Почвоведение, 2021, № 1, стр. 120-135

ВВЕДЕНИЕ

Равнинная часть Крымского полуострова характеризуется засушливым климатом [7]. Рост населения и развитие промышленности и сельского хозяйства на полуострове в 1950-х годах ограничивался естественными небольшими ресурсами пресных вод. Для решения этих проблем в 1960-х годах был построен Северо-Крымский канал, по которому поступала днепровская вода из Каховского водохранилища. Оросительная система Северо-Крымского канала охватила большую часть равнинного Крыма и включала многочисленные массивы с полевыми севооборотами, сады и рисовые системы.

Строительство рисовых систем было спроектировано на Прикаркинитской и Присивашской низменностях в береговой полосе шириной до 10–15 км. Почвенный покров этих территорий представлен лугово-каштановыми солонцовыми комплексами, большинство почв которых отличались сильной степенью засоления [4, 7, 13, 15, 21, 23, 25, 37, 38]. В настоящее время такие почвенные комплексы на целинных участках вокруг рисовых систем используются под пастбища. Отметим, что устройство рисовых систем на сильнозасоленных щелочных почвах считается одним из приемов мелиорации и использования исходно малопродуктивных земель в разных странах [42, 53, 57, 58].

После ввода в эксплуатацию в 1960-х годах рисовых систем на Прикаркинитской и Присивашской низменностях почвы стали подвергаться интенсивной промывке от легкорастворимых солей водой с минерализацией 0.37–0.57 г/л, поступающей по Северо-Крымскому каналу. По данным многих авторов [1, 3, 8–12, 17–19, 27–32, 40], сильнозасоленные солончаковые солонцы и солончаковатые лугово-каштановые почвы Крыма по мере их использования под культуру риса путем затопления чеков становились слабозасоленными или незасоленными в слое 0–100 см.

В 2015 г., через год после прекращения подачи воды по Северо-Крымскому каналу, в условиях постепенного растекания куполов грунтовых вод под орошаемыми массивами и каналами наблюдалось быстрое понижение уровня грунтовых вод и появилась возможность оценить засоленность грунтов глубже 1 м. По нашим данным [34], почвы, грунты зоны аэрации и верхней части водоносного горизонта на территории бывшей рисовой системы в Красноперекопском районе Крыма по формальным критериям оказались незасоленными до глубины 3.0–3.5 м. По данным Крымской гидрогеолого-мелиоративной экспедиции [20, с. 104], на Присивашской низменности в зоне развития плиоцен-четвертичного водоупора к концу вегетационного периода 2016 г. произошло полное растекание куполов ирригационно-грунтовых вод под каналами и бывшими орошаемыми зернокормовыми и рисовыми севооборотами.

Исходная природная засоленность почв приморских низменностей Крымского п-ова связана с более высоким уровнем моря в прежние эпохи, колебаниями уровня минерализованных грунтовых вод и засушливым климатом в настоящее время [5]. В условиях прекращения подачи воды на рисовые системы Крымского п-ва, расположенные в непосредственной близости к Сивашу и Каркинитскому заливу Черного моря, возникает необходимость оценки весьма вероятного риска восстановления засоленности почв на прибрежных территориях для выработки превентивных мер его реального развития.

Потенциальными критериями оценки процесса восстановления засоленности почв в условиях бывших рисовых систем Крыма могут быть:

– соотношение реальной глубины грунтовых вод с ее критическим значением; засоление почв начинается в условиях более близкого залегания грунтовых вод по сравнению с критическим (2.5 м в Крыму);

– увеличение минерализации грунтовых вод во времени;

– возникновение гидравлического напора соленых морских вод в сторону берега, в результате которого будет происходить постепенное замещение грунтовых вод морской водой;

– в условиях сульфатно-натриевого состава грунтовых вод – появление в почвах горизонтов с мучнистым гипсом в пределах первого метра как индикатор восходящего движения растворов за счет капиллярного поднятия от грунтовых вод, постепенного замещения обменного кальция натрием раствора с последующим осаждением вытесненного кальция в виде гипса – сульфата кальция;

– увеличение содержания хлоридов в верхней части капиллярной каймы;

– увеличение содержания водорастворимого натрия в породах зоны аэрации и тем более в почвенных горизонтах;

– собственно накопление легкорастворимых солей в почвенных горизонтах в количестве, соответствующем слабой или более высокой степени засоления по действующей классификации.

Указанные выше критерии оценки перечислены в порядке потенциального развития во времени процесса накопления солей в грунтовых водах, грунтах зоны аэрации и затем в почвах.

Цель статьи – представить данные о положении грунтовых вод и солевом состоянии почв бывших рисовых систем на Прикаркинитской низменности через 4–5 лет после прекращения орошения.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами послужили почвы бывшей рисовой системы и рядом расположенных участков целинных солонцовых комплексов на территории ООО “Штурм Перекопа” в Красноперекопском районе. Хозяйство находится на Прикаркинитской низменности. Трансекта заложена севернее села Курганное, пересекая с запада на восток рисовую систему от Каркинитского залива до водохранилища в устье р. Воронцовка (рис. 1). Она включала целинный солонцовый комплекс на побережье и 5 динамических площадок в центрах бывших рисовых чеков, расположенных на разной высоте относительно уровня моря, удаляющихся от берега (табл. 1).

Рис. 1.

Положение трансекты (красная линия) через рисовую систему, Красноперекопский район, ООО “Штурм Перекоп”: Ц – участок целинных солонцов; 1, 2, 3, 9, 25 – условные номера рисовых чеков с запада на восток, на которых расположены динамические площадки.

Названия почв даны по классификации почв России [14] в ее более поздней версии [22] и по международной классификации почв WRB-2014 [49], с использованием диагностических критериев, принятых в каждой классификации.

Целинный участок, расположенный на низкой террасе (1.7 м над ур. м.) Каркинитского залива, был ранее исследован Кольцовым [16] и Тронза [32]. В составе почвенной комбинации преобладают солонцы светлые квазиглееватые солончаковые корковые, мелкие, средние и глубокие гипс-содержащие тяжелосуглинистые на делювиальных суглинках, формула профиля: SELq–BSN1el–BSN2–BCAnc,th–BCAcs–BCca,cs–Cca,cs. По международной классификации почв WRB [49] – Gypsic Salic Solonetz (Albic, Loamic, Columnic, Cutanic, Differentic). Их характеристика опубликована ранее [37].

В ООО “Штурм Перекопа” средний размер чека составляет около 3 га, отводные коллекторы, примыкающие непосредственно к блоку чеков, имеют глубину около 1.5 м, из них вода сбрасывалась в магистральные коллекторы глубиной 3–3.5 м. Общий сброс воды осуществлялся в Каркинитский залив. Рисовая система построена и введена в эксплуатацию в середине 1960-х годов. С 2014 г. территорию используют под богарные полевые севообороты.

После полувекового использования под культуру затопляемого риса почвенный покров чеков представлен пятнистостью двух типов агроземов. Из бывших солонцов сформировались агроземы поверхностно-глеевые текстурно-дифференцированные аккумулятивно-карбонатные окисленно-глеевые глубокосолончаковатые глубоко гипс-содержащие тяжелосуглинистые на желто-бурых суглинках и глинах с формулой профиля P/Gox–BTg,ox–BCAq,g,th–BCAnc,q–BCca,cs,g, по WRB [49] – Eutric Oxigleyic Hydragric Gleysol (Luvic, Loamic, Aric, Drainic, Protocalcic, Bathygypsic). Лугово-каштановые почвы преобразованы в агроземы поверхностно-глеевые ксерометаморфические окисленно-глеевые тяжелосуглинистые на желто-бурых суглинках и глинах с формулой профиля P/Gox–BMKg,ox–BCAq,g,th–BCAnc,q–BCca,g, по WRB [49] – Eutric Oxigleyic Hydragric Gleysol (Loamic, Aric, Drainic, Protocalcic). Особенностью этих почв являлся серо-сизый пахотный горизонт с многочисленными ржаво-бурыми пленками гидроксидов железа на гранях агрегатов и стенках пор. По своей сути в течение первых трех лет после прекращения орошения затоплением уже в окислительном режиме горизонт оставался глеевым. С 2017 г. на четвертый год богарного использования пахотный горизонт потерял признаки глеевого горизонта, сохранились лишь окисленно-глееватые признаки (Pox) в обеих группах почв. По этой причине термин “поверхностно-глеевые” в названиях обеих групп почв по классификации почв России стал излишним. По классификации WRB-2014 почвы стали относиться к другой реферативной почвенной группе: Luvic Kastanozem (Loamic, Aric, Protosodic, Stagnic, Bathygypsic) и Haplic Kastanozem (Loamic, Aric, Stagnic).

Для оценки пространственного варьирования засоленности почв и грунтов на каждой динамической площадке размером 30 × 30 м закладывали пять скважин методом конверта с разносом четырех угловых точек на 15 м относительно центральной.

Одна из диагоналей конверта была направлена вдоль трансекты. Две крайние точки по этой диагонали бурили до грунтовой воды с таким расчетом, чтобы можно было измерить установившийся уровень грунтовой воды (УГВ) и произвести отбор воды для анализа состава солей. Три оставшиеся точки бурили до глубины 2 м. Отбор образцов почв, грунтов зоны аэрации и водоносного горизонта делали послойно через 10 см, на глубине более 200 см, как правило, через 20 см. Бурение сопровождалось кратким морфологическим описанием извлекаемого слоя с допустимой интерпретацией почвенного горизонта и общей полевой характеристики цвета, влажности, класса гранулометрического состава, наличия вскипания от HCl, карбонатных и гипсовых новообразований. На каждой динамической площадке пять точек опробования всегда были представлены обоими компонентами почвенного покрова.

Установившийся УГВ определяли через 5–6 ч после вскрытия скважины с контролем на следующий день. Измерение УГВ производили мерной лентой с хлопушкой, погрешность 1 см. Отбор грунтовой воды выполняли с помощью желонки. В извлеченной пробе измеряли удельную электропроводность (EC) и температуру полевым кондуктометром КП-001 с последующим расчетом значения удельной электропроводности воды, приведенной к температуре 25°C (ЕС₂₅) путем умножения на поправочный температурный коэффициент [54]. В лаборатории определяли ионный состав, рН традиционными методами [24] и ЕС₂₅ лабораторным кондуктометром.

Географические координаты всех точек опробования регистрировали с помощью навигационного приемника GPS (номинальная пространственная погрешность 15 м). Инструментальная съемка рельефа вдоль трансекты выполнена с помощью оптического нивелира (максимальная погрешность определения высоты до 3–4 см на 6.5 км нивелирного хода). Высота уровня грунтовых вод в конкретный срок измерения получена путем вычитания глубины установившегося уровня в скважине из высоты дневной поверхности на динамической площадке.

Из высушенных и растертых (<1 мм) образцов готовили пасты с влажностью 50 мас. % путем увлажнения дистиллированной водой. На следующий день после перемешивания пасты измеряли активности ионов Na⁺, Cl^– и Ca²⁺ с помощью ионоселективных электродов серии ЭЛИС. Регистрирующий прибор – иономер Экотест-120. Для каждого образца по каждому показателю получено среднее арифметическое значение pX = –lga_x из 2–3 повторных измерений. Среднее значение pX преобразовывали в активность иона с размерностью [ммоль/л].

Таким образом получены две группы рядов послойных измерений с сериями из пяти и двух средних значений активности иона в индивидуальных образцах. Для серии из пяти образцов рассчитывали частные оценки среднего арифметического (M_i) и среднеквадратического отклонения (s_i) в серии. На основе точечного графика M_i = f(s_i) оценивали изменение разброса значений s_i в зависимости от M_i, выделив несколько диапазонов значений M_i, для каждого из которых рассчитали усредненную оценку среднеквадратического отклонения (s_ср) [6].

Долю обменного натрия (Y) оценивали на основе соотношения активности ионов натрия (a_Na) и кальция (a_Ca), измеренных в пасте (Х = ${{{{a}_{{{\text{Na}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{a}_{{{\text{Na}}}}}} {\sqrt {{{a}_{{{\text{Ca}}}}}} }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {{{a}_{{{\text{Ca}}}}}} }}$), по регрессионной модели, состоящей из системы двух уравнений (все коэффициенты значимы):

При создании модели были объединены сопряженные данные при одной влажности по активностям ионов натрия и кальция, измеренных ионоселективными электродами в пастах, и определению состава обменных катионов по методу Пфеффера в модификации Молодцова и Игнатовой, полученных для разных объектов – почв солонцовых комплексов в Ставрополье, Крыму, Ростовской, Волгоградской, Воронежской областях. Магний в этой модели не учитывается, поскольку нет адекватного ионоселективного электрода. Поэтому погрешность оценки доли обменного натрия заметно выше по сравнению с прямым определением указанным выше методом, но допустимая для принятия оперативного решения. При этом использование модели позволяет получать информацию довольно быстро в большом числе образцов (до 100 анализов в день) в отличие от трудоемкого прямого определения этого показателя (60 анализов в месяц).

В части образцов определили состав водной вытяжки 1 : 5.

Статистическая обработка данных выполнена в Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Уровень, минерализация и состав грунтовых вод. На целинном участке солонцового комплекса, расположенном на первой террасе в 160 м от берега моря, УГВ соответствовал уровню моря, не меняясь в годы наблюдений.

В 2015 г. грунтовые воды залегали ниже критического уровня на глубине 2.8–3.5 м [34]. Поскольку большая часть рисовых чеков на исследуемом участке находятся на абсолютной высоте выше 3 м, зеркало грунтовых вод было выше уровня моря (рис. 2). Минерализация растворов верхней (вскрытой бурением) части водоносного горизонта составляла 1.1–3.5 г/л (табл. 2). Химический состав был преимущественно сульфатный по анионам и смешанный кальциево-натриево-магниевый по катионам.

Рис. 2.

Изменение высоты уровня грунтовых вод в 2015–2018 гг. ΔH – гидравлический напор морских вод в сторону грунтовых вод.

К концу 2016 г., по данным гидрогеолого-мелиоративной экспедиции Крыма [20] на большей части оросительной системы Северо-Крымского канала произошло растекание куполов грунтовых вод под каналами и на орошаемых массивах.

На четвертый год после прекращения орошения (2017 г.) на исследуемой трансекте глубина грунтовых вод изменялась в пределах от 2.5 до 4.1 м. В области низких чеков, расположенных на высоте 2–3 м над ур. м., УГВ опустился до отрицательных абсолютных отметок –0.9…–1.0 м. Иными словами, в береговой полосе возникла депрессионная воронка грунтовых вод с максимальным гидравлическим напором до 1 м и шириной около 1.5–1.7 км. Отметим, что на первой террасе с целинными солонцовыми комплексами и солончаками УГВ практически не изменился.

В 2018 г. диапазон изменения глубины грунтовых вод вдоль трансекты расширился. Минимальные значения остались приблизительно такими же, как в предшествующий год 2.5–2.7 м, а максимальные заметно увеличились до 4.5–4.6 м. В результате депрессионная воронка грунтовых вод немного углубилась до –1.1 м и расширилась до 2.5 км.

Аналогичная ситуация наблюдалась на рисовых системах Присивашской низменности [35]. Отличие заключается в размерах депрессионной воронки грунтовых вод. Она была ближе к берегу Сиваша, глубже (до –1.6 м) и шире в связи с положением чеков на высоте менее 3 м.

Общее понижение УГВ на исследуемом участке происходило за счет потребления воды корневыми системами выращиваемых сельскохозяйственных культур (пшеница, ячмень, подсолнечник, лен) в условиях заметного дефицита атмосферных осадков в вегетационные периоды 2017 и 2018 гг. Наиболее сильно понижение УГВ происходило под посевами подсолнечника.

Понижение уровня сопровождалось тенденцией увеличения минерализации и изменения состава грунтовых вод. В анионном составе на фоне доминирующих сульфатов с максимальными концентрациями до 80–107 ммоль(экв)/л, увеличилась концентрация хлоридов, изменяющаяся в интервале от 2–6 до 16–28 ммоль/л. Концентрации всех трех главных катионов стали выше с тенденцией изменения их соотношения. В 2017 и 2018 гг. в грунтовых водах, вскрытых на большей глубине, приблизительно в половине случаев среди катионов наиболее высокие концентрации имел натрий (табл. 2).

Связь между минерализацией и высотой уровня грунтовых вод имеет нелинейный вид (рис. 3). Формально ее можно аппроксимировать полиномом второй степени с коэффициентом детерминации R² = 0.85 и значимыми параметрами регрессии. На рис. 3 хорошо видно, что выделяются два участка такой связи: 1 – широкий разброс значений минерализации вод от 0.3–1.0 до 3–4 г/л независимо от высоты УГВ в области положительных его значений; 2 – почти прямолинейный рост минерализации вод от 4 до 9 г/л по мере углубления УГВ ниже уровня моря.

Рис. 3.

Связь минерализации и высоты грунтовых вод в период 2015–2018 гг.

Возможны 3 причины увеличения минерализации грунтовых вод с понижением УГВ: 1 – по мере увеличения глубины увеличивается засоленность вмещающей породы; 2 – происходит приток солевых растворов со стороны моря; 3 – увеличение концентрации солей в грунтовой воде по мере ее расхода глубокими корневыми системами полевых культур (например, подсолнечника).

Последняя причина представляется маловероятной, поскольку расход грунтовой воды сопровождается понижением уровня. В этих условиях соли должны накапливаться в слое, который освобождается от гравитационной воды, несущественно влияя на минерализацию растворов более глубокой части водоносного горизонта.

На водоносные горизонты выше уровня моря приток солевых растворов со стороны моря оказывать влияния не может, поскольку эти горизонты имеют гидравлический напор, наоборот, в сторону моря. Поэтому вариацию минерализации грунтовых вод на участках с положительными значениями высоты УГВ следует рассматривать как результат исходной пространственной неоднородности засоленности грунтов и грунтовых вод бывших лугово-каштановых солонцовых комплексов и разной степени их рассоления в ходе полувековой ежегодной промывки пресными водами при орошении риса затоплением чеков.

На участках с отрицательными значениями высоты УГВ боковой приток солевых растворов со стороны моря мало вероятен в силу большого расстояния от моря (более 1 км). Более вероятно выдавливание более минерализованных растворов из нижележащих водоносных горизонтов за счет общего гидравлического напора. Вместе с тем в исследуемый период 2017–2018 гг., когда было установлено формирование депрессионной воронки грунтовых вод, наблюдалось пока только понижение уровня, сопровождавшееся увеличением минерализации вод. Поэтому наиболее вероятной причиной такой связи между высотой и минерализацией грунтовых вод следует признать увеличение засоленности вмещающих пород по мере углубления слоя относительно уровня моря.

Оценка пространственного варьирования активности ионов в исследуемых почвах и грунтах бывшей рисовой системы на Прикаркинитской низменности в Красноперекопском районе Республики Крым представлена в табл. 3.

Общая тенденция для трех ионов – увеличение минимальных, максимальных значений s_i и s_ср по мере увеличения среднего значения активности иона в слое. Исключением является только диапазон активности хлорид-ионов 2–3 ммоль/л, в котором эта тенденция нарушается. Иными словами, чем больше среднее значение активности иона в слое, тем более широкие пределы пространственного варьирования абсолютных значений активности иона в данном слое на участке.

Сравнение s_ср для разных ионов провели по F-критерию [6]. В сопоставимых диапазонах средних значений активности иона в слое величины s_ср для разных ионов, как правило, образуют ряд Na⁺ ≤ Cl^– < Ca²⁺. Это означает, что среди трех ионов наименьшее пространственное варьирование имеет активность Na⁺. Это проявляется и в относительных величинах – коэффициентах вариации.

Солевое состояние почв и грунтов. В период эксплуатации рисовой системы в данном хозяйстве сотрудники кафедры мелиорации почв Крымского аграрного университета вели стационарные наблюдения за состоянием почв [9–12, 16, 32]. По опубликованным данным [32] и материалам диссертации Тронза [33], почвы лугово-каштановых солонцовых комплексов на исследуемом массиве в начале 2000-х годов, то есть через 35–40 лет после ввода в эксплуатацию рисовой системы, были рассолены до глубины около 1 м. Глубже опробование не выполнялось, поскольку грунтовая толща была обводнена.

По результатам обследования в 2015 г., на второй год после прекращения орошения и перехода к богарной системе земледелия, было установлено, что почвы, грунты зоны аэрации и верхняя часть водоносного горизонта рассолены на большей части массива до глубины 3–3.5 м [34].

На относительно высоких чеках 9 и 25, расположенных на высоте 3.7 и 5.3 м над ур. м., в 2017 и 2018 гг. почвы и грунты зоны аэрации до глубины 3.4–4.5 м оставались незасоленными. Это следует из распределения активности Na⁺ и Cl^–, измеренных в пастах с влажностью 50 мас. % (рис. 4), и данных водной вытяжки (рис. S1 ). Активность Na⁺ постепенно увеличивается от 1–5 ммоль/л в слое 0–100 см до 12–17 ммоль/л на глубине 300–500 см, приближаясь к условной нижней границе слабой степени засоления (a_Na 20 ммоль/л), но не достигая ее. В пересчете на массу твердой фазы содержание натрия в жидкой фазе изменятся от 0.05–0.25 до 0.6–0.85 смоль(экв)/кг.

Рис. 4.

Изменение профильного распределения активности ионов натрия (А, В, Д) и хлорид-ионов (Б, Г, Е) на динамических площадках: А, Б – чек 3, высота 3.0 м над ур. м.; В, Г – чек 9, высота 3.7 м над ур. м.; Д, Е – чек 25, высота 5.3 м над ур. м. Обозначения: 1, 3, 5 – медиана, 2, 4, 6 – пределы варьирования в слое. Даты: 1, 2 – июль 2015 г.; 3, 4 – июль 2017 г.; 5, 6 – июль 2018 г.

Значения активности хлоридов практически одинаковы по всей толще почв и грунтов до глубины 4–5 м; они варьируют в диапазоне от 0.3–0.5 до 3–5 ммоль/л, редко увеличиваясь до 7 ммоль/л. В пересчете на массу твердой фазы содержание хлоридов не превышает 0.3 смоль(экв)/кг. Вместе с тем обратим внимание, что в большинстве точек опробования на высоких чеках наблюдался слабо выраженный максимум активности хлоридов на глубине 1–2 м (рис. 4, Г, Е), который соответствовал положению верхней части капиллярной каймы в период последовательного понижения уровня грунтовых вод с 2014 г. Это свидетельствует о потенциальной способности восстановления засоленности почв и грунтов, которая на рассматриваемых относительно высоких чеках может реализоваться в условиях положения УГВ на глубине 3.5–4.5 м.

Значения активности Na⁺ превышают значения активности Cl^– в 3–5 раз (рис. 4) на фоне значений активности Ca²⁺ от 0.5 до 2–4 ммоль/л (рис. S2 ). Это означает, что среди легкорастворимых солей в незасоленных горизонтах доминируют сульфаты натрия. Почвы и грунты содержат обменный натрий от 2–5 до 7–12% от ЕКО (рис. S3 ) как остаточное явление, связанное с рассолением исходно сильнозасоленных почв лугово-каштановых солонцовых комплексов в течение полувекового их промывания под культурой риса.

Наличие небольшого количества обменного натрия и карбонатов кальция в формально незасоленных горизонтах является причиной возникновения токсической щелочности по данным водной вытяжки почва : вода 1 : 5 (рис. S1 М, S1 П). Максимумы ее содержания приурочены к почвенным горизонтам на глубине 20–80 см и к грунтам зоны аэрации на глубине 4–5 м, примыкающим к водоносному горизонту.

Динамика солевого состояния почв и грунтов на чеках с высотой 3.0 м над ур. м. имеет качественное отличие от таковой более высоких чеков. В 2015 г. почвы и грунты на чеке 3 были незасоленными до грунтовой воды, включая верхнюю часть водоносного в тот год горизонта, то есть до 3.0–3.5 м (рис. 4, А). Наиболее высокие значения активности Na⁺ в диапазоне 8–15 ммоль/л отмечались в слое 1.5–3.5 м. В почвенном профиле активность Na⁺ была преимущественно менее 5 ммоль/л.

Потребление грунтовой воды корневыми системами сельскохозяйственных культур (в том числе подсолнечником) привели к дренированию верхней части водоносного горизонта, располагающейся на абсолютной высоте ниже уровня моря, и образованию депрессионной воронки грунтовых вод. По мере углубления депрессионной воронки, в дренируемых слоях грунтов глубже 3 м началось накопление солей натрия, соответствующее слабой степени засоления. На рис. 4, А значения активности Na⁺ на глубине 3–5 м в 2017 г. и особенно в 2018 г. превышают 20 ммоль/л, увеличиваясь с глубиной.

Отмеченное явление сопровождалось увеличением в 2 раза активности хлоридов в этих же горизонтах (рис. 4, Б). Обратим внимание также на небольшой локальный максимум активности хлоридов на глубине около 150 см, соответствующей верхней части капиллярной каймы, и максимум в поверхностных горизонтах. Хлориды – несорбирующиеся легкоподвижные ионы. Обычно их используют как метки при моделировании движения воды в почвах. Для рассматриваемого объекта положение максимумов активности Cl^– становится индикатором начальной стадии накопления легкорастворимых солей, пока еще не приведшей к реальному засолению.

На чеках с высотой поверхности 2.4 м над ур. м. в 2017–2018 гг. солевое состояние почв и грунтов похоже на таковое чеков с высотой 3.0 м. Количественные отличия небольшие. Дренированные грунты в депрессионной воронке глубже 3 м от поверхности имеют слабую степень засоления (рис. 5, В). Активность Na⁺ составляла 20–44 ммоль/л, что в пересчете на массу твердой фазы соответствует содержанию натрия в жидкой фазе 1.1–2.7 смоль(экв)/кг. Вертикальное распределение активности хлоридов характеризовалось отчетливым широким локальным максимумом в слое 100–200 см с экстремумом на глубине около 150 см (рис. 5, Г). При этом профили 2017 и 2018 гг. статистически не различаются в связи с заметным пространственным варьированием.

Рис. 5.

Изменение профильного распределения активности ионов натрия (А, В) и хлорид-ионов (Б, Г) на динамических площадках низких чеков: А, Б – чек 1, высота 1.9 м над ур. м.; В, Г – чек 2, высота 2.4 м над ур. м. Обозначения: 1, 3 – медиана, 2, 4 – пределы варьирования в слое. Даты: 1, 2 – июль 2017 г.; 3, 4 – июль 2018 г.

Критическая ситуация развивалась на самом нижнем чеке 1 с высотой 1.9 м над ур. м. Вертикальное распределение солей имело срединно-аккумулятивный тип с максимумом на глубине 100–150 см (рис. 5, А, Б; S01 A). В 2017 г. формально почва и грунты оставались еще незасоленными. Активности Na⁺ и Cl^– в области максимума были близки между собой, изменяясь в диапазоне 10–17 ммоль/л (при влажности 50%), или 0.5–0.7 смоль(экв)/кг в пересчете на массу твердой фазы, или 0.03–0.04% NaCl. В 2018 г. медиана активности Na⁺ в области максимума уже соответствовала нижней границе слабой степени засоления (20 ммоль/л).

Вместе с тем в двух из пяти скважин в 2017 г. на глубине 50–150 см наблюдалась более высокая активность хлоридов по сравнению с активностью натрия в пастах на 2–4.5 ммоль/л, что означало наличие хлоридов кальция и магния в почвенных растворах еще формально незасоленных горизонтов (рис. 6). В 2018 г. подобная ситуация сохранилась в слое 50–80 см с меньшим превышением хлоридов над натрием (<3 ммоль/л) на фоне общего увеличения активности обоих ионов. Появление хлоридов кальция – это признак развития вторичного засоления незасоленных почв. Для исследуемых рассоленных за полвека исходно засоленных почв наличие таких признаков означает начальные стадии восстановления засоленности, протекающих аналогично вторичному засолению.

Рис. 6.

Два выборочных примера профильного распределения активности ионов натрия (Na), хлоридов (Cl) и кальция (Ca), измеренных в пастах с влажностью 50 мас. %, в почвах и грунтах чека 1, расположенного на высоте 1.9 м: А – скв. КР-199, 2017 г.; Б – скв. КР-334, 2018 г.

Присутствие новообразований гипса в разных морфологических формах [39, 60] – одна из характерных особенностей многих горизонтов почв аридных и семиаридных регионов, имеющих сульфатный или хлоридно-сульфатный химизм засоления. Исследуемые объекты не являются исключением. В целинных почвах лугово-каштановых солонцовых комплексов Северо-Крымской низменности скопления мелкокристаллического гипса встречаются, прежде всего, в грунтах зоны аэрации глубже 1.5 м всего комплекса и дифференцированно в профиле почв [2, 4, 25]. В лугово-каштановых почвах гипс обычно отсутствует во всем профиле до гор. BCca. В целинных солонцах новообразования гипса чаще всего обнаруживаются в подсолонцовом карбонатном засоленном гор. BCAnc,cs, начиная с 30–50 см и глубже [4, 37].

Полувековая ежегодная промывка почв солонцового комплекса при выращивании риса способствовала не только удалению легкорастворимых солей из почв и грунтов зоны аэрации, но и частичному растворению и удалению гипса. По данным обследования 2015 г., на второй год после прекращения орошения, морфологическое проявление гипса отмечалось только в половине разрезов и скважин. В большинстве точек опробования он встречался в небольших количествах на глубине от 90–110 до 130–150 см в агроземах текстурно-дифференцированных, которые до орошения были солонцами. Глубже в грунтах зоны аэрации до грунтовой воды, как правило, гипс не обнаруживался. Исключением были три скважины, в которых гипс присутствовал во всей толще от 110–120 см до грунтовой воды на глубине 260–300 см.

Гипсовые новообразования имели остаточный характер. Они были представлены скоплениями мелких (0.5–1.5 мм) чечевицеобразных кристаллов. Скопления кристаллов имели округлую форму диаметром 5–15 мм или форму червеобразных и уплощенных прожилок толщиной до 2–3 мм и длиной до 1–3 см. В последующие годы (2016–2018) новообразования гипса стали встречаться чаще, они стали обильнее, прежде всего, в грунтах зоны аэрации под агроземами текстурно-дифференцированными (бывшими солонцами) и реже под агроземами аккумулятивно-карбонатными (бывшими лугово-каштановыми почвами). По морфологической оценке обилия, наблюдались два максимума скоплений гипса: один на глубине 120–160 см и второй – на 200–350 см. Оба диапазона глубины соответствуют верхней части капиллярной каймы при глубине грунтовых вод 250–350 см в 2015–2016 гг. и 350–500 см в 2017–2018 гг. соответственно. В горизонтах с максимальным обилием гипса существенно увеличились размеры скоплений кристаллов до 3–5 см, размеры отдельных кристаллов до 2–3 мм, иногда до 5–7 мм, появились сростки кристаллов до 1 см и в отдельных горизонтах даже плотные округлые друзы диаметром 3–4 см.

Подобные морфологические формы новообразований гипса свидетельствуют о сравнительно медленном расходе воды корневыми системами растений из капиллярной каймы с непрекращающимся капиллярным пополнением запаса воды в слое из нижележащего водоносного горизонта. В этих условиях происходит медленный и непрерывный процесс увеличения общей концентрации солей в слое, сопровождающийся частичным осаждением сульфата кальция в виде гипса. Дополнительным источником ионов кальция в растворе являлся обменный кальций, который вытеснялся в раствор поступающими ионами Na⁺ и Mg²⁺ с поднимающимися солевыми растворами.

Наличие плотных друз гипса на первый взгляд может рассматриваться как унаследованный признак, довольно широко распространенный в целинных сильнозасоленных почвах солонцовых комплексов Прикаркинитской и Присивашской низменностей. Вместе с тем исследуемые объекты имеют особенность – они были промыты пресной водой в течение полувека под культурой риса. Выше отмечался остаточный характер скоплений мелкокристаллического гипса в нижних горизонтах почв в некоторых разрезах и в породах зоны аэрации, но в 2015–2016 гг. друзы ни разу не были обнаружены. Они описаны только с 2018 г. на одном объекте – в почвах самого низкого чека (высота 1.9 м над ур. м.), где отмечается явное вторичное засоление от близко залегающих грунтовых вод на глубине 2.3–2.5 м (это критический уровень). Друзы встречаются в сравнительно тонком слое на глубине от 110 до 140 см, который соответствует верхней части капиллярной каймы. Выше и ниже этого слоя друз нет, а обилие выделений гипса уменьшается в обе стороны. Поэтому с высокой вероятностью допускаем, что плотные друзы гипса в указанных условиях являются новообразованными при вторичном засолении участка после прекращения орошения.

На низких чеках в дополнение к описанным выше формам гипсовых новообразований, встречается еще одна форма – белые прожилки мучнистого гипса. Размеры кристаллов гипса трудно различимы невооруженным глазом. Скопление кристаллов выглядит как мука. Толщина прожилок варьирует от 0.5 до 2–4 мм, длина – от 5–7 до 25–50 мм. Прожилки часто имеют субвертикальную ориентацию. При увеличении обилия образуют прерывистую или сплошную сетку (рис. S4 ).

На самом низком чеке (высота 1.9 м над ур. м.) в 2017 и 2018 гг. обильные прожилки мучнистого гипса отмечались в диапазоне глубин от 34–50 до 100–120 см в аккумулятивно-карбонатном (BCAnc,cs) и переходном к породе (BCca,cs) горизонтах агроземов текстурно-дифференцированных (бывших солонцов) и агроземов аккумулятивно-карбонатных (бывших лугово-каштановых почв). Во всех случаях глубже залегал гор. Cca,cs с очень обильными скоплениями мелкокристаллического гипса со сростками кристаллов и плотными друзами. На этом чеке УГВ залегал на глубине 2.5–2.6 м. Горизонты с максимальным обилием мелкокристаллического гипса соответствовали более или менее постоянному увлажнению верхней части капиллярной каймы, тогда как присутствие вертикальных прожилок мучнистого гипса является индикатором сравнительно короткого периода капиллярного увлажнения снизу этих горизонтов с последующим высушиванием корневыми системами выращиваемых культур, в течение которого успевало образоваться большое число очень мелких кристаллов гипса, но было недостаточно времени для их роста и перекристаллизации.

Временное присутствие в почвенных растворах горизонтов с мучнистыми формами гипса хлоридов кальция дает основание утверждать, что важным механизмом осаждения гипса является вытеснение обменного кальция в жидкую фазу натрием из поднимающихся хлоридно-сульфатных растворов.

Сравнение с другими объектами. Похожие объекты исследованы нами на бывших рисовых системах Присивашской низменности в Нижнегорском районе [35]. На обоих участках исходный почвенный покров был представлен сильнозасоленными лугово-каштановыми солонцовыми комплексами, которые в течение полувековой промывки пресными водами Северо-Крымского канала в условиях выращивания риса были рассолены до глубины 3–3.5 м. После прекращения орошения наблюдалось понижение УГВ за счет естественного растекания их купола и расхода грунтовых вод корневыми системами сельскохозяйственных культур, выращиваемых по технологиям сухого земледелия. На обоих участках на четвертый и пятый год (2017–2018) после прекращения орошения в береговой полосе Каркинитского залива и Сиваша сформировалась депрессионная воронка грунтовых вод. Наблюдается лишь вариация максимальной величины возникшего гидравлического напора со стороны морских вод: до 1.6 м в Нижнегорском и до 1.1 м в Красноперекопском районах. В обоих случаях происходит увеличение минерализации грунтовых вод по мере понижения их уровня, и отмечалась тенденция постепенного накопления легкорастворимых солей в грунтах на глубине более 3 м, а также мелкокристаллического гипса в слое от 1.2–1.5 до 3–4 м. Иными словами, после прекращения орошения рисовых систем на обоих участках на приморских низменностях Крымского полуострова наблюдаются сходные тенденции, свидетельствующие о начальных, пока еще скрытых, стадиях восстановления засоленности рассоленных почв солонцовых комплексов.

В литературе нам не удалось найти информации об аналогичных ситуациях использования земель, то есть о поведении почв после прекращения орошения ранее активно эксплуатировавшихся рисовых систем. Встречается информация о двух группах ситуаций, наиболее близко имеющих отношение к исследуемым нами объектам: 1 – изменение засоленности при выращивании риса на сильнозасоленных почвах; 2 – изменение минерализации и состава грунтовых вод в приморских районах при избыточной их откачке для сельскохозяйственных или иных нужд.

В практике вовлечения сильнозасоленных почв в сельскохозяйственный оборот в аридных регионах мира одним из подходов к мелиорации считают выращивание риса – сравнительно солеустойчивой культуры, для роста и развития которой почву затопляют, обеспечивая частичную промывку. При этом следует учитывать поступление солей в водоисточники ниже по течению, что уменьшает объемы пресных вод [57].

Выращивание риса затоплением на засоленных щелочных суглинистых почвах в Пакистане (район Файзалабад, Пенджаб) на фоне применения гипса в дозе 50% от потребности (расчет по обменному натрию) и остатков соломы пшеницы и риса оказалось наиболее эффективным приемом повышения урожайности риса с одновременным уменьшением засоленности, рН и доли обменного натрия в почвах [42]. В других экспериментах, выполненных на подобных почвах в том же районе, была показана возможность частичного рассоления и уменьшения щелочности исходно сильнощелочных почв при их орошении солеными щелочными водами с более низкими показателями удельной электропроводности и SAR по сравнению с вытяжками из почв [53]. При этом важным условием является наличие достаточного количества ионов кальция в воде или обязательное применение гипса. Аналогичные результаты были получены для разных почв Индии [45, 50].

В обзорных публикациях [36, 59] отмечается, что в последние десятилетия актуальность процесса интрузии морских вод в прибрежные водоносные горизонты возросла в связи увеличением потребности в пресных водах в прибрежных районах, приводящей к экстенсивной откачке грунтовых вод, и предполагаемым подъемом уровня моря и изменением климата. Обсуждаются вопросы моделирования этого процесса.

В Омане на приморской равнине Аль-Батинах в последние десятилетия интенсивно развивалось орошаемое земледелие с использованием полива грунтовыми водами. Откачка грунтовых вод, превышающая естественное восстановление их запаса, привела к интрузии морских вод в прибрежные водоносные горизонты, вторичному засолению многих районов равнины, потере от 25 до 50% урожая, разорению многих фермеров и забросу земель. С 2005 г. в стране осуществляют программу, направленную на уменьшение засоленности почв и вод [43].

В статье [55] приведены экспериментальные данные по интрузии морских вод в прибрежные водоносные горизонты в Ливане. Активный расход воды из колодцев населением Бейрута в период 2004–2014 гг. привел к увеличению концентрации солей до 10–30 г/л в грунтовых водах в прибрежной полосе до 400 м. В колодцах, расположенных дальше от берега до 2 км, минерализация увеличилась до 1.0–2.0 г/л в 2014 г.

Для условий района Газа в Палестине на основе модели Guo [48] взаимодействия морских и грунтовых вод сделан прогноз интрузии морских вод в прибрежные водоносные горизонты до 0.5 км при условном подъеме уровня моря на 1 м и до 1.0 км при совместном сценарии подъема уровня моря и избыточной откачки грунтовых вод на побережье [41]. Более сложный прогноз на основе похожей модели выполнен для побережья Китая [46].

Некоторые исследователи для оценки интрузии морских вод в прибрежные грунтовые воды используют разные геохимические индексы, основанные либо на соотношении разных ионов, либо на отношении разницы концентрации хлоридов, натрия, сульфатов и магния в исследуемых и пресных водах к разнице концентраций этих ионов в морских и пресных водах [44, 47, 51, 52]. По данным такой информации сделаны выводы о возможном влиянии морских вод на состав грунтовых вод прибрежных регионов в Индии, Корее, Иордании. Вместе в тем более разносторонний анализ химического состава грунтовых вод прибрежных районов между морскими лагунами возле Рио-де-Жанейро продемонстрировал преимущественное влияние на их состав поступления бытовых сточных вод, а не интрузии морских вод [56].

Приведенные примеры демонстрируют реальную опасность развития аналогичных процессов на бывших рисовых системах Крыма в условиях возникших депрессионных воронок грунтовых вод в береговой полосе Сиваша и Каркинитского залива. Одним из возможных решений по защите таких земель является устройство инъекционных экранов в береговой полосе для предотвращения поступления соленых морских вод в прибрежные водоносные горизонты [26].

ВЫВОДЫ

1. В течение пяти лет после прекращения орошения (2014–2018 гг.) бывших рисовых систем исследованной части Прикаркинитской низменности почвы и грунты в 85–90% случаев оставались незасоленными до глубины 2–3 м.

2. Грунтовые воды под массивами бывших рисовых систем ежегодно понижались с 2015 по 2018 гг. На всех мониторинговых площадках, имеющих высоту дневной поверхности более 2.5 м от уровня Каркинитского залива, грунтовые воды залегали глубже 3 м от поверхности, находясь ниже критического уровня.

3. На более низких (<2.5 м) поверхностях ближе к Черному морю глубина грунтовых вод составляла в разных местах от 1.8 до 2.8 м, преимущественно находясь выше критического уровня.

4. В засушливом 2017 г. в береговой полосе шириной 1–2 км возникла депрессионная воронка зеркала грунтовых вод, то есть уровень грунтовой воды опустился ниже уровня воды в Черном море. Это привело к появлению гидравлического напора до 0.7–1.0 м со стороны морских вод. В 2018 г. ширина и глубина депрессионной воронки грунтовых вод увеличились. Ширина стала 2–3 км, максимальная глубина депрессионной воронки, то есть гидравлический напор морских вод по отношению к грунтовым водам, в 2018 г. составляла 1.1 м.

5. Понижение грунтовых вод под бывшими рисовыми системами сопровождалось постепенным увеличением минерализации вод. На участках с положительными значениями высоты УГВ вариация их минерализации определялась неоднородностью полувековой промывки исходно засоленных грунтов солонцовых комплексов. На участках с отрицательными значениями высоты УГВ наиболее вероятной причиной является увеличение засоленности вмещающих пород по мере углубления слоя относительно уровня моря.

6. Отмечается начало восстановления засоленности грунтов зоны аэрации в депрессионной воронке на глубине 3.5–4.5 м по увеличению активности ионов натрия и хлорид-ионов, измеренных в пастах с влажностью 50 мас. %, в 2018 г. по сравнению с 2017 г. и увеличению частоты встречи горизонтов зоны аэрации, содержащих скопления мелкокристаллического гипса, во времени.

7. На пятый год после прекращения орошения на чеках с высотой поверхности <2 м от уровня моря появилось слабое засоление в средней и нижней частях почвенного профиля, сопровождающееся наличием хлоридов кальция и магния в поровых растворах и накоплением мучнистых форм гипса.