А.И.Голованов, Н.И.Сотнева

А.И.Голованов, Н.И.Сотнева
ОЦЕНКА НАПРАВЛЕННОСТИ СОЛЕВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗАМКНУТЫХ
ГЕОСИСТЕМАХ СОЛОНЦОВЫХ КОМПЛЕКСОВ СЕВЕРНОГО ПРИКАСПИЯ1
Введение. Засоленные почвы солонцового комплекса Северного Прикаспия
являлись предметом исследования многих выдающихся ученых XX века таких, как
Б.Б.Полынов, В.А.Ковда, А.А.Роде, А.Ф.Большаков, В.М.Боровский, И.П.Герасимов и др.
К настоящему времени накоплено большое количество данных об эволюции, генезисе,
свойствах и особенностях засоления почв солонцовых комплексов Северного Прикаспия.
Данных же о направленности процесса засоления-рассоления целинных почв солонцового
комплекса на современном этапе их жизни немного. Материалы по срокам стабилизации и
определению значений геохимической емкости ландшафтов Северного Прикаспия,
которые являются главными задачами солевых прогнозов [1], отсутствуют. В основном
эти эти данные базируются на эмпирических сведениях – на сравнениях характеристик
засоленности почв по отдельным или серии разрезов, полученных разными авторами в
разные годы исследований [7,8,9].
1Работа
выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 04-04-48197.
Целью нашей работы является описание солевых процессов в почвах солонцового
комплекса Северного Прикаспия на основе метода математического моделирования и
экспериментальных данных о засолении почв, полученных в 50-е годы ХХ века и вначале
ХХI века.
Объекты и методы исследований. Объектом наших исследований являются
целинные почвы солонцовых комплексов полупустынь Северного Прикаспия (район
Джаныбекского стационара), который находится в пределах северо-западной суглинистой
Джаныбекской полупустынной равнины Волго-Уральского междуречья [2]. Плоская
поверхность равнины осложнена крупными бессточными падинами и лиманами,
приуроченными к мезоформам рельефа. Глубина падин колеблется от 0,5 до 1-1,5 м,
площадь падин варьирует от 1 до 100 и более га; глубина лиманов не превышает 1,5-2 м, а
площадь достигает иногда нескольких км2. Общая площадь падин в пределах
Джаныбекской равнины составляет 10-20 %. Межпадинные водоразделы занимают 80-90
% Джаныбекской равнины. На водоразделах формируется сложный трехчленный
почвенный комплекс, состоящий из солонцов (50 %), светло-каштановых почв (25 %) и
темноцветных почв западин (25 %) [6]. Микрорельеф представлен микрозападинами, их
склонами
и
водоразделами.
Микрозападины
покрыты
разнотравно-злаковой
растительностью, в них формируются незасоленные по всему профилю темноцветные
почвы, получающие дополнительное поверхностное увлажнение, главным образом,
весной за счет талых вод. Склоны западин занимают светло-каштановые солонцеватые
почвы, формирующиеся под ромашниково-типчаковыми растительными ассоциациями.
Эти почвы, в отличие от почв микрозападин, характеризуются меньшей
гумусированностью, меньшей промытостью от солей (до 1 м) и явным проявлением
солонцеватости. Солончаковые солонцы занимают выровненную поверхность, часто
осложненную бугорками зоогенного происхождения (сусликовинами). Солончаковые
солонцы формируются под солянково-прутняково-чернополынными ассоциациями. Это наиболее засоленные почвы трехчленного комплекса. Верхний солевой горизонт в них расположен на глубине 20-40 см.
Грунтовые воды на территории межпадинных водоразделов с трехчленным
почвенным комплексом, по данным А.А. Роде [5,6], в 1950-е годы располагались на
глубине 6-7 м. При этом под солонцами и светло-каштановыми почвами минерализация
вод составляла, соответственно 20-10 г/л. В микрозападинах под темноцветными почвами
минерализация грунтовых вод снижается до 1-3 г/л [6]. В конце 1970-х гг. начался подъем
уровня грунтовых вод, в результате, в настоящее время грунтовые воды находятся на
глубине 5-5,5 м, что отражается на солевом состоянии почв трехчленного комплекса
[7,8,9].
Климат района исследования изучен достаточно подробно (см.статью Н.И.Сотневой
«Динамика климатических показателей …» в настоящем сборнике). Анализ информации о
климате по МС Джаныбек за 47 лет (1952-1998 гг.) позволил выделить 2 подпериода
(1952-1977 гг. и 1978-1998 гг.), которые различаются по степени увлажнения и ряду
других показателей. Второй подпериод, совпавший с повышением уровня Каспийского
моря и грунтовых вод на изучаемой территории, характеризуется увеличением осадков за
теплый сезон на 50 мм, потеплением зимне-весеннего сезона на 1,30С, уменьшением
испаряемости на 70 мм за теплый сезон, сокращением числа декад с малыми и
увеличением с умеренными и сильными осадками.
В основу исследования был положен метод математического моделирования.
Предварительные допущения, принятые при моделировании. А.А.Роде [5] отмечал,
что для каждого микрокомплекса характерен замкнутый влаго- и солеоборот, хотя внутри
его этот круговорот довольно интенсивный, что и объясняет принципиальные отличия в
почвенно-растительном покрове, статьях водного- и солевого балансов. Иными словами,
по А.А.Роде, микрокомплексы можно рассматривать изолированными, за исключением
особо снежных зим, когда при снеготаянии западины могут переполняться и часть талых
вод стекает в большие падины или лиманы, при условии, что осенью почва ушла под снег
влажной. Исходя из вышесказанного и анализа природных условий изучаемого региона,
микрокомплекс можно представить в виде «пласта-бочки», как говорят гидрогеологи, с
непроницаемыми боковыми границами и симметричными радиально-осевыми потоками
воды и солей. Примерный радиус этой «бочки» равен 10 м. Верхней границей «бочек»
является поверхность земли с существенно разными отметками, их превышение для
микрокомплексов может составлять около 0,2…0,5 м на расстоянии около 10 м. В моделях
надо иметь количественное описание этой поверхности. Принято, что на радиальном
разрезе поверхность земли описывается гиперболическим тангенсом. Превышения
поверхности над дном западины  i на расстоянии ri от ее центра определялось по
зависимости
 i  0,5 0{1  th[ ( a1  a2
ri
)]} ,
R
где  0 - глубина западины; φ- относительная крутизна склона; a1 , a 2 - эмпирические
коэффициенты, вместе с относительной крутизной склона они позволяют регулировать
площади составляющих комплекса; R - приведенный радиус комплекса. В расчетах
приняты следующие значения параметров: R  10 м;  0  0,5 м; φ = 6; a1 =1,25; и,
соответственно, a2= 2.
Нижняя граница микрокомплекса или общая мощность почв и грунтов, принятая при
моделировании, зависит от геологического строения. Рассматриваемая территория
представляет собой хвалынскую равнину, подстилаемую мощным (до 40-60 м) пластом
хазарских песков. По косвенным признакам заметной гидравлической связи между ними
(напорного питания или разгрузки верхнего водоносного слоя в нижний не наблюдается),
но само наличие песчаного слоя заставило нас предусмотреть в моделях возможное
подпитывание расчетной толщи со стороны этого слоя или наоборот, что нашло свое
отражение в виде соответствующей нижней границы по воде и по солям. Общая мощность
расчетной толщи принята равной активной глубине в пласте в зависимости от
фильтрационных возмущений. Для микрокомплекса она принята равной 8 м. Расчетная
толща принята состоящей из нескольких соответствующих каждому типу почвы
генетических горизонтов. В модели учтены гидрогеохимические связи между
сопряженными фациями солонцового комплекса: элювиальной (возвышенной) фации с
солончаковыми солонцами, трансэлювиальной со светло-каштановыми почвами и
аккумулятивно-элювиальной фации с темноцветными незасоленными почвами.
Для оценки многолетнего тренда процессов засоления необходимы прогнозные
расчеты большой длительности (100 и более лет). Из-за ограниченности длин рядов
метеорологических наблюдений, составляющих 26 лет (1952-1977 гг.) и 21 год (1978-1998
гг.), мы повторяли эти ряды нужное количество раз. Разработка модели и реализация ее в
виде компьютерной программы, написанной в среде программирования MS VISUAL
BASIC, была проведена проф. А.И.Головановым. Исходные данные (водно-физические
свойства, глубина корней каждой ассоциации, биологические коэффициенты,
учитывающие особенности конкретного ценоза), вводятся для каждой почвы отдельно.
Обсуждение результатов моделирования. Моделирование проходило в два этапа,
исходя из выделенных нами двух климатических подпериодов. Первая серия расчетов (на
основании климата 1952-1977 гг.) была выполнена с целью оценки стабилизации
засоления и проверки модели на экспериментальных литературных данных 50-х гг.
Вторая серия расчетов (на основании климата 1978-1998 гг.) была выполнена с целью
вторичной проверки модели на современных полевых материалах 2001-2003 гг. и
прогнозирования на 2040 г.
Проверка модели. Результаты первой серии расчетов на период 50-х гг. позволяют
провести проверку модели по следующим показателям: суммарному испарению, глубинам
грунтовых вод, запасам солей. Суммарное испарение сравнивали с данными А.А.Роде [5]
и И.Н.Оловянниковой [3]; глубины грунтовых вод - по измеренным величинам на воднобалансовых площадках [5]; запасы солей на период 50-х гг. на разных элементах рельефа по литературным данным [6], на период конца ХХ в. – по собственным полевым
материалам, а также по опубликованным материалам [7,8,9]. Проверка модели показала
удовлетворительную сходимость расчетных модельных и экспериментальных результатов
(R2 = 0,65-0,70).
Результаты моделирования. Результаты моделирования водно-солевого режима при
амплитуде микрорельефа 0,5 м представлены в таблице. Водно-солевой режим на период
50-х и 70-х гг. ХХ в. довольны схожи, что позволяет сделать вывод о стабилизации
солевых процессов при стабильных погодных условиях. По данным А.А.Роде [5], сезонногодовая динамика уровня грунтовых вод под всеми элементами микрорельефа
складывается из трех фаз: весеннего подъема, летнего спада и осенне-зимней
стабилизации. Во влажные годы, когда осенне-зимние осадки составляют почти половину
годовой нормы (100-150 мм), весенний подъем грунтовых вод достигает 0,3-0,5 м, с
формированием микрокуполов под западинами, который формируется за счет
инфильтрации талых вод. Микрокупол грунтовых вод под западинами растекается под
другие элементы, вызывая гидравлическое выравнивание, что приводит к повышению
уровня грунтовых вод под склонами и микроповышениями. Этот процесс формирует
своеобразный замкнутый круговорот воды и солей. В середине лета уровень грунтовых
вод под различными элементами микрорельефа выравнивается, а к осени устанавливается
на глубине, которые, как правило, соответствуют глубинам прошлого года. Такой
механизм водного режима описывает модель, что подтверждается боковым оттоком влаги
из западины в сторону склона, который в среднем равен 8 мм/год, но в отдельные годы
может иметь отрицательный знак (-38-42 мм). Такое явление отмечал А.А. Роде [5] и
объяснял это следующим образом. В засушливые годы, когда сумма осенне-зимних
осадков не превышает 50-70 мм, сезонно-годовой режим грунтовых вод отличается
меньшей амплитудой колебаний и более слабым весенним подъемом или его отсутствием.
Так, в конце апреля уровень грунтовых вод под всеми элементами микрорельефа
оказывается таким же, как и осенью предыдущего года, либо ниже на 10-15 см. Весенний,
в основном майский, подъем уровня грунтовых вод не превышает в среднем 0,15-0,20 м.
При этом под различными почвами комплекса отмечается сравнительно одинаковая
скорость подъема грунтовых вод, без формирования микрокуполов под западинами.
Результаты моделирования на период конца ХХ в. показывают, что при изменении
климатических условий меняется и водно-солевой режим почв микрокомплекса. В
среднем за год бокового оттока из западины в сторону склона не происходит (-8 мм).
Промываемость темноцветной почвы западины несколько снижается (с 14 –15 до 9 мм).
Такие изменения водного режима западин можно объяснить увеличением суммарного
испарения (с 322 до 394 мм), главным образом за счет увеличения транспирации степной
растительности, и подъемом уровня грунтовых вод (с 5,7 до 5,2 м), что повлекло за собой
засоление ранее незасоленных темноцветных почв западин. Запасы солей в 5-метровой
толще на темноцветных почвах увеличиваются в среднем в 1,1 раза, а содержание
солей в 1-метровой толще - в 1,3 раза. Более заметное увеличение запасов солей на
темноцветных почвах, по сравнению с концом ХХ века, будет происходить в прогнозном
2040г.
Результаты многолетнего прогнозирования водного и солевого режимов почв солонцового комплекса при амплитуде рельефа 50 см
(среднемноголетние показатели, пределы изменения)
Почвы
Весеннее
увлажнение, мм
Осадки
теплого
периода,мм
Боковой
приток,
мм
Темноцветные
196
98253
166
56290
-
Светло-каштановые
Солончаковые
солонцы
98
58183
49
3180
166
56290
166
56290
8
-39+49
16
-11+49
Темноцветные
196
98253
98
58183
49
3180
166
56290
166
56290
166
56290
-
210
111261
105
66155
53
3583
215
68374
215
68374
215
68374
210
111261
105
66155
53
3583
215
68374
215
68374
215
68374
Светло-каштановые
Солончаковые
солонцы
Темноцветные
Светло-каштановые
Солончаковые
солонцы
Темноцветные
Светло-каштановые
Солончаковые
солонцы
6
-43+47
15
-13+48
-8
-81+56
14
-4+47
-9
-79+58
15
-1+53
Боковой
отток, мм
Суммарное
испарение,
мм
На период 50-х гг. ХХ в.
8
15
322
-38+47
-81+160
250392
44
-24+104
-
Промываемость, мм
20
255
-24+143
190307
-13
233
-69+97
173278
На период 70-х гг. ХХ в.
6
14
324
-42+45
-85-158
258393
31
20
255
-27+101
-25+143
190307
-12
232
-70+98
173276
На период конца ХХ в.
-8
9
394
-77+54
-185+152
309554
30
35
294
-8+101
-82+165
211362
-8
280
-113+130
197340
На прогнозный 2040 г.
-9
4
399
-76+55
-183+152
314552
33
33
296
-2+112
-79+165
212354
-13
286
-114+130
205342
ГГВ, м
Запасы солей в слоях,
кг/м2
8-м.
5-м.
Сумма
солей в 1-м
слое, %
5,7
5,35,8
41
3944
13
1214
0,03
0,030,04
5,7
5,35,9
6,2
5,86,3
67
6669
142
139145
42
4143
104
101108
0,15
0,120,19
0,66
0,50,8
5,7
5,35,8
5,7
5,35,8
6,2
5,86,3
36
3538
66
6569
147
145149
12
1113
43
4244
110
107113
0,03
0,030,04
0,17
0,130,21
0,71
0,50,85
5,2
4,25,6
5,2
4,25,6
5,7
4,76,1
36
3539
67
6468
150
148151
13
1217
44
4347
112
108115
0,04
0,030,06
0,13
0,070,18
0,60
0,330,79
5,2
4,25,5
5,2
4,25,2
5,7
4,75,9
43
4245
66
6568
150
148151
19
1821
43
4245
109
106112
0,06
0,040,08
0,12
0,060,15
0,57
0,320,74
Изменения водно-солевого режима происходят и на других элементах рельефа.
Отмечается увеличение суммарного испарения на светло-каштановых почвах (с 255 до
294 мм), на солончаковых солонцах (с 232 до 280 мм), что связано с увеличением общей
увлажненности на изучаемой территории. Увеличение суммарного испарения, главным
образом за счет транспирации растительности, отразилось на солевом состоянии этих
почв. Запасы солей в 5-метровой толще на светло-каштановых почвах увеличиваются в
1,04 раза, на солончаковых солонцах – в 1,02 раза, а содержание солей в 1-метровой толще
на светло-каштановых почвах уменьшается в 1,3 раза, на солончаковых солонцах – в 1,2
раза. Увеличение запасов солей в 5-метровой толще можно объяснить деятельностью
глубокой корневой системы полупустынных и пустынных ассоциаций светло-каштановых
почв и, соответственно, солончаковых солонцов. Уменьшение солей в 1-метровой толще
объясняется потеплением холодного сезона на 1,30С, что привело к уменьшению глубины
промерзания этих почв, лучшей впитываемости почв весенней влагой и промываемости от
солей. По результатам моделирования на период 70-х гг. ХХ в., глубина верха солевого
горизонта в солонцах находится на  0,45 м. Глубина солевого горизонта в солонцах на
прогнозный 2040 г. увеличивается до  0,65 м.
Прогнозные результаты на 2040 г., сделанные на основании 2 климатического
подпериода (1978-1998 гг.), показывают довольно схожую картину водно-солевого
режима с периодом 70-х гг., что позволяет сделать вывод о стабилизации солевых
процессов при стабильных внешних воздействиях – климате. Так, моделируя процессы
соленакопления в почвах солонцового комплекса Северного Прикаспия, оцениваем
зависимость галоемкости, главным образом, от климатических условий.
Выводы. 1. Разработанная двумерная радиально-осевая модель водно-солевого
режима позволяет учесть геохимические связи и раскрыть особенности миграционных
процессов между сопряженными фациями солонцовых комплексов.
2. Результаты моделирования на период 1950-1970-х гг. достаточно
удовлетворительно (R2 = 0,65-0,70) описывают природный сценарий развития водносолевого режима и позволяют заключить, что при стабильных погодных условиях
происходит стабилизация солевых процессов и геохимической емкости примерно за 80100 лет.
3. При изменении погодных условий, в данном случае повышение общей
увлажненности территории с 1978 г., происходит подъем уровня грунтовых вод в среднем
на 0,5 м (например, под солончаковыми солонцами с 6,2 до 5,7 м) с амплитудой по годам
(от 4,7 до 6,1 м), увеличение суммарного испарения и некоторое засоления темноцветных
почв, что подтверждается экспериментальными данными. Повышенная увлажненность на
фоне потепления зимне-осеннего сезона на 1,30С способствует лучшей промываемости
светло-каштановых и солончаковых солонцов.
4. Прогнозные результаты на 2040 г. позволяют констатировать следующее. При
существующих погодных условиях будет происходить некоторое накопление солей в
темноцветных почвах на фоне остепнения солончаковых солонцов за счет изменения
растительности на всех элементах рельефа и как следствие изменение круговорота воды и
солей.
Библиографический список
1. Голованов А.И., Панкова Е.И., Сотнева Н.И. Оценка направленности и интенсивности
процесса соленакопления (на примере почв юга Западной Сибири) // Почвоведение,
2002. № 5. С.531-544.
2. Доскач А.Г. Природное районирование Прикаспийской низменности (северо-западной
части). М.: Наука. 1979. 142 с.
3. Оловянникова И.Н. Водный режим растительности солонцового комплекса Прикаспия
и условия лесоразведения // Искусственные насаждения и их водный режим в зоне
каштановых почв. М.: Наука. 1966. с.186-313.
4. Роде А.А. Климатические условия района Джаныбекского стационара. М.: Изд-во АН
СССР. 1959. Вып.1. С.3-40.
5. Роде А.А., Польский М.Н. Водный режим и баланс целинных почв полупустынного
комплекса // Водный режим почв полупустыни. М.: Изд-во АН СССР. 1963. С.5-78.
6. Роде А.А., Польский М.Н. Почвы Джаныбекского стационара, их морфологическое
строение, механический и химический состав и физические свойства // Тр. Почвенного
ин-та им.В.В.Докучаева. М., 1961. Т.56. С.3-214.
7. Соколова Т.А., Сиземская М.Л., Сапанов М.К., И.И.Толпешта. Изменение содержания
солей и состава солей в почвах солонцового комплекса Джаныбекского стационара за
последние 40-50 лет // Почвоведение, М., 2000. №11. С.1328-1339.
8. Соколова Т.А., Сиземская М.Л., Толпешта И.И., Сапанов М.К., Субботина И.В.
Динамика солевого состояния целинных почв полупустыни Северного Прикаспия в
связи с многолетними колебаниями уровня грунтовых вод (на примере почв
Джаныбекского стационара Института лесоведения РАН) // Экологические процессы в
аридных биогеоценозах. М.: Изд-во РАН. 2001. С. 113-132.
9. Топунова И.В. Солевое состояние целинных и мелиорируемых солончаковых солонцов
Северного Прикаспия в условиях подъема уровня грунтовых вод (на примере почв
Джаныбекского стационара). Автореф. дис…. канд.биолог. наук М., 2003. 21 с.