтов сильно недонасыщены по гипсу. Зависимость между рН и величинами карбонатной щелочности в карбонатных горизонтах удовлетворительно описывается карбонатно-кальциевыми равновесиями.

После взаимодействия образцов с «целинной» МГВ, во всех горизонтах концентрации всех ионов, кроме бикарбонат-иона, в фильтратах возрастают по сравнению с исходной почвой. Так же, как и в водной вытяжке, в самом верхнем горизонте А1 наблюдается отчетливое накопление хлоридов Са и Mg, в.

I ^ нижних горизонтах ВСа и ВСса несколько повышается концентрация Na и SO4 «по сравнению с вышележащими горизонтами — соответственно до 22 и 30 ммоль экв/л. С развитием засоления в фильтратах возрастают значения ионной силы (данные расчета по VMINTEQ) до 0,09−0,1 моль/л в горизонте А1 и до 0,04−0,06 моль/л — в нижележащих горизонтах и величины электропроводности — соответственно до 5,6−6,8 и 2,7−4,1 dSm» 1 в верхнем горизонте А1 и в нижней части профиля. По существующим градациям эти величины превышают критические значения для чувствительных и умеренно-чувствительных культур. По программе VMINTEQ рассчитано, что натрий, калий и хлор по всему профилю на 97−100% представлены свободными ионами Na+, К+' и С1″ соответственно. Доля свободных ионов Са и Mg от общей концентрации этих элементов в фильтрате снижается от 87−90% в горизонте А1 до 67−81% в нижележащих горизонтах. Доля свободных SO4 «-ионов от общей концентрации сульфатов возрастает от 50% в горизонте А1 до 70% в нижней части профиля. По индексам насыщенности фильтраты во всех образцах сильно пересыщены по кальциту, доломиту и арагониту и несколько недонасыщены по гипсу.

После взаимодействия образцов с «приканальной» МГВ во всех горизонтах концентрации всех ионов, кроме бикарбонат-иона, резко возрастают по сравнению с исходной почвой. В самом верхнем горизонте А1 наблюдается отчетливое накопление хлоридов Са и Mg, в нижних горизонтах резко повышаются концентрации Na и SO4 «. С развитием засоления в фильтратах возрастают значения ионной силы (данные расчета по VMINTEQ) до 0,2 моль/л в горизонте А1 и до 0,1−0,2 моль/л — в нижележащих горизонтах и величины электропроводности — соответственно до 10−11 и 9−13 dSm» 1 в верхнем горизонте А1 и в нижней части профиля. Эти величины ЭП по принятым градациям превышают критические значения для умеренно-толерантных и даже для толерантных культур. По программе VMINTEQ рассчитано, что натрий, калий и хлор по всему профилю на 89−97% представлены свободными ионами Na+ и К+. Доля.

Л I О I свободных ионов Са и Mg от общей концентрации этих элементов в фильтрате постепенно снижается от 90−92% в горизонте А1 до 40−50% в нижних гол ризонтах. Доля свободных SO4 «-ионов от общей концентрации сульфатов возрастает от 40% в горизонте А1 до 60−70% в нижней части профиля. Остальная часть кальция, магния и сульфат-ионов представлена ионными парами. По индексам насыщенности фильтраты из паст во всех образцах сильно пересыщены по кальциту, доломиту и арагониту и близки к условиям равновесия по гипсу.

Зависимость между рН и карбонатной щелочностью для карбонатных горизонтов удовлетворительно описывается карбонатно-кальциевыми равновесиями для систем, содержащих сульфат Na при ионной силе раствора 0,2 л л моль/л и Рсог в интервале атм. Именно такие параметры свойственны карбонатных горизонтам лугово-каштановой почвы после взаимодействия «приканальной» МГВ.

В исходных образцах лугово-каштановой почвы карбонаты отсутствуют в горизонтах А1 и АВ, в нижележащих горизонтах Вса и ВСса содержание карбонатов составляет около 11%. После взаимодействия и с «целинной», и с «приканальной» МГВ достоверно увеличилось содержание карбонатов в горизонте ВСса за счет фракции, диссоциирующей в области низких температур. Предполагается, что в других горизонтах также могло происходить осаждение кальцита, но в небольших количествах, которые не регистрируются методом термического анализа.

В результате взаимодействии лугово-каштановой почвы с «целинной» и «приканальной» МГВ во всех горизонтах происходит процесс осаждения из раствора гипса.

В составе солевого налета, образовавшегося на поверхности колонок в обоих вариантах опыта, преобладающим компонентом также является гипс, а в составе солевых выцветов, образовавшихся на поверхности образцов из горизонтов ВСа и ВСса) после их высушивания — гипс, астраханит, тенардит и галит. После взаимодействия с «целинной» и «приканальной» МГВ во всех горизонтах в плотном остатке фильтратов из паст преобладающим компонентом является бассанит — минерал с формулой CaSC>4 • 0,5Н20, образовавшийся из гипса при прогревании препаратов.

В исходной лугово-каштановой почве во всех горизонтах сумма обменных катионов, т. е. эффективная ЕКО, примерно одинакова и варьирует около 170 ммоль экв/кг. Среди обменных катионов преобладает Са2+, содержание которого составляет около 80−85% от суммы обменных катионов, содержание обменного Mg составляет 11−15%, обменного Na+ — не превышает 1% и по горизонтам достоверно не изменяется, обменного К+ — снижается с глубиной от 6% от суммы в горизонте А1 до 3% в горизонте ВСса.

Под воздействием «целинной» МГВ в составе обменных катионов статистически подтвержденные изменения произошли в горизонтах Вса и ВССав этих горизонтах существенно снизилось количество обменного Са2+, несколько.

Л I повысилось содержание обменного Mg и резко (в горизонте ВСса — на порядок) возросло количество обменного Na+, доля которого от эффективной ЕКО составила соответственно 5 и 11%. Содержание обменного К+ достоверно не изменилось ни в одном из горизонтов.

В составе обменных катионов в горизонте А1 в опыте с «приканальной» МГВ достоверных изменений не было. В горизонтах Вса и ВСса количество обменного Са2+ снизилось в 4 и 8 раз соответственно, а содержание обменного Na повысилось в 40 и 54 раза по сравнению с исходной почвой и достигло 59 и 66% от эффективной ЕКО. Количество обменного Mg в горизонте ВСса возросло в 1,5 раза. Содержание обменного К+ достоверно не изменилось ни в одном из горизонтов.

Ни в одном из горизонтов визуально не наблюдалось пептизации почвенных коллоидов, снижения водопроницаемости и других признаков неблагоприятного изменения физических свойств почвы, характерного для солонцового процесса, несмотря на высокое содержание обменного Na. Пользуясь существующими критериями, можно заключить, что по величине SAR развития осо-лонцевания можно было бы ожидать в горизонтах Вса и ВСса после воздействия приканальной" МГВ, но именно в этих горизонтах значения электропроводности поднимаются до 10−12 dSm*1. Поэтому даже при содержании обменного Na+ в ППК, превышающем 60% от ЕКО, в этих горизонтах не происходит негативных изменений физических свойств почвы. В остальных горизонтах значения SAR в фильтратах из паст не достигают критических значений.

Представленный фактический материал, позволяет сделать выводы о процессах, протекающих в разных горизонтах исходно незасоленных лугово-каштановых почв под влиянием минерализованных грунтовых вод сульфатно- | натриевого состава и дать прогноз изменения этих почв под влиянием^{минерализованных} сульфатно-натриевых грунтовых вод.

Си-С&ио.

При непрерывном поступлении и восходящем передвиженийИминерали-зованных сульфатно-натриевых грунтовых вод в нижних горизонтах профиля Вса и ВСса лугово-каштановой почвы основным процессом является вытеснение натрием и, возможно, магнием обменного Са из ППК, в результате чего содержание Na в ППК возрастает до 60% и более, а в раствор поступает большое количество Са.

Нижние горизонты Вса и ВСса обогащаются теми легкорастворимыми солями, которые преобладают в составе модельных грунтовых вод, прежде всего — сульфатами Na.

Определенное количество Са, поступившего в раствор, в горизонтах Вса и ВСса осаждается в форме кальцита и гипса, а часть — остается в жидкой фазе и перемещается в верхние горизонты с восходящим током раствора. Часть сульфат-иона, поступившего /эти горизонты с модельной грунтовой водой, также осаждается в составе гипса, часть — образует ионные пары. Ионы СГ, поступающие с МГВ, обладают значительно большей подвижностью, чем сульфат-ионы, поэтому вытесненный из ППК Са и присутствующий в составе МГВ Mg2+ перемещаются с восходящим током почвенных растворов преимущественно в форме хлоридов. В самом верхнем горизонте А1 происходит испарение влаги, концентрирование раствора и осаждение из раствора содержащихся в нем солей. В результате в горизонте А1 происходит аккумуляция растворимых солей, прежде всего — хлоридов Са и Mg. В некотором количестве осаждается также гипс. Накопление хлоридов Са и Mg, которое отчетливо фиксируется по результатам анализа водных вытяжек и фильтратов из паст и по измерениям активностей ионов, осуществляется, вероятно, в форме плохоокристаллизованных сильно гидратированных соединений, не дающих рефлексов на рентгенограммах.

Таким образом, при взаимодействии исходно незаселенных лугово-каштановых почв с минерализованными сульфатно-натриевыми грунтовыми водами развивается солончаковый процесс, причем в верхнем горизонте А1 за счет реакций катионного обмена происходит изменение типа засоления по сравнению с типом засоления, свойственным грунтовой воде.

На основании проделанного опыта можно ожидать, что аналогичные изменения, прежде всего — хлоридно-кальциевое засоление у верхней границы капиллярной каймы, будут происходить в лугово-каштановых почвах при подъеме уровня грунтовых вод. Это предположение подтверждается последними исследованиями, проведенными на Джаныбекском стационаре на лугово-v/ каштановых почвах в условиях агролесомел^ративной системы.