Почвоведение, 2022, № 10, стр. 1301-1309

ВВЕДЕНИЕ

В России значительные площади сельскохозяйственных земель расположены в сухостепной зоне – зоне рискованного земледелия. Почвенный покров зоны в основном представлен темно-каштановыми, каштановыми, лугово-каштановыми почвами и их комплексами с солонцами. Почвы солонцовых комплексов занимают 8% пашни страны. В отдельных южных регионах (Калмыкия) пашня представлена ими на 80% [28]. На солонцовых комплексах расположено около трети кормовых угодий России [28, 30]. Согласно климатическим сценариям, происходящая в настоящее время аридизация климата может привести к увеличению в России территорий, на которых испарение будет превышать количество осадков [9, 10, 40–42]. В связи с этим прогноз направленности изменения свойств почв сухостепной зоны является актуальным. Для прогноза изменения почв этой зоны могут быть использованы данные исследований палеопочвоведов, изучавших эволюцию почвенного покрова в связи с изменением климата в голоцене. А также данные наблюдений в многолетних опытах на почвах солонцовых комплексов при различных агрогенных воздействиях.

Палеопочвоведы проводили исследования педохронорядов подкурганных почв дренированных ландшафтов Поволжья, Прикаспия, Приаралья, относящихся к разным периодам голоцена от IV тыс. лет до н. э. до IV в. н. э. Согласно палеогеографическим и палеопочвенным исследованиям И.В. Иванова, И.В. Демкина с соавт. [12–15], за голоценовый период несколько раз происходило изменение климатических условий, менялась динамика атмосферного увлажнения и температурного режима, что приводило к изменению почвенного покрова этих территорий.

Из приведенного ими материала следует, что за последние 50 веков морфологические и химические свойства темно-каштановых и каштановых почв сухостепной зоны характеризовались существенной циклической изменчивостью, параллельной с динамикой климата. По их исследованиям в первой половине IV тысячелетия до н. э. почвенный покров данных территорий был представлен темно-каштановыми, каштановыми и светло-каштановыми почвами. Атмосферное увлажнение в тот период превышало современное на 50–70 мм/год. На протяжении IV–III тыс. лет до н. э. изменение почв в этих регионах происходило на подтиповом уровне от темно-каштановых к каштановым, от каштановых к светло-каштановым. К концу третьего тысячелетия до н. э. началу второго количество осадков уменьшилось и не превышало 200 мм/год. В этот период каштановые почвы эволюционировали в полупустынные денудированные карбонатные засоленные почвы. Для этих почв было характерно отсутствие солонцеватости и текстурной дифференциации. По мнению Демкина с соавт. [14, 15, 17–19] в наибольшей степени диагенетическим изменениям был подвержен солевой профиль палеопочв, тогда как солонцеватость является одним из наименее затронутых диагенезом признаков.

Анализируя данные палеопочвоведов об изменении почв, необходимо отметить, что их исследования проводились на палеопочвах ненарушенного сложения. Известно, что распашка почв и мелиоративные мероприятия, значительно влияют на водный и тепловой режимы почв. Результаты наблюдений за этими процессами отражены в многочисленных публикациях [1, 3–7, 16, 17, 21, 24–27]. Исследованиями установлено, что на скорость вымывания легкорастворимых солей из мелиоративного слоя влияет мелиоративный прием, дренированность территории, свойства мелиорируемых почв, погодные условия.

В условиях полупустынной зоны, при среднем многолетнем количестве выпадающих осадков 273 мм, глубокие мелиоративные обработки без дополнительного влагонакопления приводят к вымыванию легкорастворимых солей только из мелиорируемого слоя [6, 7]. Парование почв приводило к уменьшению содержания солей в верхнем 50-сантиметровом слое [27]. Особенно интенсивно этот процесс проходил во влажные годы. В публикациях Еремченко [20], Семендяевой [36], Березина [5] показано, что сезонная и многолетняя динамика погодных условий может существенно влиять на скорость и направленность процессов засоления–рассоления в целинных и мелиорированных солонцах. В одних случаях это происходит из-за изменчивости количества выпадающих осадков, в других за счет влияния температурного фактора. Особенно отличия заметны после проведения глубоких обработок почв с разрушением солонцового горизонта.

Цель работы – на основе анализа данных многолетних наблюдений за изменением свойств целинных и агрогенно-измененных светло-каштановых солонцеватых почв и автоморфных солонцов с привлечением материалов палеопочвоведов дать прогноз возможных изменений почв сухостепной зоны при изменении климата.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

В основу исследований положены данные многолетнего опыта по мелиорации солонцов, который был заложен в 1973 г. и проводился до 1997 г. под руководством Е.Т. Дегтяревой (Почвенно-мелиоративный отдел Почвенного института им. В.В. Докучаева, г. Волгоград). Опыт был расположен в Городищенском районе Волгоградской области в 18 км к северу от г. Волгограда на южном окончании Приволжской возвышенности.

До закладки опыта была составлена детальная почвенная карта опытного участка в масштабе 1 : 500. Почвенный покров опытного участка состоял из светло-каштановых солонцеватых почв (35–50%) (Eutric Cambisol (Loamic, Protocalcic, Oсhric)), каштановых степных солонцов мелких и средних солончаковатых (25–50%) (Protosaliс Solonetz (Loamiс, Columnic, Cutaniс, Differentic, Ochric)), лугово-каштановых (5–10%) (Haplic Kastanozem (Loamic) и перерыто-карбонатных почв (5%). Поверхность участка имела хорошо выраженный микрорельеф. Почвообразующие породы представлены засоленными лёссовидными суглинками большой (до 10 м) мощности. Грунтовые воды залегали глубже 10 м.

Опыт включал следующие варианты механического (мелиоративного) воздействия на почвы: отвальная вспашка с почвоуглублением до 40 см. (далее отвальная вспашка), трехъярусная и плантажная обработки. Часть площади участка оставлена в целинном состоянии. Половина обработанного участка засевалась однолетними травами, вторая – многолетними. С 1995 г. вся площадь была засеяна многолетними травами. Контроль изменений свойств почв опытного участка проводили раз в несколько лет с разной периодичностью на постоянно закрепленных контрольных участках размером 10 × 10 м на зональных почвах и солонцах. При определении содержания легкорастворимых солей и обменных оснований с динамической площадки по глубинам отбирали один смешанный образец из 10 скважин. Содержание гумуса определяли отдельно для каждой скважины. В лабораторных условиях анализировали содержание легкорастворимых солей, обменных катионов, гумуса, карбонатов и гипса [37]. В 1997 г. лабораторией генезиса и мелиорации солонцов Почвенного института им. В.В. Докучаева при участии Е.Т. Дегтяревой было проведено повторное обследование почв опытного участка. При обследовании оценивали изменение строения и морфологических свойств почв с использованием “Базовых шкал свойств морфологических элементов почв” [2]. На четырех динамических площадках, расположенных на вариантах опыта с мелиоративной обработкой отвальным плугом с почвоуглублением и на варианте с трехъярусной обработкой почв на бывших солонцовых пятнах и на зональных почвах, были заложены траншеи глубиной до 70 см и длиной на ширину захвата орудия. На длинной стороне траншеи выделялись сохранившиеся и сформировавшиеся за 24 года горизонты и морфоны, состоящие из смеси различных почвенных горизонтов в разных долевых сочетаниях. Стенку траншеи зарисовывали. На рис. 1 показано профильное строение солонца степного солончаковатого высококарбонатного глубокогипсового среднего через 24 года после проведения трехъярусной вспашки.

Рис. 1.

Схема строения агрозема солонцового карбонатного через 24 г. после проведения трехъярусной вспашки.

Образцы почв отбирали в каждой траншее из всех выделенных агрогоризонтов и морфонов, а также по методике, использовавшейся ранее на опытном участке (смешанные образцы из нескольких скважин). На целинной части опытного участка заложена два полнопрофильных разреза на светло-каштановой почве и солонце.

Сведения о погодных условиях за годы проведения опыта представлены по данным наблюдений ближайшей к опыту метеостанции Нижневолжского НИИСХ. Анализ климатических условий за время проведения опытов показал, что среднегодовое количество осадков составляло 390 мм и колебалось за время наблюдений от 206.6 до 751.7 мм. Сумма выпадающих осадков за апрель–сентябрь 270 мм за годы наблюдений изменялась от 76.2 до 544.9 мм/год. Сумма выпадающих осадков за октябрь–март в среднем составляла 120 мм, вариация от 82.3 до 269.5 мм/год. Наиболее засушливыми за время проведения опытов оказались 1975 (207 мм осадков за год), 1980 (263 мм), 1984 (270 мм) и 1986 гг. (212 мм). Наиболее влажные годы: 1985 (440 мм) и период с 1988 по 1990 гг. (752 мм за год, в 1989 г. – 672 мм, в 1990 г. – 752 мм). Наиболее теплым был 1975 г. (превышение от средней многолетней годовой температуры воздуха на 3.0°С), период с 1981 по 1983 гг. (1981–1982 гг. на 2.8°С), 1983 (2.1°С); 1989 г. (2.1°С) и 1990 г. (1.6°C).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Cравнение морфологических описаний целинных почв, сделанных в 1997 г., с описаниями 1973 г. показало идентичность по строению почвенного профиля, степени выраженности солонцового и солонцеватого горизонтов. В табл. 1 приведены схемы профильного строения целинных и агрогенно-измененных светло-каштановых почв и солонцов опытного участка. Индексацию почвенных горизонтов проводили в соответствии с классификацией почв России [31]. Название почв дано в соответствие с классификацией почв 1977 и 2008 гг. [22, 31].

На момент закладки опыта в 1973 г. по глубине залегания солевого горизонта целинные солонцы опытного участка относились к солончаковым. Степень засоления их колебалась от слабой (слой 0–30 см) до сильной (слой 120–150 см). По содержанию обменного натрия целинные солонцы относились к средненатриевым. Засоление в светло-каштановой солонцеватой почве наблюдалось с глубины 40 см и оценивалось как слабое и только на глубине 70–90 см – как сильное. Наибольшее количество солей приходилось, как и в случае солонцов, на горизонт почвообразующей породы (1.0–1.1%). Химизм засоления солонцов и светло-каштановых солонцеватых почв опытного участка хлоридный и хлоридно-сульфатный. Практически по всему профилю солонцов и светло-каштановых солонцеватых почв в составе водной вытяжки преобладали ионы Сl^– и Na⁺. При повторном обследовании целинных почв в 1997 г., верхняя толща солонцов оказалась промыта от легкорастворимых солей до 40 см, а светло-каштановых почв на всю мощность почвенного профиля. По содержанию обменного натрия в ППК солонцового горизонта целинные солонцы в 1973 г. относились к средненатриевым, а в 1997 г. стали относиться к остаточно-солонцеватым.

Установлено, что за прошедшие 24 года в целинных почвах изменилась глубина вскипания от НСl. В солонцах корковых и средних вскипание в 1973 г. наблюдалось в среднем с 16 см, выделения карбонатов с 45 см. В 1996 г. вскипание от НСl имело место с 22–28 см. Залегание карбонатных выделений с глубины 50 см. В целинных каштановых почвах в 1973 г. вскипание было зафиксировано на глубине 21 см, а в 1997 г. на 31–35 см. Глубина залегания карбонатных выделений (белоглазка) не изменилась. Видно, что динамика современных погодных условий повлияла на содержание и распределение по профилю почв легкорастворимых солей и обменного натрия в целинных почвах и привела к изменению классификационного положения почв на видовом и родовом уровнях. В дальнейшем при совершенствовании классификации почв необходимо учесть возможную динамику изменения классификационного положения почв с учетом динамики погодных условий во времени. Инерционность отклика почв на климатические колебания отмечалась Геннадиевым [8].

Обследование опытных участков через 24 года после закладки опыта показало, что в результате агрогенных воздействий произошло изменение морфологического облика этих почв с образованием двух групп. Почвы, в которых в результате агрогенного воздействия произошло разрушение и дезинтеграция их профильного строения, и почвы, в которых профильное строение изменилось незначительно. Во всех агрогенно-измененных почвах за 24 года сформировался пахотный горизонт, в составе которого присутствуют фрагменты верхних и нижележащих горизонтов.

Каштановые почвы в большинстве случаев при распашке не теряют срединных диагностических горизонтов. В них светлогумусовый горизонт AJ преобразуется в агрогумусовый Р. По классификации почв России [31] они относятся к типу агрокаштановых почв (в одном отделе с природными почвами). При распашке солонцов солонцовый горизонт, в зависимости от глубины залегания и его мощности, может частично сохраниться. Почвы данной группы по классификации почв России [31] образуют самостоятельный тип почв – агросолонцы в одном отделе с природными солонцами. В почвах с сохранившимся полностью или частично солонцовым или солонцеватым горизонтом морфологические свойства нижележащих горизонтов меняются незначительно. Во второй группе почв бывших солонцов после глубоких мелиоративных обработок ниже пахотного горизонта лежит турбированный горизонт, состоящий из разного набора фрагментов исходных генетических горизонтов.

По глубине залегания солевого горизонта агрогенно-измененные солонцы переходят из солончаковых в солончаковатые. Агрокаштановые почвы остаются по глубине залегания солей – солончаковатыми. За период наблюдений с 1973 по 1997 гг. наблюдалось как уменьшение содержания солей и обменного натрия в верхней 40-сантиметровой толще агрогенно-измененных солонцов, так и увеличение в зависимости от количества выпадающих осадков. При рассолении мелиорированных солонцов изменяется не только степень их засоления, но и соотношение ионов в составе почвенного раствора и водной вытяжки из почв. Под влиянием мелиорации из верхней части профиля мелиорированных солонцов в первую очередь вымываются хлорид-ионы и ионы натрия [23].

При постмелиоративном развитии агроземов солонцовых визуально не наблюдается иллювиирования илистого материала и восстановления солонцовых горизонтов. Кутаны на фрагментах солонцового горизонта островные. Они теряют блеск или полностью отсутствуют. Фрагменты солонцового горизонта могут сохраняться в почвах длительное время.

Таким образом, видно, что при разрушении солонцового профиля опытного участка при имеющихся климатических параметрах в почвах не происходит его восстановления.

Изучение особенностей сухостепного почвообразования на поверхностях курганов позднеголоценового возраста, проведенное Демкиным [12–15], показало, что период саморазвития почв на их поверхности за 500 лет привел к формированию неполноразвитого почвенного профиля. Почвы тяжелого гранулометрического состава таксономически относились к светло-каштановым солончаковатым карбонатным почвам, а легкого гранулометрического состава к светло-каштановым незасоленным почвам. Солонцовый или солонцеватый горизонты в них не формировались.

Следует отметить, что в мелиорированных солонцах лугово-черноземных почв Каменной степи солонцовый процесс со временем восстанавливается, в них хорошо заметно иллювиирование илистой фракции [38, 39]. Отсутствие в настоящее время признаков лессиважа в мелиорированных неорошаемых почвах сухостепной зоны может свидетельствовать об отсутствии условий для развития солонцового процесса.

Окарбоначивание почв. Обратим внимание на поведение карбонатов в этих почвах. Как показали наши исследования, в бывших высококарбонатных почвах развиваются процессы миграции соединений кальция. Происходит постепенная десегрегация карбонатных и гипсовых новообразований. Карбонатные новообразования теряют округлую форму, граница их становится диффузной. Развивается процесс подтягивания карбонатов вверх и их накопление в пахотном горизонте. Наблюдается растворение и перекристаллизация гипсовых новообразований [25]. В связи с важностью проблемы окарбоначивания пахотных горизонтов почв солонцовых комплексов, составлена прогнозная картосхема возможного окарбоначивания мелиорированных и распаханных неорошаемых почв Волгоградской области (рис. 2).

Рис. 2.

Картосхема возможного проявления процесса окарбоначивания агрогенноизмененных почв солонцовых комплексов Волгоградской области: 1 – маловероятно, 2 – возможно локальное, 3 – слабо выражено, 4 – сильно выражено.

При разработке картосхемы принимали во внимание особенности строения почв солонцовых комплексов и рекомендуемые приемы их мелиорации, используемые в разных административных районах Волгоградской области [11, 32], что позволило прогнозировать механическое перемещение карбонатсодержащих горизонтов после проведения разных мелиоративных приемов.

По нашему мнению, процесс накопления карбонатов в пахотном горизонте вероятен при распашке и мелиорации высококарбонатных почв солонцовых комплексов, и маловероятен при распашке глубоковскипающих почв. Разрушение и дезинтеграция солонцовых или солонцеватых горизонтов создают условия для двусторонней (вниз и вверх по профилю) миграции растворов, насыщенных по карбонату кальция, в поверхностные горизонты антропогенно-измененных почв.

Прежде, чем перейти к прогнозу возможного изменения почв сухостепной зоны в связи с изменением климата, проанализируем особенности современных климатических условий данной зоны на примере г. Волгограда, и как это может влиять на протекание современных почвообразовательных процессов. Для этих целей воспользуемся данными работ Сажина с соавт. [33–35].

Как известно, наиболее характерной особенностью климата сухостепной зоны является резкий дефицит влаги весной и в первую половину лета, часто повторяющиеся засухи и суховеи. Максимальное количество осадков в районе г. Волгограда приходится на июнь–июль. Количество осадков, выпадающих в период с апреля по сентябрь, составляет в среднем 63% от суммы осадков за гидрологический год и колеблется от 3.9% в сухие и до 81% во влажные годы. Испаряемость в этот период в 2.5 раза превышает количество осадков. Запасы продуктивной влаги в метровом слое под озимыми культурами на дату перехода температуры воздуха через +10°С составляют около 100 мм, к середине июля запасы влаги под озимыми культурами составляют от 5 до 35 мм, а в конце сентября при переходе температуры через +10°С запасы влаги увеличиваются до весеннего уровня. Установление теплого периода в Волгограде происходит 23 марта, а полное оттаивание почвы 1 апреля. Следовательно, из климатических показателей на изменение свойств почв может оказывать влияние количество осадков в период, когда температура почвы >0°С. Можно предположить, что влияние изменения количества осадков, выпадающих в холодный период, на протекание почвообразовательных процессов будет незначительным. В то же время в период снеготаяния количество выпавших в зимний период осадков будет иметь значение. При сохранении высоких температур летом, выпадающие в этот период осадки не будут оказывать влияния на изменение содержания солей и обменных оснований из-за быстрого испарения влаги. Это совпадает с мнением Панковой и Конюшковой [29].

В то же время, если при изменении климата произойдет увеличение количества осадков, выпадающих с апреля по июнь и в августе–октябре, это должно оказывать влияние на процессы растворения и миграции легкорастворимых солей. Значительное увеличение количества выпадающих осадков будет приводить к увеличению глубины промачивания почв и вымыванию легкорастворимых солей в нижнюю часть профиля. Из неблагоприятных процессов можно ожидать развития содообразования, приводящего к осолонцеванию почв. Эти процессы хорошо изучены на орошаемых почвах сухостепной зоны [3, 4, 16]. Вторичного засоления легкорастворимыми солями может не происходить.

Можно предположить, что при возрастании летних температур при сохранении современного количества и времени выпадения осадков, будет происходить усиление засоления верхней части почв и может иметь место преобразование современных каштановых почв в серо-бурые пустынные почвы с уменьшением содержания органического вещества, описанные в работах Демкина, Иванова [12–15].

При увеличении количества осадков возможен подъем грунтовых вод, изменение их минерализация, а в некоторых случаях и химизма засоления.

Может произойти подтягивание легкорастворимых солей, карбонатов и гипса к поверхности почв, наблюдаться совмещение гипсового и карбонатного профилей в полугидроморфных почвах. Развитие подобных почв наблюдали в 2006–2008 гг. на Кисловской оросительной системе.

Возможно, на распаханных или мелиорированных почвах эти процессы будут протекать быстрее, чем на целинных территориях.

ВЫВОДЫ

1. Динамика погодных условий в настоящее время не приводит к коренному изменению типообразующих почвообразовательных процессов в целинных почвах сухостепной зоны. Можно отметить инерционность почвенного покрова к незначительным изменениям климатических условий.

2. Антропогенное воздействие, в первую очередь глубокая вспашка, приводит к изменению водно-физических, химических и физико-химических свойств почв комплекса и как следствие к изменению протекающих типообразующих процессов. Трансформированные почвы становятся более чувствительными к климатическим изменениям.

3. В сухостепной зоне процесс накопления карбонатов в пахотном горизонте вероятен при распашке и мелиорации высококарбонатных почв солонцовых комплексов и маловероятен при распашке глубоковскипающих почв.