Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
На правах рукописи
Сиземская Марина Львовна
СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЧВ ПОЛУПУСТЫНИ СЕВЕРНОГО ПРИКАСПИЯ ПРИ ЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Специальность: 03.02.08 - экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва - 2011
Работа выполнена в лаборатории аридного лесоразведения и лесной зоологии Учреждения Российской академии наук Института лесоведения РАН
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Герасимова Мария Иннокентиевна доктор сельскохозяйственных наук, профессор Панкова Евгения Ивановна доктор биологических наук Романовский Михаил Георгиевич
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
Защита состоится л____ _____________ 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 002.054.01 при Учреждении Российской академии наук Институте лесоведения РАН по адресу: 143030, Московская обл., Одинцовский р-н, с. Успенское, ул. Советская, 21. Тел./факс: +7(495)6345257.
E-mail: root@ilan.ras.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института лесоведения РАН
Автореферат разослан л____ ____________ 2011 г.
Учёный секретарь диссертационного совета, к.б.н. Уткина И.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Изучение современных процессов эволюции почв как важнейшего компонента экосистем дает возможность более глубокого понимания их функционирования и составления научно обоснованных прогнозов их дальнейшего развития. Для почв аридных регионов одной из важнейших характеристик является их солевое состояние, которое, в отличие от многих других почвенных свойств, может изменяться во времени сравнительно быстро и поэтому быть доступным для непосредственных натурных наблюдений. В этом отношении целинные ландшафты глинистой полупустыни Северного Прикаспия являются прекрасной природной моделью территории, где на протяжении коротких исторических промежутков времени в связи с цикличностью климатических условий и, возможно, другими причинами, почвы неоднократно подвергались процессам засоления и рассоления. Существующая литература по этой проблеме (Ковда, 1950; Динесман, 1960, 1977; Демкин, Иванов, 1985; Геннадиев, 1990; Демкин и др., 2003, 2006) относится преимущественно к изменению солевого состояния почв на протяжении всего голоцена или крупных его отрезков, исчисляемых веками и тысячелетиями. Проявление процессов современной эволюции почв этой территории практически не изучены.
Существенное влияние на трансформацию почв оказало антропогенное воздействие. Для аридных регионов страны с природными условиями, признанными в мировой практике нелесопригодными, на Джаныбекском стационаре Института лесоведения РАН в середине прошлого века был разработан и осуществлен в натуре особый вариант природопользования на богаре. Он обеспечивает мелиорацию почв, повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий, сохранение биоразнообразия, оптимизацию ландшафта с использованием жизнестойких лесных насаждений разного строения и назначения и, как следствие, улучшает условия жизни людей (Биогеоценотические основыЕ, 1974; Большаков и др., 1983; РекомендацииЕ, 1988; Повышение продуктивностиЕ, 1989). Этот вариант включает в себя, в частности, оригинальную эффективную систему агролесомелиоративных (АЛМ) мероприятий, способствующую достаточно быстрому рассолению и рассолонцеванию солонцов. Анализ данных по динамике и функционированию почв в АЛМ системах дает возможность оценить их изменение при антропогенном воздействии на фоне эволюции почв целинных участков. Последнее обобщение было выполнено в начале 70-х годов ХХ века (Биогеоценотические основыЕ, 1974). В дальнейшем за прошедшие десятилетия в природных условиях, в том числе, в почвах и в состоянии АЛМ систем произошли существенные изменения, которые требуют анализа, осмысления и оценки.
Состояние вопроса. В работах А.А. Роде, А.Ф. Большакова, М.Н. Польского и других исследователей дана характеристика природных условий, почв и почвенного покрова на период организации Джаныбекского стационара. В более поздних публикациях Г.П. Максимюк, И.Н. Оловянниковой, Г.С. Базыкиной, Т.А. Соколовой и других авторов были представлены результаты изучения водного и солевого режимов почв и дана оценка изменения их физико химических характеристик в результате АЛМ воздействий. Были показаны особенности профильного распределения и содержания легкорастворимых солей (Роде, Польский, 1961), их изменения при мелиорации (Максимюк, 1961, 1974);
количественно охарактеризованы особенности рассоления солонцов на участках с различной длительностью мелиорации, выявлено образование элювиально-солевого и иллювиально-солевого горизонтов, описан характер перераспределения и миграции солей во всей почвенно-грунтовой толще (Максимюк, 1989); изучено мелиоративное влияние системы лесных полос на разных этапах ее функционирования (Базыкина, Оловянникова, 1996), дана экологическая оценка антропогенно-измененных почв (Базыкина, 2000, 2005).
Исследовали также изменения при мелиорации аккумуляций карбонатов (Романенкова, 1990), состава почвенного поглощающего комплекса (Романенков, 1990) как при богарном освоении почв, так и при орошении (Толпешта, 1993). Работы последних лет связаны с изучением влияния подъема уровня грунтовых вод на различные процессы почвообразования. В частности, показано изменение солевого состояния солонцов (Топунова, 2003), луговокаштановых почв (Бычков, 2007), в том числе, в модельном эксперименте (Володина, 2005); почвенного поглощающего комплекса (Колесников, 2004); направленности водно-солевого процесса (Сотнева, 2004; Голованов, Сотнева, 2009) и некоторых других эволюционных аспектов (Базыкина, 2005; Хитров, 2005).
Однако, несмотря на относительную изученность механизмов многих почвообразовательных процессов, не существует общей концепции современной эволюции почв Северного Прикаспия, которая не только охватывала бы длительный временной ряд исследования почвенной составляющей при естественном развитии ландшафта и при различных антропогенных воздействиях в аридных регионах, но и характеризовала бы тренд, динамику и скорость почвообразования.
Основная цель работы - исследование направления и скорости процессов современного этапа эволюции и динамики почв под влиянием природных и антропогенных факторов в естественных полупустынных и искусственных лесных экосистемах Северного Прикаспия. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Дать анализ динамики уровня и минерализации грунтовых вод и охарактеризовать современную почвенно-гидрологическую обстановку, определяющую направленность процессов эволюции почв.
2. Исследовать основные процессы почвообразования в условиях целинных ландшафтов.
3. Изучить современное состояние почв в системе агролесомелиорации и выявить тенденции их антропогенной трансформации.
4. Оценить эффективность агролесомелиоративных мероприятий в связи с изменениями природной обстановки и длительной (40-60 лет) мелиорацией.
5. Изучить результаты воздействия искусственных лесных насаждений на свойства почв.
Научная новизна работы заключается во всесторонней характеристике направления современного почвообразования и впервые выделенного особого этапа эволюции почв глинистой полупустыни Северного Прикаспия, происходящего под воздействием природных и антропогенных факторов, среди которых наиболее важная роль отводится подъему уровня грунтовых вод и влиянию искусственных лесных экосистем. Обобщены результаты длительных экспериментальных почвенных исследований в условиях целинных и антропогенных ландшафтов.
Выявлены и охарактеризованы ведущие почвообразовательные процессы, формирующие современный облик почв. В условиях целинных ландшафтов такими процессами, прежде всего, являются: засоление почвенно-грунтовой толщи за счет подъема уровня грунтовых вод, охватывающее все компоненты почвенного покрова, возрастание доли хлора и щелочноземельных катионов в составе легкорастворимых солей, а также увеличение доли обменного Na+ в составе ППК. В условиях АЛМ систем ведущими процессами трансформации почв являются рассоление-засоление, выщелачивание гипса, окарбоначивание, замещение натрия кальцием в составе ППК. Именно эти процессы определяют формирование солевого состояния почв полупустыни Северного Прикаспия, которое отнесено к наиболее важной интегральной характеристике, отражающей и результирующей проявление тех динамических процессов, которые происходили как в прежние эпохи эволюции почв, так и наблюдаемые на ее современном этапе. На макро-, мезо-, микроуровнях изучены особенности строения новообразований легкорастворимых солей, карбонатов и гипса. Во временном ряду дана оценка скорости изменения показателей солевого состояния почв в АЛМ системах, разработана диагностика их постмелиоративного состояния.
Выявлено формирование антропогенных почв, не имеющих аналогов в природе, и определено их классификационное положение. Дано обоснование выделения особого антропогенного этапа развития почв, который по скорости, интенсивности протекания процессов, результатам несопоставим с предыдущими периодами эволюции. Проведена сравнительная оценка различных видов использования почв. Показано, что по сравнению с другими приемами освоения территории, например, орошением, агролесомелиорация характеризуется более щадящими экологическими последствиями воздействия на природные ландшафты полупустыни.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Современный этап эволюции почв глинистой полупустыни Северного Прикаспия определяется увеличением общей увлажненности территории в конце ХХ века и возрастанием влияния подъема грунтовых вод на процессы почвообразования. Основной тренд этого этапа проявляется в интенсификации процессов миграции солей в почвенно-грунтовой толще.
2. Создание функционально необходимых и социально значимых искусственных лесных насаждений в условиях полупустыни оказывает существенное влияние на природные ландшафты и становится важным фактором антропогенной трансформации почв, предопределяющим направление и скорость ведущих почвообразовательных процессов.
3. Агролесомелиоративное воздействие приводит к созданию антропогенных почв с новой системой генетически взаимосвязанных горизонтов.
Предложено называть эти мелиорируемые почвы элювиально-солевыми агроземами.
4. Постмелиоративное состояние солонцов характеризуется замедлением скорости их трансформации при продолжающемся мелиоративном воздействии. Разработаны качественные и количественные показатели постмелиоративного состояния солонцов, отражающие диагностические, динамические, генетические, классификационные, экологические признаки его проявления.
Практическая значимость. Охарактеризованы результаты и дана экологическая оценка различных видов использования земель: при АЛМ воздействии, орошении, в состоянии залежи, при выращивании массивных лесных насаждений, - что должно быть учтено при проведении мелиоративных и сельскохозяйственных мероприятий на почвах солонцового комплекса в современных условиях. Выявлен и описан этап постмелиорации солонцов, дана его характеристика, разработаны диагностические показатели и предложены критерии его выделения. Изученные закономерности важны для прогноза и предотвращения нежелательных последствий различных видов антропогенного воздействия, а также для оптимизации природопользования в регионе.
Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы были представлены на научных совещания и конференциях отечественного и международного уровня: Влияние гидрологического режима на структуру и функционирование биогеоценозов (Сыктывкар, 1987); 10th International Soil Zoology Colloquium (Bangalore, India, 1988); VIII Всесоюзный Съезд почвоведов (Новосибирск, 1989); Почвенные ресурсы Прикаспийского региона и их рациональное использование в современных социально-экономических условиях (Астрахань, 1994); Биологическое разнообразие лесных экосистем (Москва, 1995); 10th International Working Meeting Soil micromorphology (Москва, 1996); Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения (Москва, 1998); Экологический мониторинг лесных экосистем (Петрозаводск, 1999); Combating desertification with plants (Beer Sheva, Israel, 1999); Проблемы природопользования и сохранения биоразнообразия в условиях опустынивания (Волгоград, 2000); Х1Х Чтения памяти В.Н.Сукачева Экологические процессы в аридных биогеоценозах (Москва, 2001); Лесные стационарные исследования: методы, результаты, перспективы (Москва, 2001); Функции почв в биосферно-геосферных системах (Москва, 2001); 12th International Soil Conservation Organization Conference (Beijing, China, 2002);
Степи Северной Евразии. Эталонные степные ландшафты: проблемы охраны, экологической реставрации и использования (Оренбург, 2003); Защитные лесные насаждения и сельскохозяйственное производство. Проблемы опустынивания (Барнаул, 2003); Экология и биология почв (Ростов-на-Дону, 2004);
Природное наследие России: изучение, мониторинг, охрана (Тольятти, 2004);
2nd International Seabuckthorn Association Conference (Beijing, China, 2005); Биосферные функции почвенного покрова (Пущино, 2005); Биоресурсы и биоразнообразие экосистем Поволжья (Саратов, 2005); Актуальные вопросы лесного хозяйства и озеленения в Казахстане (Щучинск, Республика Казахстан, 2005); 2nd International Symposium on Soil Erosion and Dryland Farming (Yangling, China, 2006); International Conference on Water, Ecosystems and Sustainable Development in Arid and Semi-arid Zones (Urumqi, China, 2006; TehranYazd, Iran, 2009); Актуальные проблемы рекреационного лесопользования (Москва, 2007); Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования (Астрахань, 2007, 2009); Организация почвенных систем. Методология и история почвоведения (Пущино, 2007); 6th European Conference on Ecological Modeling ECEM07 (Trieste, Italy, 2007); Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря и водоемов внутреннего стока Евразии (Астрахань, 2008); Ecology@Safety (Bourgas, Bulgaria, 2008, 2009, 2010);
Land Degradation in Dry Environments (El-Kuwait, Kuwait, 2009); International Conference of ESSC on Protection of the Ecological and Productivity Functions of Soil in a PAN European Context (Pruhonice, Czech Republic, 2009). Один из разделов работы Экологические аспекты агролесомелиоративного освоения глинистой полупустыни Северного Прикаспия экспонировался в 1988 г. на ВДНХ СССР на выставке Экология - охране природы и награжден серебряной медалью.
ичный вклад автора заключается в постановке проблемы, разработке программы и методики исследований, критическом анализе и обобщении литературного материала, подборе объектов исследования, сборе, обработке и анализе экспериментального материала, формулировании научных положений и выводов. Соавторство всех участников работы, все случаи использования данных других авторов и совместных исследований оговорены в соответствующих разделах работы.
Сведения об использовании полученных результатов. Материалы работы включены в Рекомендации по защитному лесоразведению и лесной мелиорации в глинистой полупустыне Северного Прикаспия, М.: Госкомиздат СССР по лесному хозяйству, 1988. 68 с. Получен патент на изобретение Способ лесомелиоративной рекультивации земель № 2406285.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 102 работах, в том числе - в 35 статьях в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, и в одной коллективной монографии издательства Наука.
Организация исследований. Исследования проведены в Учреждении Российской академии наук Институте лесоведения РАН (ИЛАН) в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ 1981-2010 гг. лаборатории аридного лесоразведения и лесной зоологии, которой автор руководит с 1998 г., а также при непосредственном руководстве грантами Российского Фонда фундаментальных исследований (Проекты № 00-04-48637, 03-04-48076, 06-04-48076, 09-04-00030, совместного проекта РФФИ и ГФЕН Китая № 07-0492102), Федеральной целевой программы Интеграция (Проект М0063), Программ ОБН РАН Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами и Биологические ресурсы России.
Основной материал был собран на Джаныбекском стационаре ИЛАН, который расположен в глинистой полупустыне Прикаспийской низменности в междуречье Волги и Урала. Стационар был создан в 1950 г. и, являясь крупномасштабным экспериментом по полупустынному защитному лесоразведению, представляет собой натурную модель лесоаграрного комплекса. Территория стационара признана уникальным рукотворным оазисом, которому Правительством Российской Федерации присвоен статус Памятника природы федерального значения (Постановление № 719 от 16 июня 1997 г.). Стационарные исследования были дополнены маршрутными экспедициями по Северному Прикаспию.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы, включающего 469 названий, из которых 44 - на иностранных языках. Работа изложена на 355 стр. машинописного текста, содержит 61 таблицу и 56 рисунков.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему учителю - профессору Т.А. Соколовой; всем сотрудникам Джаныбекского стационара и других учреждений, с которыми автору посчастливилось работать на стационаре: Б.Д. Абатурову, Г.С. Базыкиной, А.В. Быкову, С.Э. Вомперскому, Т.С. Всеволодовой-Перель, Л.А. Князевой, А.В. Колесникову, И.В. Копыл, Н.Ю. Кулаковой, М.П. Лебедевой (Вербе), Г.В. Линдеману, Г.П. Максимюк, И.Н. Оловянниковой, В.А. Романенкову, М.К. Сапанову, Н.Г. Сенкевич, И.И.
Толпешта; бывшим студентам и аспирантам: С.Г. Борзенко, Н.Н. Бычкову, И.В.
Володиной, Н.И. Сотневой, И.В. Топуновой.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. Общие представления об эволюции и динамике экосистем, почв как их важнейшего компонента и почвообразовательных процессов Понятие об лэволюции - одно из основополагающих в науке. А.А. Роде, давая определение почвы, отнес ее к природным образованиям, представляющим систему динамическую, в которой непрерывно совершается ряд изменений, касающихся ее состава, свойств и энергетического состояния (Роде, 1947, с. 51). Такое прогрессивное изменение состава и свойств почвы во времени, выражающееся в столь сильном изменении отличительных признаков почв, что появляется необходимость изменения ее классификационного наименования, - и есть эволюция почвы, которая является следствием непрерывно идущего почвообразовательного процесса. Почвообразование - процесс циклический, и это один из его существеннейших признаков, связанный с природным суточным и годичным энергетическим ритмами. После окончания каждого цикла в почве накапливаются некоторые остаточные изменения, представляющие собой итог данного цикла, из совокупности которых и слагается почвообразовательный процесс. Его скорость убывает с течением времени. В нем можно различить два главных периода: первый - относительно быстрый (период формирования почвы) и второй - период ее медленной эволюции (Роде, 1947, 1984).
Изменения почв, наблюдаемые на разных уровнях временной и пространственной организации почвенного покрова, происходят с разной скоростью. К разряду быстрых процессов, протекающих в течение суток, месяцев, лет, относятся процессы функционирования системы, или ее обратимые, колебательные изменения - почва-момент (Соколов, Таргульян, 1976; Таргульян, Соколов, 1978). Эти процессы не меняют облика почвы, однако связанные с ними микроизменения, постепенно накапливаясь, приводят к трансформациям, протекающим относительно медленно, но существенно меняющим комплекс устойчивых признаков почвы, по которым они классифицируются (Роде, 1947).
Под динамикой почв понимают количественные изменения (без существенного изменения качества) в пределах инварианта (комплекса устойчивых свойств), часто для них характерна цикличность, или квазипериодичность протекания (Александровский, Александровская, 2005), в то время как эволюция - качественные необратимые изменения инварианта (Сочава, 1978; Геосистема во времени, 1991). Именно этот комплекс устойчивых свойств является педолитоматрицей почвы и объединяется понятием почва-память (Соколов, Таргульян, 1976; Таргульян, Соколов, 1978).
Эволюция - это единственный процесс, энергия которого не разрушает, а движет вековыми преобразованиями почв (Докучаев, 1883, 1891). Агрогенная и техногенная трансформации по своей энергии и скорости превосходят эволюционную, а их результат лисключает эволюционный путь из жизни почв (Зонн, 1992). В этой связи трансформация почв нами трактуется как направленное антропогенное воздействие, часто имеющее заданную цель изменения того или иного параметра, того или иного свойства почв, того или иного почвообразовательного процесса.
В работе широко используется концепция элементарных процессов почвообразования (ЭПП) (Неуструев, 1926; Захаров, 1931; Герасимов, Глазовская, 1960; Герасимов, 1973, 1975, 1986; Ковда, Розанов, 1988; Козловский, 2003;
Таргульян, 2005; Тонконогов и др., 2006). В современном почвоведении ЭПП часто определяют как процесс, составляющий часть общего процесса почвообразования и обязательно образующий какой-либо твердофазный признак или спектр признаков в почвенной системе, причем, признак устойчивый во времени и диагностически значимый для выявления пространственных и временных различий почв (Таргульян, 2005). Каждый ЭПП может быть выражен через приращение во времени лосновного диагностического показателя - одномерной (скалярной) физической величины, выражающей некоторое свойство почв (Козловский, 2003).
Использована схема ЭПП, основанная на разработке Б.Г. Розанова (1988), которая, с учетом особенностей почвообразования в аридном регионе, может выглядеть следующим образом: I. Биогенно-аккумулятивные ЭПП (подстилкообразование, гумусообразование, дерновый процесс); II. Гидрогенноаккумулятивные ЭПП (засоление, загипсовывание, окарбоначивание); III. Метаморфические ЭПП (оглеение, слитизация, оструктуривание); IV. Элювиальные ЭПП (выщелачивание (декарбонатизация, рассоление), осолодение); V. Иллювиально-аккумулятивные ЭПП (глинисто-иллювиальный процесс); VI. Педо турбационные ЭПП (растрескивание, биотурбация, агротурбация); VII. Деструктивные ЭПП (дефляция).
К динамически уравновешивающимся парам ЭПП можно отнести процессы восходящей и нисходящей миграций карбонатов и солей в почвах, ЭПП педотурбаций. В то же время, эти процессы могут быть частично или полностью обратимыми, и поэтому гораздо легче стираемыми в процессе эволюции почв (Таргульян, 2005).
В главе отражены современные представления об антропогенной трансформации почв, прямо или косвенно связанной с деятельностью человека и проявляющейся не только в коррекции, сдерживании или, напротив, интенсификации естественных процессов почвообразования (Тонконогов и др., 2006), но и в появлении новых.
ГЛАВА 2. Природные условия и хозяйственное освоение территории Территория Северного Прикаспия (междуречья Волги и Урала), развитие которой во многом определяется колебаниями уровня Каспийского моря, относится к наиболее динамичным в отношении природных условий регионам России. Молодость этой территории, цикличность ее развития, связанная с трансгрессиями Каспия, бессточность, безводность и равнинность, комплексность почвенного и растительного покрова, засушливость, резко континентальный климат, - являются доминирующими признаками природной среды.
андшафты и почвы бессточной равнины Северного Прикаспия имеют сложную и длительную историю эволюции в голоцене, которая включала ряд этапов и стадий, определяемых изменениями общей увлажненности, колебаниями уровня грунтовых вод, развитием микрорельефа. Их современный облик сформировался к концу лугово-степного этапа развития (3800-2000 лет назад).
Окончательное становление большинства свойств и признаков почв солонцового комплекса происходило на протяжении сухо-степного этапа (2000-0 лет назад) их эволюции (Демкин, Иванов, 1985).
В Северном Прикаспии территории с комплексным почвенным покровом, в котором более 50% составляют солончаковые солонцы, требующие мелиорации, а по 25% приходится, в среднем, на солонцеватые светло-каштановые и незасоленные лугово-каштановые почвы, занимают площадь более 2,9 млн. га в пределах России и Казахстана. Около 10% площади приходится на мезопонижения рельефа - падины с лугово-каштановыми (или темноцветными черноземовидными, по Роде, Польский, 1961) почвами и лиманы с осолоделыми почвами и солодями. Доказана высокая репрезентативность Джаныбекского стационара как эталона ландшафтов суббореальных полупустынь Северного Прикаспия и Казахстана (Гильманов, Иващенко, 1990).
Выделены следующие наиболее важные природные факторы, которые лимитируют выращивание в этом регионе сельскохозяйственных и лесных культур: (а) небольшое количество осадков, которых достаточно лишь для произрастания травянистых фитоценозов, (б) частая повторяемость малоснежных зим, а также зим со слабым снегопереносом, что ограничивает в такие годы накопление снега, необходимого для существенного увеличения влагозарядки почв на отдельных окультуриваемых участках, (в) неустойчивость выпадения осадков в летние месяцы, что в совокупности с высокими летними температурами воздуха, его низкой относительной влажностью приводит к частым атмосферным и почвенным засухам, (г) значительное содержание токсичных солей в солончаковых солонцах и светло-каштановых почвах (в 5-метровой толще 1и 100 кг/м2, соответственно), большая часть запаса которых сосредоточена в верхних 2 м, что сокращает мощность корнеобитаемого слоя растений, (д) засоленность грунтовых вод под солонцами и светло-каштановыми почвами (до 510 г/л), их близкое залегание на глубине 5-7 м, а также ограниченность запаса воды в пресных линзах под лугово-каштановыми почвами падин и западин при наличии в них сомкнутых древесных насаждений (Сапанов, Сиземская, Оловянникова, 2005).
История показывает, что выбор методов хозяйствования на этих землях крайне ограничен. Во времена Букеевского ханства, в ХIХ веке, почти на всей территории Северного Прикаспия было развито кочевое отгонное скотоводство. В тот же период почвы падин начали постепенно использовать в земледелии под зерновые и бахчевые культуры. В середине ХХ века была проведена широкомасштабная распашка целинных земель (с неизбежным вовлечением солонцов и светло-каштановых почв) для посева зерновых культур (в настоящее время многие такие площади уже не обрабатываются). С 70-х годов прошлого века началось использование обводнительно-оросительных систем (сейчас площади орошаемых земель также сокращаются). Уменьшение в последние десятилетия в сельскохозяйственном производстве зернового направления и орошаемого земледелия и увеличение доли животноводства связано с изменениями рыночных взаимоотношений, которые сокращают малорентабельные и рискованные виды производства в засушливых регионах.
С конца 50-х годов ХХ века в структуре природных ландшафтов Северного Прикаспия, главными компонентами которой являются полупустынный солонцовый комплекс и сухостепные падины, появился новый элемент - антропогенный агролесной ландшафт. Одним из его разнообразных вариантов стала АЛМ система освоения почв солонцового комплекса. АЛМ воздействие сочетает в себе проведение плантажной вспашки, разрушающей солонцовый горизонт и вовлекающей в пахотный слой содержащийся в первом подсолонцовом горизонте гипс (что приводит к рассолонцеванию солонцов), с посадкой древесных кулис из вяза приземистого (Ulmus pumila L.), что обеспечивает рассоление солонцов за счет снегонакопления и дополнительного увлажнения почв (Биогеоценотические основыЕ, 1974).
Более чем 50-летний опыт Джаныбекского стационара, основанный на изучении особенностей природных условий и функционирования лесных культур на засушливых территориях с комплексным почвенным покровом, показал возможность создания долговременных полезащитных лесных систем, пригодных для выращивания сельскохозяйственных культур, лесопастбищных систем - для выпаса животных, массивных лесных насаждений - для рекреационных целей (Биогеоценотические основыЕ, 1974; Большаков и др., 1983, Вомперский, Оловянникова, 1984; РекомендацииЕ, 1988; Повышение продуктивно стиЕ, 1989; Базыкина, Оловянникова, 1996; Сенкевич, Оловянникова, 1996;
Сапанов, 2003; Сиземская, Сапанов, 2004, 2005, 2006; Вомперский и др., 2006).
Эти исследования имели огромное теоретическое и практическое значение как пример направленного благоприятного изменения экологических условий под влиянием контролируемого умеренного вмешательства в него человека.
ГЛАВА 3. Объекты, методология и методы исследования Объектами исследований были почвы как естественных экосистем глинистой полупустыни Северного Прикаспия, так и почвы под искусственными лесными насаждениями и агроценозами, созданными на Джаныбекском стационаре Института лесоведения РАН. Ценность и информативность этих объектов определяется длительностью (более 60 лет исследований), наличием исходных данных состояния и свойств почв, непрерывностью мониторинга, что позволяет всесторонне охарактеризовать современные процессы эволюции почв на разных ее этапах и, в целом, за 50-60 лет освоения, а также оценить их результаты и экологические последствия. Некоторые динамические аспекты солевого состояния изучены в почвах орошаемых и приканальных территорий, а также на залежах.
Одним из объектов исследования были АЛМ системы с разными сроками применения агролесомелиорации (с 1951, 1959 и 1970 годов). Выбранные мелиорированные участки представляют собой сельскохозяйственные поля с расположенными на них однорядными лесными кулисами с шириной полей 60, 200 и 400 м и шириной межкулисных пространств - 18, 40 и 56 м, соответственно. В настоящее время деревья имеют высоту 10-12,5 м и диаметр ствола 19-см и находятся в удовлетворительном состоянии. Данные АЛМ системы относятся к полезащитным. Исследовали почвы как межкулисных пространств, так и находящиеся непосредственно под кулисами.
Изучены различные варианты лесных экосистем, в частности, колков, сформировавшихся по западинам в результате распада плотных многорядных насаждений. В возрасте 55 лет высота древостоя, основным представителем которого является дуб черешчатый (Quercus robur L.), в среднем, составляет метров. Средний диаметр ствола - около 16 см. Также изучены массивные насаждения 1951-1953 годов посадки из дуба черешчатого (средняя высота деревьев - 15-16 м, диаметр - 19-20 см) и вяза приземистого (средняя высота деревьев - 18-22 м, диаметр - 22-26 см), которые расположены в падинах. Такие лесонасаждения могут применяться в пастбищезащитных и рекреационных системах.
В качестве модели состояния почв при более близком залегании грунтовых вод, находящихся на отметке 3 м от поверхности и выше, была исследована почвенно-гидрологическая обстановка на приканальной территории Палласовской обводнительно-оросительной системы, введенной в действие в начале 1980-х годов. Там же, на сельскохозяйственных полях были изучены последствия проведения 10-летнего орошения машинами Волжанка (норма полива 600-700 м3/га), а затем - оценены тенденции изменения почв через 3 года после прекращения 20-летнего орошения.
В почвах под 35-летней залежью были исследованы процессы восстановления свойств почв после прекращения хозяйственной деятельности.
Изучали солончаковые солонцы микроповышений и лугово-каштановые почвы падин и западин. Переходное положение и меньший ареал светлокаштановых почв, занимающих склоны микрорельефа, часто не позволяют с необходимой точностью и достоверностью идентифицировать эти почвы и охарактеризовать те или иные процессы, которые отчетливо развиваются и диагностируются в крайних членах полупустынного солонцового комплекса, поэтому в рамках данной работы светло-каштановые почвы практически не рассматриваются. Контролем для всех вариантов сельскохозяйственного использования почв были их целинные аналоги.
Главной методологической основой исследований стал сформулированный В.Н. Сукачевым (1947, 1951) комплексный стационарный подход, позволяющий осуществлять длительные режимные наблюдения на одних и тех же объектах с необходимой периодичностью. Важным принципом методологии исследования стало изучение всей зоны аэрации мощностью 5-7 м от поверхности почв до грунтовых вод для получения полной информации не только о солевом состоянии собственно почвенного профиля, но и всей почвенногрунтовой толщи. Эта зона представляет собой единую систему в отношении перераспределения и накопления солей, поскольку солевое состояние почв определяется не только минерализацией и составом грунтовых вод, но и уровнем их залегания, а также мощностью капиллярной каймы.
Методология исследования включала: 1). Сравнительный анализ современных данных по характеристике основных компонентов целинного почвенного покрова (солончаковых солонцов и лугово-каштановых почв) с соответствующими результатами, полученными в 50-60-е годы прошлого века; 2). Сравнительный анализ современных данных по характеристике основных компонентов целинного почвенного покрова с результатами исследования этих почв, находящихся в системе агролесомелиоративного воздействия на разных стадиях мелиорации; 3). Приемы физического моделирования взаимодействия солончаковых солонцов и лугово-каштановых почв с минерализованными грунтовыми водами; 4). Статистическую обработку результатов для выявления достоверности различий между современными данными и данными, полученными в 50-60-х годах прошлого века.
Изучение почв проводили комплексом морфологических, химических и инструментальных методов.
При сборе полевых материалов выполняли детальное описание как самих почвенных горизонтов (по Базовым шкаламЕ, 1982) с использованием цветовой шкалы (MunsellЕ, 1954), так и солевых аккумуляций на макро- и мезоуровнях, а также отбор ненарушенного строения и препарированных образцов солей для их последующего исследования на микроуровнях. Образцы почв и грунтов из верхней толщи мощностью 1,5-2 м отбирали колонкой каждые см со стенок разреза, ниже и до грунтовых вод - из буровых скважин. Одновременно замеряли глубину залегания и отбирали образцы грунтовых вод для их дальнейшего анализа. Проводили определение объемной массы (ОМ) в 4 кратной повторности и влажности почвогрунтов термовесовым методом. Запасы солей, карбонатов, гипса, органического вещества по полуметровым слоям рассчитывали с учетом ОМ и мощности слоев. При обследовании большинства участков закладывали не менее 3 разрезов и скважин на каждой почвенной разности, что дало возможность провести статистическую обработку результатов (Дмитриев, 1995).
Для учета продукции живой надземной фитомассы растительного покрова на почвах солонцового комплекса в основных ассоциациях был использован метод максимального укоса. Ежегодно с 2004 по 2010 гг. в мае-июне проводили укосы в 4-кратной повторности на учетных площадках размером 1х1 м.
Растения срезали на уровне поверхности почвы. Учитывали сухую массу с ее разделением по видам.
Использованные в работе метеорологические данные, в основном, получены на Джаныбекской метеостанции Казгидромета, находящейся в 5 км от Джаныбекского стационара.
В лабораторных условиях образцы почв и грунтов подвергали химическому анализу, используя общепринятые методы (Аринушкина, 1970; Воробьева, 1998). Концентрацию ионов SO42- определяли по Комаровскому (Гедройц, 1955), концентрацию ионов Na+ в водной вытяжке и в грунтовых водах в части образцов определяли на пламенном фотометре. В остальных образцах концентрацию Na+ находили расчетным путем по разности между суммой анионов (HCO3-, Cl-, SO42-) и суммой катионов (Сa2+; Mg2+), поскольку именно так определяли содержание ионов Na+ в 1950-60-е годы (Максимюк, 1961), что позволяет проводить корректное сопоставление данных. Содержание гумуса определяли по Тюрину, фракционирование почвы (сухое просеивание) - по методу Саввинова (Физико-химические методыЕ, 1980).
Измерение активностей ионов проводили в пастах и водных вытяжках на иономере И-500. Определение электропроводности (ЭП) водных вытяжек осуществляли с помощью кондуктометра TDS-4.
Изучение морфологического строения солевых новообразований проводили под бинокуляром и на сканирующем электронном микроскопе JSM-2. Для морфогенетической интерпретации полученного материала были использованы некоторые положения кристаллографии (Попов, Шафрановский, 1972), генетической минералогии (Григорьев, 1962), микрокристалломорфологии (Фекличев, 1970). Применительно к почвенным солевым новообразования использовали разработанные основные положения диагностики их состояния в почвенном профиле, характеризующие растворение или кристаллизацию (Соколова и др., 1985; Соколова, Царевский, 1986).
Для определения минералогического состава солевых скоплений выполняли рентгеновский фазовый анализ на дифрактометре ДРОН-3. Использовали Cu-K излучение, фильтрованное Ni.
Общее содержание карбонатов и содержание карбонатов, диссоциирующих в разных интервалах температур, определяли термическим методом на дериватографе венгерской фирмы МОМ (Термический анализ Е, 1974; Соколова, Кулагина, 1985).
Были проведены эксперименты с моделированием естественного засоления почвенных горизонтов (в насыпных колонках) в условиях их насыщения грунтовыми водами (Володина и др., 2002; Топунова, Сиземская и др., 2003).
Непрерывная подача модельной грунтовой воды хлоридно-сульфатнонатриевого состава с минерализацией 6 г/л отдельно для горизонтов солончаковых солонцов (с глубины 60Ц80 см - горизонт В3Са Cs2Sa, с глубины 100Ц120 см - горизонт В3Са Sa, и с глубины 180Ц200 см - из буровой скважины) осуществлялась в течение месяца. В лугово-каштановых почвах процессы засоления изучали во всем почвенном профиле в колонках высотой 150 см, которые насыщали снизу грунтовой водой в течение 10 месяцев. Тем самым, моделировали процесс засоления почв минерализованными грунтовыми водами в условиях, максимально приближенных к природным, при стоянии уровня грунтовых вод на глубине около 1,5 м.
ГЛАВА 4. Состояние природных ландшафтов и динамика почвенногидрологической обстановки глинистой полупустыни Северного Прикаспия за последние 50 лет Выявлено существенное изменение почвенно-гидрологической обстановки в Северном Прикаспии в 80-е годы ХХ века, связанное со значительным подъемом уровня грунтовых вод (УГВ), который составил, в среднем, 2 метра.
Нами прослежена динамика гидроклиматических показателей за период с 1951 по 2009 гг. Выделены три временных отрезка, в которые происходили заметные изменения природных условий региона. В целом, установлена общая тенденция увеличения среднегодового количества осадков, в основном, за счет теплого полугодия (табл. 1).
Отмечается также общее повышение годовой температуры воздуха, которое происходит за счет потепления в осенне-зимний периода года, что приводит к частым оттепелям, отсутствию устойчивого снежного покрова и, соответственно, ухудшению условий весеннего стока талых вод в локальные понижения мезо- и микрорельефа.
Достоверное увеличение количества осадков в летний период (при неизменной средней температуре воздуха) усиливает увлажненность вегетационного сезона за счет повышения относительной влажности воздуха и понижения испаряемости. Такая динамика климата в сторону семиаридности вызывает улучшение условий развития и сохранности растений.
Выявлено увеличение атмосферного увлажнения примерно на 20 %, по сравнению с серединой ХХ века, что могло способствовать подъему УГВ (Соколова, Сиземская и др., 2000).
По-видимому, эти явления имеют обратимый характер и представляют собой один из многочисленных циклов развития природы территории Северного Прикаспия (Роде, 1959; Динесман, 1960; Колебания увлажненностиЕ, 1980;
Гумилев, 1998; Демкин и др., 1998, 2004; Иванов, 2006; Кудеяров и др., 2008;
ОпустыниваниеЕ, 2009). Определенное влияние на подъем УГВ могло также оказать проведение в 80-е годы ХХ века широкомасштабных обводнительнооросительных мероприятий (Прикаспийский регионЕ, 1989).
Таблица 1. Некоторые средние показатели гидротермических условий и продуктивности целинных экосистем во второй половине ХХ века (по: Сиземская, Сапанов, 2010) Годы Осадки, мм Коэффи- Продуктивность Температура, С циент ув сообщества, г/млажнения X-III IV-IX Гидроло- X-III IV-IX Гидроло- Прутняково- Разно(КУ)* гический гический чернопо- травногод год лынное злаковое 1951-19-4.3 18.0 6.9 137 132 269 0.28 94** 247** 1976-19-3.5 17.8 7.2 132 193 325 0.37 103** 311** 1996-20-2.1 18.6 8.2 135 150 285 0.29 118*** 311*** 1951-20-3.5 18.1 7.3 135 157 292 0.32 105 2* - коэффициент увлажнения (КУ) рассчитан по формуле: КУ=P/E, где P - годовая сумма осадков, E - испаряемость; ** - по данным И.Н. Оловянниковой (2004), *** - с использованием данных Б.Д. Абатурова (Абатуров и др., 2005).
С 2004 г. - наши данные Охарактеризована динамика состояния целинных ландшафтов полупустыни Северного Прикаспия. Показано, что на фоне изменения природной обстановки существенно меняются структура и продуктивность целинной растительности. Подтверждено увеличение в целом продуктивности травостоя и появление в его составе все более мезофильных группировок. Так, на солончаковых солонцах вместо прутняково-чернополынных (Оловянникова, 2004) начинают доминировать более мезофильные чернополынно-прутняковые растительные сообщества. Черная полынь полностью утрачивает присущие ей ранее господствующие позиции в структуре сообщества, составляя лишь 25% от общей продуктивности, а продуктивность прутняка возрастает в 3 раза (Сапанов, Сиземская, 2010). Происходит также увеличение продуктивности надземной массы травянистых растений на лугово-каштановых почвах целины с 24 ц/га в начале 60-х годов ХХ века (Оловянникова, 2004) до 33 ц/га в конце 90-х годов.
В структуре продуктивности на фоне некоторого падения доли злаков также прослеживается тенденция увеличения относительной доли разнотравья и люцерны румынской (Сиземская, Сапанов, 2010).
Подъем УГВ под целинными почвами сопровождался увеличением их минерализации (табл. 2). В настоящее время по сравнению с серединой ХХ века в грунтовых водах (ГВ) под солончаковыми солонцами достоверно и существенно возросла концентрация ионов СlЦ и Mg2+, наметилась тенденция к увеличению концентрации Na+. Общая минерализация ГВ увеличилась, в среднем, в 1,3 раза, но различия при Р=0,8 статистически незначимы.
Под лугово-каштановыми почвами зафиксировано достоверное увеличение минерализации грунтовых вод, в среднем, в 5 раз, а ее значения в некоторых западинах сопоставимы с таковыми под солонцами (табл. 2). В них обнаружено статистически значимое накопление ионов HCO3-, Сl- и Na+.
Происходит изменение химизма засоления с гидрокарбонатнокальциевого в середине ХХ столетия на хлоридно-сульфатно-натриевый - к концу века, что свидетельствует о некотором усреднении химического состава ГВ под разными членами солонцового комплекса.
Таблица 2. Состав и минерализация грунтовых вод под целинными почвами солонцового комплекса (по: Сиземская, Бычков, 2005) Минер., НСО3- Сl- SO42- Ca2+ Mg2+ Na+ УГВ, м Годы г/л ммоль-экв/л Солончаковые солонцы 1950-е* 5,20,5 3,20,4 25,57,1 53,66,7 31,25,1 11,93,9 39,211,1 7,00,2000-е 6,81,4 4,00,4 53,310,1 52,613,3 29,52,7 24,44,4 56,223,2 5,40,Лугово-каштановые почвы 1950-е* 0,60,4 4,50,4 0,80,4 6,76,3 5,44,4 3,50,9 3,11,6 6,90,2000-е 3,22,0 5,40,3 13,79,9 28,821,1 13,96,6 5,94,1 28,120,4 5,10,* - по данным Роде, Польского, 1961. Выделено значимое (при Р=0,8) изменение по сравнению с данными 50-х годов Капиллярная кайма поднявшихся засоляющихся ГВ начинает оказывать все большее воздействие на нижнюю и среднюю часть почвенного профиля, приводя к ее засолению. В целинных солончаковых солонцах происходит значительное увеличение запасов иона Сl- в толще 50-500 см, снижение запасов SO42Ц - иона в слое 100-250 см, Na+ - в слое 100-200 см, Са2+ - в слое 150-200 см. Выявлена тенденция к накоплению иона Mg2+ в слое 0-100 см и достоверное снижение суммы легкорастворимых солей (ЛРС), выраженное в единицах массы, в слое 50-250 см. Эти изменения в составе солей можно объяснить подъемом уровня минерализованных грунтовых вод, восходящим передвижением NaCl с током почвенных растворов и одновременно проходящими реакциями вытеснения обменных ионов Са2+ и Mg2+ из почвенного поглощающего комплекса (ППК) ионом Na+ с последующим осаждением гипса, а также, возможно, образованием легкорастворимых хлоридов магния.
Снижение запасов ЛРС в слое 50-250 см, выраженное в кг/м2 не связано с процессами рассоления, а происходит благодаря изменению состава солей, поскольку замещение 1 ммоль экв SO42Ц (48) одним ммоль экв иона СlЦ (35,5) должно приводить к снижению общей массы солей.
Высказано предположение, что периодические подъемы уровня грунтовых вод способствуют сохранению в почвенно-грунтовой толще солончаковых солонцов горизонта скопления ЛРС.
Результаты лабораторного модельного эксперимента подтвердили, что в засоленных горизонтах солончаковых солонцов подъем уровня грунтовых вод сопровождается увеличением содержания хлоридов Ca2+ и Mg2+ в составе ЛРС, вытеснением щелочноземельных катионов натрием из ППК и осаждением гипса в некоторых горизонтах (Топунова, Сиземская и др., 2003).
В целинных лугово-каштановых почвах выявлено засоление почвенного профиля за 50-летний период (рис. 1). При этом происходит усложнение строе ния солевого профиля почв по сравнению с таковым в середине ХХ века. Все большую роль в составе ЛРС начинают играть хлориды и сульфаты натрия, а содержание ЛРС в слое 0-200 см достоверно увеличивается, в среднем, в три раза, в слое 0-400 см - в два раз. Содержание в слое 0-200 см наиболее подвижных ионов Cl- и Na+ возрастает в десятки, менее подвижного SO42- - в пять раз.
В то же время, в верхнем 0-50 см слое заметно уменьшается содержание иона Са2+, что связано, очевидно, как и в солонцах, с реакциями катионного обмена.
В результате возникает вероятность осолонцевания этих почв, вызванная появлением в почвенном профиле в значительных количествах обменного Na+ (Колесников, Соколова, Сиземская, 2006). Также в верхней части почвенногрунтовой толщи наметилась тенденция к некоторому снижению содержания Mg2+. Весь почвенный профиль мощностью 150-200 см является активной зоной накопления ЛРС. Ухудшение солевого состояния лугово-каштановых почв связано с отсутствием затопления западин в последние годы, расходом пресных линз при транспирации целинной степной растительностью и усилением притока ЛРС с почвенными растворами из-под светло-каштановых почв и солонцов.
0Ц50Ц1100Ц1150Ц2200Ц2250Ц3Кл 300Ц3350Ц4Сн 400Ц4450Ц50Ц20Ц40Ц5-100 0 100 200 3Баланс, % от исходного Рис. 2. Баланс ЛРС за последРис. 1. Солевой профиль целинных луговоние 50 лет в целинных солонцах каштановых почв Северного Прикаспия: А, и лугово-каштановых почвах 1 - в 50-е годы ХХ века (по: Роде, Поль(по сравнению с данными Роде, ский, 1961); Б, 2 - в 2000-е годы; В - расПольского, 1961) пределение ЛРС по профилю (по: Сиземская, Бычков, 2005) Эти явления, наблюдаемые в природе, нашли свое подтверждение и в лабораторных условиях. В результате проведенного модельного эксперимента по изучению влияния минерализованных грунтовых вод на незасоленные образцы лугово-каштановой почвы было выявлено засоление и осолонцевание исходных образцов, что проявилось в повышении содержания суммы солей, ионной силы раствора и в увеличении содержания обменного натрия в почвенном погло Слой, см щающем комплексе. Была установлена отчетливая дифференциация состава ЛРС: в верхней части колонки возросла доля хлоридов, а среди катионов - Са2+ и Mg2+, почва приобрела хлоридно-кальциевый тип засоления, в то время как в нижнем слое колонок сохранился свойственный грунтовым водам сульфатнонатриевый тип засоления (Володина, Е, Сиземская, 2002).
Рассматривая в целом изменения запасов солей в целинных солончаковых солонцах и лугово-каштановых почвах за последние 50 лет, можно выявить следующие общие тенденции (рис. 2). При кажущихся существенных количественных изменениях абсолютных величин содержания ЛРС в солончаковых солонцах, в процентном отношении эти значения не столь значительны и не превышают 30% в ту или иную сторону. В то же время, в лугово-каштановых, ранее незасоленных почвах, за такой же период запас ЛРС возрос в несколько раз, составив в некоторых случаях в слое 0-250 см около 200%.
С экологической точки зрения прогрессирующее засоление почвенногрунтовых вод под всеми членами почвенного солонцового комплекса, накопление хлора в составе ЛРС, сокращение зоны аэрации, в среднем, на 2 м, ухудшают почвенно-гидрологическую обстановку. Наряду с усилением гидроморфизма территории, отмечается и все большая недоступность грунтовых вод для растений из-за увеличения их минерализации.
В целом, изменения природно-климатической обстановки в последние десятилетия ХХ века позволяют характеризовать их как проявление этапа некоторой мезофитизации в современной эволюции ландшафтов полупустыни.
ГЛАВА 5. Трансформация почв под влиянием лесомелиорации АЛМ воздействие как один из вариантов лесомелиорации приводит к коренным изменениям широкого спектра свойств почв солонцового комплекса, особенно солончаковых солонцов. Изменяется солевое состояние почв, которое мы рассматриваем как их интегральную характеристику, включающую совокупность ряда морфологических признаков, связанных с наличием в профиле ЛРС, гипса и карбонатов, а также данные о запасах, химическом и минералогическом составе солей, и содержащую представления о происхождении солей, их трансформации и миграции в почвенном профиле. Оно отражает и результирует проявление тех динамических процессов засоления-рассоления, которые происходили как в прежние эпохи эволюции почв, так и наблюдаемые на ее современном этапе. Таким образом, консервативность солевого состояния, с одной стороны, и актуальность показателей, с другой, позволяют оценить динамику, тренд, скорость процессов естественной эволюции и трансформации почв при антропогенном воздействии. Кардинально меняется также строение профиля, его морфология и микростроение, состав ППК и другие характеристики.
Выращивание массивных лесных насаждений на лугово-каштановых почвах понижений мезорельефа дополнительно включает элементы биологического круговорота за счет накопления лесной подстилки. Рассмотрена трансформация именно тех почвенных свойств и процессов, которые наиболее сильно изменились под влиянием лесомелиоративного воздействия.
5.1. Трансформация почв солонцового комплекса в системе АЛМ воздействия Изменение строения морфологического профиля почв В процессе мелиорации начинает формироваться специфический профиль преобразованных солонцов, состоящий из однородного пахотного горизонта и элювиально-солевых горизонтов (ЭСГ, по Максимюк, 1974). Солонцовый горизонт с его неблагоприятными свойствами полностью исчезает из почвенного профиля (рис. 3).
Рис. 3. Особенности морфологического строения целинных (А) и длительно мелиорируемых (B) почв солонцового комплекса: I - солонец, II - луговокаштановая почва: 1 - границы генетических горизонтов; 2 - граница вскипания;
3 - горизонт с карбонатной белоглазкой; 4 - горизонты с выцветами легкорастворимых солей; 5 - горизонты с мелкокристаллическими гипсовыми стяжениями; 6 - верхняя граница появления гипсовых стяжений (друз) Пахотный горизонт, несмотря на исходно неоднородный материал, его слагающий, со временем становится все более однородным на всех членах ком плекса. Для него характерна средняя мощность около 40 см, глыбистокомковато-порошистая структура, значительная, по сравнению с целинными участками, корне-, воздухо- и влагопроницаемость.
Проведенные микроморфологические исследования позволили выявить тенденции к некоторому увеличению окультуренности пахотного горизонта солонцов за 40-летний период их мелиорации (Лебедева, Сиземская, 2010). Это диагностируется по значительному повышению содержания экскрементов почвенной мезофауны, усилению биогенной переработки почв, увеличению пористости, в том числе, содержанию биогенных пор, некоторому возрастанию количества органического вещества, в том числе, и сгустковых микроформ гумуса.
В то же время, в средней части профиля мелиорируемых солонцов выявлены признаки слитизации и ухудшения структуры, вызванные переупаковкой почвенных частиц при выносе ЛРС и гипса. Это приводит к уменьшению пористости, развитию щелевидных трещин усыхания, ведущих к неравномерному увлажнению почв.
К позитивным изменениям, происходящим при мелиорации луговокаштановых почв, как и в солонцах, можно отнести формирование среднемощного пахотного горизонта, корне-, воздухо- и влагопроницаемого. Повышается граница вскипания, в почвенном профиле начинают присутствовать крупные корни древесных растений. Наблюдается появление большего количества и более темных глинистых кутан по боковым граням структурных отдельностей, и на все больших глубинах. Однако и здесь уменьшение пористости средней части профиля и развитие щелевидных трещин усыхания, наряду с укрупнением и упрочнением горизонта, также можно отнести к неблагоприятным последствиям мелиорации, приводящим к неравномерному увлажнению почв.
Выявлено, что даже на пятом десятилетии мелиорации различия в морфологическом строении мелиорируемых почв остаются существенными. Это касается как набора слагающих эти почвы горизонтов, так и их мощности, структуры, окраски, характера порового пространства, распределения и типов солевых новообразований и других морфологических показателей (рис. 3).
Изменение морфологии и микростроения аккумуляций легкорастворимых солей, гипса и карбонатов Особенности морфологии аккумуляций ЛРС, гипса и карбонатов являются существенными показателями их солевого состояния.
В целинных и мелиорированных солончаковых солонцах Северного Прикаспия скопления ЛРС представлены двумя морфологическими формами: солевым мхом на стенках разрезов и солевыми налетами в форме чешуек в почвенной массе. Солевой мох состоит из друзовых агрегатов вытянутых, хорошо ограненных кристаллов, в солевых налетах обнаружены две микроморфологические формы солей: плотно упакованные агрегаты параллельных уплощенных кристаллов (рис. 4.1) и рыхло упакованные агрегаты ромбоэдрических кристаллов (рис. 4.2). В мелиорированных солончаковых солонцах по сравнению с целинными верхняя граница появления морфологически выраженных ЛРС понижается с 20 до 50 см, вплоть до их исчезновения из почвенного профиля.
Под влиянием мелиорации в соответствии с изменением химического состава меняется и минералогический состав ЛРС: в целинном профиле они представлены преимущественно астраханитом (Na2Mg(SO4)24H2O) с примесью тенардита (Na2SO4), а в мелиорированном - тенардитом и мирабилитом (Na2SO410H2O) с примесью астраханита. Таким образом, новообразования ЛРС могут быть использованы для диагностики процессов мелиорации засоленных почв.
Нами изучены и впервые подробно охарактеризованы формы гипсовых новообразований, их распределение, особенности макро- и микростроения и состава в целинных условиях и на разных этапах мелиорации, разработаны диагностические признаки оценки их состояния в почвенном профиле.
Рис. 4. Микрофотографии солевых новообразований в солонцах: (1-2) - скопления ЛРС: 1 - солевой налет, целина, 100-120 см, х10000; 2 - солевой налет, лет мелиорации, 120-140 см, х10000; (3-6) - гипсовые новообразования: 3 - вкрапленники, целина, 140-210 см, х1000; 4 - точки, целина, 40-50 см, х1000; - вкрапленники, 40 лет мелиорации, 140-210 см, х1000; 6 - прожилки, 40 лет мелиорации, 65-100 см, х10Гипс в исследованных солончаковых солонцах представлен двумя генерациями: сферолитами, гнездами и трубочками крупнокристаллического гипса в нижних горизонтах и в почвенно-грунтовой толще и разнообразными скоплениями тонкокристаллического гипса (точками, ниточками, прожилками, вкрапленниками, кутанами), отличающимися особенностями макро- и микростроения, характером упаковки кристаллов и их размерами, приуроченностью к различным почвенным горизонтам, обилием. Гипсовые сферолиты и трубочки, очевидно, унаследованы от материнской породы, другие виды новообразований являются их производными и сформировались в ходе почвообразования при восходящем движении через гипсовые прослойки почвенных растворов, насыщенных по гипсу.
Содержание гипса в различных формах гипсовых стяжений, по данным термического анализа, составляет: 69-88% - в агрегированных гнездах, 69-76% - в гипсовых сферолитах, 41-59% - в гипсовых кутанах.
Самыми молодыми и динамичными образованиями являются точечные и нитевидные формы, в зависимости от условий увлажнения испытывающие растворение или кристаллизацию (рис. 4.3, 4.4). Мелиорация приводит к существенным изменениям в строении и характере распределения по профилю гипсовых новообразований: многие виды и на все больших глубинах начинают испытывать растворение (рис. 4.5), которое часто сопровождается их перекристаллизацией in situ и появлением мелких идиоморфных гипсовых рыхлоупакованных кристаллов II генерации (рис. 4.6).
На поздних стадиях мелиорации точечные и нитевидные новообразования полностью исчезают из почвенного профиля, уменьшается количество и разнообразие морфологических форм гипсовых скоплений и существенно понижается глубина их залегания. Зона выноса охватывает метровую толщу. Почвы становятся глубокогипсовыми. В связи с потерей гипса возможно ухудшение водно-физических свойств мелиорируемых солонцов и появление слитообразования.
В желто-бурых хвалынских суглинках, являющихся почвообразующей породой, карбонаты содержатся в количестве около 11% и представлены только рассеянными формами (Роде, Польский, 1961). В целинных почвах в верхней части профиля происходит перераспределение карбонатного материала и формирование иллювиально-карбонатного горизонта на глубинах 30-60 см в солонцах, 60-110 см в лугово-каштановых почвах. Такое профильное распределение карбонатов обязано водному режиму почв. В пределах этих горизонтов 520% карбонатного материала сегрегировано в скоплениях типа пропитки и белоглазки. Выявлено, что преобладающим минералом в них является кальцит, а содержание МgCO3 незначительно (менее 5%). Содержание СаСО3 в различных типах новообразований увеличивается от пропитки и белоглазки с диффузными границами (11-48%) к белоглазке с отчетливыми границами (47-77%). С глубиной в составе белоглазки возрастают размеры кристаллов кальцита, уменьшается доля вытянутых кристаллов и увеличивается доля более изометричных кристаллов. Предполагается, что в формировании белоглазки, представленной самыми тонкодисперсными, преимущественно вытянутыми кристаллами кальцита, принимают участие восходящие токи почвенных растворов.
Под влиянием агролесомелиорации происходит обогащение верхних почвенных горизонтов карбонатами, вовлекаемыми плантажной вспашкой из иллювиально-карбонатных почвенных горизонтов, и механическое разрушение белоглазки в пределах пахотного слоя. В лугово-каштановых почвах выявлен поверхностный привнос карбонатного материала с соседних участков, занятых солонцами и светло-каштановыми почвами, в процессе ежегодной обработки поверхности при пахоте и его достоверное накопление в слое 0-50 см. Все мелиорируемые почвы начинают вскипать с поверхности. Наблюдается также тенденция к укрупнению кристаллов кальцита и к формированию кристаллов более правильной формы в мелиорируемых почвах по сравнению с целинными.
Выявлено, что дополнительное увлажнение и развитие лесных биогеоценозов на месте полупустынных может приводить к ускорению процессов образования, перекристаллизации и сегрегации карбонатов. При этом одним из важных источников поступления кальция может быть растворение гипса, наблюдающееся в мелиорируемых солонцах.
Изменение некоторых химических свойств и текстурной дифференциации почв В мелиорируемых солонцах основные изменения химических свойств почв касаются распределения и запасов гумуса, состава ППК и некоторых других (табл. 3). Мелиорируемые солонцы сохраняют слабощелочную реакцию среды (рН 8,1-8,8), доля же поглощенного Na+ в составе ППК уменьшается с до 5-7% в верхней части профиля, что свидетельствует об их рассолонцевании (Романенков, 1989; Сиземская, Романенков, 1992). Это сопровождается изменением непромывного типа водного режима этих почв на периодически промывной с миграционно-потускулярным промачиванием, улучшением их водопроницаемости и увеличением глубины их весеннего промачивания (Базыкина, 1974, 1978, 2000).
Содержание гумуса при сельскохозяйственном использовании солонцов и его запасы в слое 0-40 см остаются почти постоянными и составляют 61-69 т/га, очевидно, из-за перемешивания пахотного горизонта при вспашке и привноса в него материала из верхней части профиля лугово-каштановых почв.
В верхних горизонтах лугово-каштановых почв в процессе агролесомелиорации содержание гумуса достоверно уменьшается вследствие усиления минерализации и снижения поступления органического вещества с наземным и корневым отпадом. Величина его потери из слоя 0-40 см существенно увеличивается с 15 т/га на начальных этапах мелиорации до 26 т/га к концу 40-летнего периода мелиорации (Сиземская, 1989). Значения рН в верхних горизонтах мелиорированных почв выше, чем в целинных, возможно, как за счет припахивания материала из солонцов при обработках, так и за счет развития процессов окарбоначивания (табл. 3). Водный режим этих почв становится десуктивновыпотным с периодическим сквозным промачиванием (Базыкина, 1974, 2000).
Свойственная целинным лугово-каштановым почвам текстурная дифференциация профиля по солонцовому типу, предположительно связанная с прохождением в процессе эволюции этими почвами стадии солончаков и солонцов с последующей промывкой пресными водами, на мелиорированных участках исчезает за счет механического перемешивания верхних горизонтов при плантажной вспашке.
Под воздействием длительной мелиорации в нижних горизонтах луговокаштановых почв иногда появляются признаки вторичного осолонцевания (увеличение доли поглощенного Na+ в составе ППК). Однако в целом в пределах полутораметровой толщи исследованных лугово-каштановых почв признаков развития современного солонцового процесса не наблюдается.
Таблица 3. Некоторые показатели химических свойств и содержание илистой фракции в целинных и мелиорируемых почвах Горизонт Глубина, Гу- pH ЕКО, Na+ по- Сод.
см мус, ммоль глощ., фракции % экв./100 % от <0,0г ЕКО мм, % Солончаковые солонцы, целина А1А2 0-9 1,78 8,39 1,5 0,08 17,8 2,8 В2t ca2 9-29 1,30 9,01 5,4 0,29 19,8 11,1 В3 ca2 cs2 29-72 0,33 8,76 9,1 1,57 17,1 33,3 В3 ca cs2 sa2 72-112 0,24 8,81 16,1 1,90 16,4 36,6 В3' ca cs2 sa2 112-156 0,20 8,81 8,1 1,69 13,7 35,8 ВС ca cs2 sa2 156-185 0,17 8,74 9,8 1,76 16,8 38,7 Мелиорируемые солонцы, 40 лет мелиорации Ap ca 0-40 1,30 8,73 8,4 0,06 19,8 4,5 B3 ca2 cs2 40-65 1,02 8,80 16,5 0,08 17,3 4,0 В3 ca cs2 65-100 0,27 8,26 13,4 0,51 17,1 9,4 В3' ca cs2 100-140 0,16 8,40 11,6 0,95 15,4 22,7 ВС ca cs2 sa2 140-210 0,14 8,81 12,1 0,77 16,6 38,0 Лугово-каштановые почвы, целина А1 0-12 5,19 7,42 1,1 0,07 16,7 1,2 А1В 12-31 3,47 7,66 1,3 0,07 15,8 1,3 В3са 31-70 2,42 7,91 5,7 0,07 18,0 1,1 В3са2 70-100 1,80 8,31 13,0 0,08 17,9 1,1 В3' са2 100-120 0,96 8,46 15,8 0,09 18,4 1,1 ВСса 120-160 0,67 8,24 14,3 0,10 18,8 1,6 Лугово-каштановые почвы, 40 лет мелиорации Ap ca 0-18 4,10 7,92 4,3 0,04 18,9 1,6 A pl 18-35 3,54 8,02 2,7 0,04 19,3 1,6 В1ca 35-55 1,40 8,34 6,1 0,05 18,0 1,7 B3ca2 55-80 0,91 8,43 12,2 0,06 17,4 1,1 В3' ca2 80-120 0,69 8,46 14,0 0,08 17,0 1,2 BCca 120-180 0,48 8,46 12,3 0,13 14,9 1,3 5.2. Трансформация лугово-каштановых почв больших падин под влиянием выращивания массивных лесных насаждений Существенную трансформацию при выращивании массивных лесных насаждений претерпевают лугово-каштановые почвы больших падин. Это связано с формированием и функционированием лесного биогеоценоза и, в первую очередь, с принципиальным изменением круговорота веществ, одним из основных звеньев которого становится накопление и разложение лесного опада. Изученные дубовые насаждения по составу почвенных сапрофагов, среди которых наиболее массовую группу составляют личинки двукрылых (в основном, Tipulidae и Bibionidae) и дождевые черви, наиболее близки к юго-восточным % Карбонаты, % солей, лесостепным дубравам на темно-серых лесных почвах (Всеволодова-Перель, Сиземская, 2000; Всеволодова-Перель, Сиземская, Колесников, 2010).
Однородный в целинных условиях гумусовый горизонт в ходе лесомелиорации дифференцируется. Резко увеличивается коэффициент структурности верхнего гумусового слоя: с 0,55 на целине до 1,23 под дубовым насаждением.
Деятельность интродуцированных в падину под массивные насаждения почвенно-подстилочных дождевых червей Eisenia nordenskioldi (Eisen) приводит к дополнительному накоплению в почве гумуса, способствует формированию высокой биогенной агрегированности почвы и определяет изменение процессов гумусообразования (Всеволодова-Перель, Сиземская, 1989, 2000). Биогенная переработка почвенными беспозвоночными (там, где интродуцированы дождевые черви) способствует появлению ярко выраженной копрогенной структуры в гор. А1 (содержание фракций 7-5 мм во фракционном составе почв возрастает в 6-7 раз), а коэффициент структурности достигает 4,08.
В культурах дуба лесную подстилку образует слой неразложившегося до конца листового опада (АО1), у контакта с почвой частично переработанный и перемешанный с копролитами дождевых червей. Соответственно, и запас подстилки в нем характеризуется наиболее низким показателем (1,09 кг/м2) по сравнению с данными, полученными на других пробных площадях, где запас подстилки в начале весны превышал 3 кг/м2 (Оловянникова, 2000; ВсеволодоваПерель, Сиземская, 2005). Основная масса подстилки сосредоточена в хорошо разложившемся слое АО3, для которого характерна также более высокая зольность. С переходом от верхнего слоя АО1 к нижнему (АО3) заметно сокращается отношение C:N, а реакция среды становится слабощелочной (ВсеволодоваПерель, Сиземская, 1989, 2005).
Существенно меняется карбонатный профиль почв. В целинных условиях обычно выделяются две формы карбонатов: прожилки и белоглазка, которые встречаются совместно в горизонте Вса. В почвах под насаждениями увеличивается общее количество белоглазки и ее размер, меняется характер ее распределения в горизонте: из равномерного он становится гнездовым. Это связано с изменением гидрологического режима почв падины в настоящее время и более близким залеганием к поверхности уровня грунтовых вод с повысившейся минерализацией по сравнению с 50-и годами прошлого века (Верба, Ямнова, Сиземская, 2005). Почвы под насаждениями, в отличие от целины, характеризуются меньшей плотностью, более высокой пористостью и водопроницаемостью, а также повышенным содержанием гумуса (табл. 4).
Происходит усиление вертикальной дифференциации гумусового горизонта по содержанию гумуса, агрегированности и, соответственно, улучшению водно-физических свойств почвы. На основе анализа микростроения изученных почв выявлена трансформация морфотипа гумуса: мягкий (mull) (по Bal, 1970) темно-серый дисперсный гумус целинных почв становится более грубым гумусом (moder) с обилием растительных остатков, в разной степени переработанных биотой. В целом, в почвах под массивными насаждениями происходит изменение процессов гумусообразования, окарбоначивания, оглеения (Верба, Ямнова, Сиземская, 2005).
По своему облику и особенностям произрастающие на этих почвах насаждения наиболее близки к южнорусским широколиственным лесам, граница естественного ареала которых проходит много севернее данной территории, в районе р. Еруслан (Сиземская, Сапанов, 2006).
Таблица 4. Некоторые физико-химические показатели верхнего 0-10 см слоя гумусового горизонта лугово-каштановых почв больших падин Участок рН Объемная Скорость Ко- С, % Запас N общий, C/N масса, впитыва- эфф. гуму- % г/см3 ния 100 структ са, мм/мин. кг/мЦелина 7,30- 1,300,03 85 0,55 2,620,35 4,86 0,250,02 10,7,44 1,980,Насаждение 6,43- 1,040,02 22 1,23 4,120,30 5,98 0,340,04 12,дуба, 50 лет 6,86 3,070,То же, с ин- 7,45- 0,980,04 13 4,08 7,440,74 6,08 0,700,07 10,тродуциро- 7,68 1,860,ванными дождевыми червями * над чертой - в слое 0-3 см, под чертой - в слое 3-10 см По мере взросления насаждений возрастает их привлекательность, и все разнообразнее и интенсивнее становится рекреация, тяготеющая к искусственным лесным биогеоценозам (Сиземская, Сапанов, 2004).
5.3. Подходы к классификации мелиорируемых почв Система мелиоративных мероприятий на почвах солонцового комплекса приводит к созданию антропогенных почв с новой системой генетически взаимосвязанных горизонтов. Эти почвы не имеют аналогов в природе и не могут быть отнесены к солонцам или каким-либо другим таксонам. Помимо выноса солей основным диагностическим процессом при мелиорации и сельскохозяйственном использовании этих почв является формирование нового однородного пахотного слоя с благоприятными водно-физическими свойствами из материала надсолонцового, солонцового и верхней части первого подсолонцового горизонтов. Наличие такого горизонта позволяет отнести вышеописанные почвы по новой классификации к отделу агроземов (КлассификацияЕ, 2004).
Для выделения мелиорируемых солонцов на уровне типа можно предложить определение "агрозем элювиально-солевой" с набором горизонтов: Apca-BEL1BEL2-C. При этом первый элювильно-солевой горизонт (ЭСГ, по Максимюк, 1974) является зоной преимущественного выноса как ЛРС, так и гипса, второй ЭСГ - зоной преимущественного выноса ЛРС. В подтиповом названии можно указать результат мелиоративного воздействия - постсолонцовый и каштановый (Сиземская, 1991).
угово-каштановые почвы целинных территорий относятся к типу каштановых гидрометаморфизованных, мелиорированных - к агроземам текстурнокарбонатным. Таким образом, если в классификации 1977 г. изменения, вызванные мелиорацией, диагностировались лишь на уровне рода почв, то, по со временным представлениям, антропогенное воздействие приводит к трансформации почв на уровне типа (КлассификацияЕ, 2004).
ГЛАВА 6. Изменение солевого состояния почв под влиянием лесомелиорации Солевое состояние почв определяется целым рядом факторов: длительной историей становления и эволюции почвенного покрова Прикаспийской низменности, климатической и гидрологической обстановками, антропогенным воздействием, - и их совокупным влиянием, а современный этап мелиорации почв солонцового комплекса характеризуется усилением процессов вторичного засоления почвенно-грунтовой толщи и трансформацией солевых профилей.
На интенсификацию этих процессов при АЛМ оказывают влияние степень засоления грунтовых вод, смещение вверх по профилю капиллярной каймы вследствие подъема УГВ, усиленный расход влаги из грунтовых вод при десукции, образование в их зеркале под лугово-каштановыми почвами депрессионных воронок, подток туда засоленных грунтовых вод и почвенных растворов из-под солонцов и светло-каштановых почв.
6.1. Динамика и баланс легкорастворимых солей в агролесомелиоративных системах Существенные изменения в солевом состоянии почв происходят под влиянием АЛМ мероприятий. Нами прослежена динамика этого воздействия за последние 25 лет и охарактеризованы его результаты. Выявлены особенности солевого состояния почв на участках разной длительности и интенсивности мелиорации на разных ее этапах, установлены важные закономерности пространственного и временного перераспределения солей, проведены расчеты скорости рассоления, балансов и запасов солей и отдельных ионов по полуметровым слоям и в целом в толще мощностью 0-200 см, 0-400 см.
По мере развития мелиоративного процесса уменьшение запасов суммы солей и отдельных ионов в солонцах наиболее быстро происходило в первые 15Ц20 лет мелиорации (Максимюк, 1974), после чего оно существенно замедлилось. Это проявление общей закономерности в развитии всех компонентов экосистем (Роде, 1947; Одум, 1986). К началу 80-х годов вынос солей за пределы почвенной толщи достиг значительных величин - до 35-38 кг/м2 или 72-87% от их исходного содержания. Перераспределение солей происходило по элювиально-иллювиальному типу. Установлено, что длительное существование почв в условиях воздействия АЛМ систем становится важным фактором их антропогенной эволюции.
К настоящему времени запасы ЛРС в верхнем двухметровом слое мелиорируемых солонцов составляют около 50% и 35% от их запасов в целинных солончаковых солонцах при воздействии системы агролесомелиоративных мероприятий в течение 30 и 40 лет и 25% - при 50-летней мелиорации (рис. 5, табл.
5). Из верхнего метрового слоя при всех сроках мелиорации практически полностью вынесены наиболее токсичные ионы ClЦ и Na+, также за счет преимущественного выноса иона хлора хлоридно-сульфатный тип засоления сменяется сульфатным.
Верхние 60 см почвы незасолены, в слое 60-160 см наблюдается сильное засоление (по градации Базилевич, Панковой, 1968), в слое 160-380 см - очень сильное засоление, в нижележащих горизонтах до грунтовых вод - сильное засоление, в то время как целинные солонцы уже с глубины 20 см до 300 см характеризуются очень сильным засолением и сильным засолением в нижележащих горизонтах. Смещение вниз границ слоя с очень сильным засолением в мелиорируемых почвах произошло из-за перераспределения токсичных солей под влиянием агролесомелиорации. На участках со сроком мелиорации 30 и 40 лет на глубинах 250-350 см по сравнению с целиной происходит увеличение содержания сульфатов натрия и магния за счет их выноса в процессе мелиорации из вышележащей толщи, хотя велика вероятность их поступления с поднявшимися грунтовыми водами. Наблюдаемая в настоящее время некоторая реставрация засоления в солонцах связана с воздействием подъема УГВ.
При агролесомелиорации, направленной на улучшение свойств солончаковых солонцов, в этот процесс при сельскохозяйственных обработках вовлекаются и лугово-каштановые почвы, не нуждающиеся в таком воздействии. На ранних стадиях агролесомелиорации существенных признаков ухудшения их солевого состояния в верхней 2-метровой толще (т.е. выше зоны воздействия капиллярной каймы), наиболее освоенной корнями, не наблюдается, однако отмечено появление негативных тенденций засоления грунтовых вод: повышение минерализации и концентраций в них иона хлора, натрия. Со временем появляется засоление почвенно-грунтовой толщи лугово-каштановых почв, находящихся в прикулисных частях некоторых АЛМ участков, а в пределах всех почв солонцового комплекса происходит формирование двух различных по степени засоления зон: опресняющейся, мощностью до 3-3,5 м, и зоны засоления, распространяющейся до грунтовых вод (Максимюк, 1989). Наши дальнейшие исследования выявили прогрессирующее засоление лугово-каштановых почв (Сиземская, 1990; Соколова и др., 2000, 2001; Бычков и др., 2005).
Современное солевое состояние мелиорированных лугово-каштановых почв во многом определяется их существованием в условиях АЛМ систем на фоне сокращения зоны аэрации, вызванной подъемом уровня грунтовых вод в период 80-90-х годов ХХ столетия на территории Северного Прикаспия. В результате происходит изменение их химизма засоления с гидрокарбонатнокальциевого на хлоридно-кальциевый тип и увеличение минерализации, в среднем, до 6 г/л. Такой состав и тип засоления особенно часто встречается на тех участках, где в почвах вследствие сильной десукции древесных растений и расхода линзы пресной воды происходит образование депрессионных воронок, компенсационно заполняемых водой с высокой минерализацией за счет ее подтока из-под прилегающих светло-каштановых почв и солонцов.
На всех участках выявлены процессы засоления почвенно-грунтовой толщи (рис. 5), диагностируемые по формированию в пределах капиллярной каймы новых солевых контуров, верхняя часть которых образована преимущественно ионами SO42-, Ca2+, HCO3- и Na+; нижняя часть - Ca2+ и Cl-. Со временем отмечается подтягивание солей и перемещение этого солевого контура вверх по профилю.
А 0-50 0-50 0-50 0-50-100 50-100 50-100 50-1HCO3- Cl- SO42- Ca2+ 100-1100-150 100-150 100-1150-2150-200 150-200 150-2200-2200-250 200-250 200-2250-3250-300 250-300 250-3300-3300-350 300-350 300-3350-4350-400 350-400 350-4400-4400-450 400-450 400-4450-5450-500 450-500 450-50-20-200 0-200 0-20-40-400 0-400 0-40-50-500 0-500 0-5020 0 200 400 600 0 500 1000 1500 0 200 40-50 0-50 0-50-100 50-100 50-1Запас солей Баланс запасов Mg2+ Na+ 100-150 100-150 100-1150-200 150-200 150-200 0-200-250 200-2200-2100-1250-300 250-3250-3300-350 300-3300-3200-2350-400 350-4350-4400-450 400-450 300-3400-4450-500 450-5450-5400-40-200 0-20-20-400 0-40-40-500 0-500 0-40-50 100 200 300 0 500 1000 150 50 100 1-100 -50 0 50 1Б 0-50 0-0-0-50-100 5050-150-1ClHCO3100-150 100-100 SO42- Ca2+ 100-1100-1150-200 150-1150-2150-2200-250 200-2200-2200-2250-300 250-2250-3250-33300-350 300-3300-3300-3350-4350-4350-4350-4400-4400-4400-4400-4450-5450-5450-5450-50-20-20-20-400 0-20-40-40-500 0-40-50-50-50 20 40 0 50 100 10 20 40 0 50 100 10-50 0-50 0-50-100 50-100 50-1 Запас солей Баланс запасов 100-150 Mg2+ 100-150 Na+ 100-1150-200 150-200 150-20-200-250 200-250 200-2250-3250-300 250-3100-1300-3300-350 300-3200-2350-4350-400 350-4400-4400-450 400-450 300-3450-5450-500 450-5400-40-200 0-20-20-40-40-40-40-50-50-50 10 20 30 0 5 10 15 -100 0 100 20 20 40 - целина, 2000-е годы; - 50 лет мелиорации Рис. 5. Изменение запасов солей (кг/м2), отдельных ионов (г-экв/м2) и баланс их запасов (% от исходного состояния) по полуметровым слоям в средних мелиорированных солонцах (А) и лугово-каштановых почвах (Б), 50 лет мелиорации Хотя ион хлора в токсичных для растений количествах - более 2 ммольэкв. /100 г почвы (Эрперт, 1974) появляется уже с глубины 150 см, на протяжении всего периода мелиорации на всех участках отмечается отсутствие засоления в верхней части почвенного профиля (табл. 5).
На данном этапе мелиоративного процесса, несмотря на негативные тенденции, сохраняющаяся незасоленной толща мощностью 125-150 см вполне пригодна для сельскохозяйственного использования. Однако при дальнейшем проведении АЛМ мероприятий и, тем более, выращивании древесных насаждений, такая ситуация становится все менее благоприятной из-за сокращения при подъеме УГВ мощности зоны аэрации и зоны опреснения (в силу возрастающего десуктивного расхода грунтовых вод древесными насаждениями и связанной с этим аккумуляцией ЛРС).
Помимо балансовых расчетов, направленность процессов рассолениязасоления солончаковых солонцов и лугово-каштановых почв может быть охарактеризована величинами активности ионов Cl-, Na+ и Ca2+. Для экспрессной оценки эффективности мелиоративных мероприятий в солончаковых солонцах суммарная концентрация солей в водной вытяжке (c величиной ионной силы раствора Iф не более 0,12 м/л) может быть определена по уравнению с, % = 0,4147ЭП с ошибкой расчета не более 20 %, где с, % - сумма солей, ЭП - измеренная электропроводность водной вытяжки. Концентрация Cl- в водной вытяжке солончаковых солонцов может оцениваться по данным aCl-, ЭП и уравнению Iэф = 0,0156ЭП с ошибкой, не превышающей 20 % (Толпешта, Соколова, Сиземская, 2000).
6.2. Влияние древесных насаждений на профильное и пространственное перераспределение солей в почве Под однорядными кулисами из вяза приземистого, расположенными на мелиорируемых полях, при существенном выносе солей из солонцов и сбросе их в грунтовые воды, столь же существенно возрастает их содержание в луговокаштановых почвах (табл. 5). В почвенном профиле (непосредственно под деревьями) ЛРС находятся практически с поверхности (рис. 6).
По-видимому, это связано с мощным подтягивающим десуктивным действием корней деревьев. Здесь солевой горизонт оказывается подвешенным в зоне интенсивного влагообмена. Максимум скоплений ЛРС, превышающий содержание 0,3%, приурочен к глубинам 100-400 см.
В лугово-каштановых почвах под кулисами запасы солей в слое 0-200 см в 4 раза превышают таковые в межкулисном пространстве, на порядок увеличиваются запасы сульфат-иона и иона натрия, а накопление запасов иона Cl- в токсичных количествах отмечается уже с глубины 100 см.
В почвах под колками (насаждениями из дуба черешчатого и вяза приземистого, сохранившимися по западинам при распаде плотных многорядных конструкций) прослежены тенденции дальнейшего засоления грунтовых вод под ними и изменение свойственного лугово-каштановым почвам химизма засоления (с гидрокарбонатно-кальциевого на хлоридно-сульфатно-кальциевый).
Таблица 5. Характеристика почвенно-гидрологической обстановки участков при различных видах их использования Почва Участок Дата УГВ, м Минера- Запас солей, кг/м2, Особенности использования лизация, слой (см) г/л 0-200 0-4Солонец солон- Целина 19501 7,0 5,2 57 1чаковый 2002 5,4* 6,8 49* АЛМ Межкулисное 1983 5,7* 6,4 16* 60* 24 года лесомелиорации система пространство 2002 6,0* 10,5* 33* 76* 43 года лесомелиорации Кулиса 2002 4,4* 15,9* 19* 53* 43-летняя 1-рядная из вяза Залежь 2008 5,5* 9,6 41 101 30-летняя залежь Орошение 1990 2,5* 37,1* 30* не опр. 10 лет орошения, Волжанка 2003 3,8* 25,3* 17* 52* Через 3 года после прекращения 20-летнего орошения Лугово- Целина 19501 6,9 0,6 0,9 2,каштановая 2002 5,1* 3,2* 2,7* 5,4* западин АЛМ Межкулисное 1983 5,6* 0,7 1,5 3,5 24 года лесомелиорации система пространство 2002 4,9* 6,3* 2,5 8,5* 43 года лесомелиорации Кулиса 2002 4,6* 5,2* 9* 27* 43-летняя 1-рядная из вяза Залежь 2008 5,4* 2,9* 3,2* не опр. 30-летняя залежь Колок 2005 4,8* 2,0 3,5 15* 55-летнее насаждение из дуба черешчатого и вяза приземистого Орошение 1990 2,4* 13,1* 10* не опр. 10 лет орошения, Волжанка 2003 3,5* 6,5* 2,8 6,7* Через 3 года после прекращения 20-летнего орошения Обводнение 2002 3,0* 24,0* 5,3* не опр. 20 лет воздействия, на расстоянии 90 м от канала Лугово- Целина 19501 7,9 0,4 0,8 1,каштановая 2005 5,1* 3,4* 2,0* 4,7* большой падины Массив 2005 4,8* 6,3* 7,3* 20* 55-летнее насаждение из дуба 2005 4,3* 5,2* 4,9* 11* 55-летнее насаждение из вяза 1) - по данным: Роде, Польский, 1961. * - различия по сравнению с исходным состоянием достоверны при Р=0, В то же время, выявлено сохранение квазистабильного солевого состояния, которое обязано процессам периодического сквозного промачивания и пополнения пресной линзы почвенно-грунтовых вод за счет дополнительного снегонакопления лесными колками. Лесные культуры таких участков, находясь в удовлетворительном состоянии, сформировали особый локальный комплекс, вписанный в западину и оптимизирующий условия своего существования.
Это подтверждается сохранением 2-метровой и более зоны опреснения (рис. 6, табл. 5) и наличием слабоминерализованных грунтовых вод. Лишь в нижней части почвенно-грунтовой толщи, начиная с глубины 250-300 см, наблюдается усиление засоления, сформированного в основном хлоридами и сульфатами кальция.
% ммоль экв/100г Б А 0 0,000 0,200 0,400 0,600 0,00 2,00 4,-100 -1-200 -2-300 -300 -4-4-500 -5-6-6Рис. 6. Распределение по профилю лугово-каштановых почв содержания ЛРС (А) и иона Cl- (Б): 1 - на целине, 1950-е годы (по: Роде, Польский, 1961); 2 - на целине, 2000-е годы; 3 - в АЛМ системах, 50 лет мелиорации; 4 - под 50-летней кулисой из вяза приземистого; 5 - под 50-летним колком из вяза приземистого Длительное существование искусственных лесных колков 55-летнего возраста по западинам без проведения постоянных агротехнических и лесоводственных уходов свидетельствует о возможности создания оптимальной экосистемы в локальных понижениях (западинах), способствующей поддержанию устойчивого солевого равновесия почв, и является основанием для рекомендаций их к широкому применению в лесокультурных мероприятиях на почвах солонцового комплекса.
Выявлена и охарактеризована существенная трансформация солевого состояния лугово-каштановых почв, происходящая под воздействием массивных лесных насаждений, выращиваемых в мезопонижениях рельефа - падинах.
Еще в начале 1960-х годов через 10 лет после посадки насаждений произошло увеличение минерализации грунтовых вод и изменение их состава, в котором стали преобладать хлориды кальция и магния. Благодаря значительному расходу влаги древесными растениями на десукцию, эти соли были подтянуты в почвенно-грунтовую толщу, что вызвало образование максимума содержания хлора в третьем метровом слое (Роде, Польский, 1961). В дальнейших исследованиях было отмечено усиление этого процесса (Базыкина, Максимюк, 1978; Сапанов, 1990; Оловянникова, 1996). На современном этапе в почве с глубины 150 см резко увеличено содержание хлоридов Mg2+ и Ca2+ на фоне повышенного, по сравнению с 50-и годами ХХ века, содержания сульфата натрия (Верба, Ямнова, Сиземская, 2005). За 50 лет запас ЛРС в слое 0-400 см увеличился с 1,5 кг/м2 до 20 кг/м2, на порядок - под массивным насаждением из вяза приземистого (табл. 5). Минерализация грунтовых вод возросла до 6-9 г/л по сравнению с исходной почвой, а их состав стал хлоридно-сульфатномагниевым. Объяснением данного явления может быть поступление ЛРС с грунтовыми водами снизу - вследствие исчерпывания линзы пресных грунтовых вод под насаждением при сильной десукции и обнажении нижележащих засоленных слоев почвенно-грунтовых вод (Сапанов, 2003). Эти явления на фоне подъема УГВ привели к заметному ухудшению состояния древостоя и частичной гибели деревьев (Сапанов, 2003).
Выявленные закономерности взаимовлияния солевого состояния почв и различных древесных насаждений позволяют обоснованно подойти к оценке перспективности их создания и длительного существования в жестких условиях полупустыни.
ГЛАВА 7. Изменение солевого состояния почв при других видах антропогенного воздействия 7.1. Солевое состояние почв при проведении обводнительно-оросительных мероприятий С конца 70-х годов ХХ века в связи с проведением обводнительнооросительных мероприятий, которые становятся еще одним важным фактором антропогенной эволюции почв, происходит существенная трансформация почв солонцового комплекса. Уже в первые годы после начала действия обводнительных каналов, проложенных в земляном русле, из-за интенсивной фильтрации воды, которая составляет около 36 тыс. м3 с 1 погонного км канала (Сапанов, Сиземская, 1987), происходит подъем УГВ до критического уровня (ближе 3 м к поверхности) в зоне до 1,5 км от канала. При растекании в стороны в результате бокового движения вода из канала, проходя через засоленную почвенно-грунтовую толщу солончаковых солонцов и растворяя в себе соли (сульфаты натрия и кальция), из хлоридно-натриевой становится хлоридно-сульфатнонатриевой по типу засоления, а ее минерализация сильно возрастает с 1 г/л до 24 г/л. Вода характеризуется высокой опасностью засоления (SAR 46,78). В результате в профиле лугово-каштановых почв приканальной территории происходит существенный привнос солей. Засоление наиболее токсичными ионами Cl- и Na+ отмечается, начиная с глубины 70 см, при этом Cl- накапливается на глубинах 70-250 см, а содержание Na+ постепенно возрастает с глубиной. Бикарбонатно-кальциевый тип засоления сменяется при этом хлориднокальциево-натриевым с участием соды. Сумма токсичных солей на глубине от 90 до 230 см значительно (в 10-20 раз) превышает порог токсичности. Максимальное значение суммы токсичных солей (0,67%) наблюдается на глубине 1см, что соответствует максимальному содержанию ионов хлора 4,8 ммоль экв/100г почвы. Общие запасы солей в 2-метровой почвенной толще на приканальной территории увеличились почти в 2 раза по сравнению с территорией вне зоны влияния канала (табл. 5), причем, их достоверное увеличение (при Р=0,9) отмечается уже с глубины 100 см. Это можно оценить как весьма негативные, с точки зрения использования почв в земледелии, явления, т.к. накопление наиболее токсичных ионов наблюдается уже у нижней границы корнеобитаемой зоны. Морфологически это диагностируется по появлению с глубины 70 см интенсивных выцветов ЛРС, маркирующих собой горизонт внутрипочвенного выпота.
В верхних 180 см в лугово-каштановой почве приканальной территории не происходит увеличения содержания натрия в ППК, а опасность осолонцевания оценивается как низкая. В профиле карбонаты присутствуют с поверхности, в отличие от целинных лугово-каштановых почв других участков, где они появляются с глубины 20-40 см. Это явление предположительно связано с осаждением карбонатов из грунтовых вод (Сиземская и др., 2008).
На орошаемых участках изменения в солевом состоянии почв солонцового комплекса произошли в результате полива на фоне подъема УГВ. Было установлено (табл. 5), что в них по сравнению с целиной и АЛМ участками наблюдается существенное увеличение минерализации грунтовых вод, засоление и осолонцевание исходно незасоленных лугово-каштановых почв и вторичное засоление и осолонцевание солончаковых солонцов, из которых часть ЛРС была выщелочена в первые годы после начала орошения (Толпешта, Соколова, Сиземская, 1997). По данным Управления Палласовской ООС, в 1986 году 30% поливных земель находилось в неудовлетворительном мелиоративном состоянии, в ряде хозяйств эта цифра достигала 90% (Сиземская, Сапанов, 1987).
За первое десятилетие использования оросительной системы без дренажа с агрегатами для полива типа ДДА и Фрегат на орошаемой территории УГВ в среднем поднялся на 1.9 м. В результате сброса солей в грунтовые воды их минерализация повысилась в 2-6 раз под солонцами и 2-20 раз под луговокаштановыми почвами, а их состав стал хлоридно-сульфатно-натриевым под всеми почвами солонцового комплекса. Произошло частичное рассоление 2метровой толщи солонцов (вынос ЛРС из этого слоя составил около 25 кг/м2), сопровождаемое засолением лугово-каштановых почв (прирост запаса ЛРС в том же слое составил около 9 кг/м2) за счет подъема минерализованных ГВ, а также бокового подтока растворов от солонцов к западинам, ускоренного процессами эвапотранспирации сельскохозяйственных культур (люцерны) с глубокой корневой системой. За 10-летний же период орошения запас солей в лугово-каштановых почвах в слое 0-200 см вырос на порядок, а скорость соленакопления составляла 1 кг/м2 в год, при обводнении - 0,2 кг/м2 в год.
Распределение солей в профиле почв зависит от уровня залегания ГВ и контролируется двумя разнонаправленными процессами: рассолением почвенной толщи под влиянием дополнительного увлажнения оросительными слабоминерализованными водами и засолением почвенного профиля в результате подъема ГВ, содержащих большое количество солей.
После прекращения орошения отмечается понижение УГВ и существенное уменьшение их минерализации. На этом фоне запасы солей в 2-метровой почвенной толще столь же существенно и достоверно уменьшаются (табл. 5).
Однако содержание иона Cl- в солонцах все еще превышает порог токсичности, а почву в целом можно охарактеризовать как среднезасоленную до глубины см и как сильнозасоленную на глубинах 40-150 см. В лугово-каштановых почвах выявлено уменьшение содержания ионов Na+, SO42- и Cl-, хотя с глубины см содержание последнего все еще превышает порог токсичности. В соответствии с уменьшением количества ЛРС, прежде всего, сульфатов Na+, изменился и состав обменных катионов. И в солончаковых солонцах, и в лугово-каштановых почвах наблюдалось достоверное при Р = 0,9 снижение содержания обменного Na+, а обменного Са2+ - увеличилось.
7.2. Солевое состояние почв при введении залежного режима Изучение почв залежных участков представляет несомненный теоретический и практический интерес. Такие исследования позволяют выяснить, в частности, возможна ли реставрация солонцового профиля за период времени, измеряемый несколькими десятилетиями. Практическое значение изучения почв залежных участков связано с тем, что эти почвы при соблюдении определенных условий могут быть возвращены в сельскохозяйственное использование.
Выявлено, что через 30 лет после введения залежного режима произошло восстановление почвенного и растительного покрова, несущего черты большей мезофитизации по сравнению с целинными условиями. Так, солонцы под залежью в верхней полуметровой толще характеризуются достоверно меньшей суммой солей и меньшими запасами Cl-, SO42- и Na+, а также достоверно меньшими запасами Cl- в верхней толще мощностью 3 м. В верхнем трехметровом слое наблюдается также тенденция к сокращению запасов Na+. В целом же при пересчете на мощность слоя 0-200 см и 0-400 см достоверных различий по сравнению с целиной в суммарных запасах солей не выявлено (табл. 5).
Профиль лугово-каштановых почв на залежном участке характеризуется низким содержанием ЛРС, однако в составе водной вытяжки из этих почв по сравнению с целинными и мелиорированными аналогами наблюдается небольшое, но статистически достоверное возрастание концентраций ионов Cl-, SO42-, Ca2+ и Mg2+ (Сиземская и др., 2010). Выявленное различие можно объяснить припахиванием материала с окружающих солонцов микроповышений в луговокаштановые почвы при проведении плантажной вспашки.
Таким образом, солевое состояние почв солонцового комплекса в условиях глинистой полупустыни Северного Прикаспия представляет собой весьма динамичные показатели, существенно изменяющиеся за относительно короткие промежутки времени при изменении уровня грунтовых вод и увлажнения. Однако, несмотря на то, что засоление и рассоление почв относятся к числу наиболее быстро протекающих процессов, эти характеристики могут быть использованы как маркер для оценки тренда эволюции почв и их трансформации при антропогенном воздействии.
ГЛАВА 8. Динамические аспекты солевого состояния почв и пути оптимизации мелиоративного процесса 8.1. Выщелачивание гипса и скорость его проявления Выщелачивание гипса и гипсонакопление относятся к основным профилеформирующим процессам в почвах полупустынного солонцового комплекса.
Распределение гипса по профилю целинных солонцов характеризуется наличием нескольких хорошо выраженных максимумов (Роде, Польский, 1961).
Более или менее постоянным, четко прослеживающимся во многих разрезах, является верхний максимум, приуроченный к I подсолонцовому горизонту, а также второй, залегающий на глубине 110-140 см и соответствующий гипсовому засоленному горизонту. Распределение гипса в профиле длительномелиорируемых солонцов существенно отличатся от целинного: до глубины 5070 см гипс практически вымыт (его среднее содержание составляет 0,2-0,4%). В кулисных насаждениях вся почвенная толща становится зоной выноса гипса (табл. 6). Почвы становятся глубокогипсовыми.
Таблица 6. Средние запасы гипса (кг/м2) в солонцах Слой, см Участок Целина АЛМ система, 30 Кулиса, 35 лет лет мелиорации 0-50 9,5 1,3 1,7 50-100 16,3 9,3 20,100-150 37,8 43,9 23,0 150-200 16,6 23,8 28,0-200 80,2 78,3 73, - значения величин по результатам определения ниже значений, полученных для целинных почв (при Р=0,8) Среднюю скорость выщелачивания гипса можно охарактеризовать двумя показателями: ежегодной глубиной понижения верхней границы гипсонакопления и ежегодным выносом гипса из толщи определенной мощности (табл. 6).
Расчеты показали, что при общем выносе гипса из полуметрового слоя от 8,2 до 13,2 кг/м2 средняя скорость его выщелачивания составляет 0,3-0,4 кг/м2 в год.
В связи с потерей гипса возможно ухудшение водно-физических свойств мелиорируемых солонцов и появление слитообразования, а в условиях орошения возрастает опасность вторичного осолонцевания почв.
8.2. Карбонатное состояние почв и его динамические аспекты Изучено карбонатное состояние почв, выявлены и охарактеризованы разнонаправленные тенденции его изменения, связанные как с особенностями процессов естественной эволюции почв, так и вызванные различными видами антропогенного воздействия.
В процессе мелиорации изменяется и профильное распределение карбонатов. Наблюдается увеличение запасов карбонатов кальция в слое 50Ц150 см, что связано с подтягиванием их с почвенными растворами при усиленной транспирации растений в межкулисном пространстве. На некоторых участках на глубине 280-320 см происходит значимое увеличение содержания карбоната кальция с 9% в целинных почвах до 11% в мелиорируемых, связанное с осаждением кальцита из восходящих почвенных растворов из поднявшихся ГВ.
Этими же процессами, очевидно, можно объяснить и накопление карбонатов в верхнем 50-см слое целинных лугово-каштановых почв на приканальной территории при близком залегании ГВ, что, возможно, приводит к развитию нового ЭПП - окарбоначиванию верхнего слоя. Появление этого процесса зафиксировано в пахотных солонцах других регионов (Любимова, 2003).
В условиях орошения выявлено существенное увеличение запаса карбонатов в слое 0-50 см, вызванное ирригационным окарбоначиванием (табл. 7).
Здесь дополнительное увлажнение при поливах приводит к мобилизации кальцита, а затем к подтягиванию его в верхнюю часть почвенной толщи с почвенными растворами от близко залегающих (2,5 м) грунтовых вод.
Таблица 7. Средние запасы карбоната кальция в почвах при различных воздействиях (составлено по: Роде, Польский, 1961; Соколова и др., 1988;
Сиземская, 1989; Романенкова, 1990; Толпешта, 1993; Топунова, 2003) Слой, см Запас, кг/мСолонец Лугово-каштановая почва Целина 40 лет 10 лет Целина 40 лет 10 лет Прика- Падина, Падина, мелио оро- мелио оро- нальная целина массив рации шения рации шения террито- дуба, рия, це- лет лина 0-50 34,0 37,1 44,2 16,4 26,8 31,9 23,0 7,6 4,4 50-100 75,9 109,9 86,0 93,8 109,1 91,3 88,1 85,3 40,3 100-150 84,0 104,8 103,3 117,8 104,7 109,8 99,4 111,8 109,150-200 75,7 92,0 78,9 111,5 100,9 87,9 100,9 96,3 88,0-200 269,6 343,8 312,3 339,6 341,4 320,8 311,4 301,0 243,0 - значения величин по результатам определения выше значений, полученных для целинных почв (при Р=0,8); - значения величин по результатам определения ниже значений, полученных для целинных почв (при Р=0,8) В лугово-каштановых почвах западин при мелиорации происходит увеличение запасов карбонатов в верхнем 50-см пахотном слое (почти в 1,6 раза, по сравнению с целиной); при орошении это увеличение еще выше - почти в раза. Очевидно, это связано как с припахиванием карбонатов при сельскохозяйственных обработках полей, так и с процессами окарбоначивания.
Таким образом, наблюдаемое в полупустынях и пустынях увеличение карбонатно-аккумулятивных функций почв (Глазовская, 1996) под влиянием мелиорации еще более усиливается, при этом поверхностно-аккумулятивный характер карбонатного профиля сохраняется.
По интенсивности процессов аккумуляции рассеянных карбонатов в верхних горизонтах почвы можно выстроить следующий ряд: солонцы АЛМ систем (0,1 кг/м2 в год) лугово-каштановые почвы АЛМ систем (0,2 кг/м2 в год) лугово-каштановые почвы приканальных территорий (0,3 кг/м2 в год) орошаемые солонцы (1,0 кг/м2 в год) орошаемые лугово-каштановые почвы (1,5 кг/м2 в год). В нижних горизонтах эти величины существенно выше:
0,5-0,8 кг/м2 в год в солонцах АЛМ систем и 1,9 кг/м2 в год при орошении солонцов.
При выращивании массивных лесных насаждений на лугово-каштановых почвах в падинах наблюдается иная картина. Выявлено уменьшение запаса карбонатов в верхнем метровом слое (почти в 2 раза), связанное с дополнительным, по сравнению с целинными условиями, увлажнением под пологом леса за счет снегозадержания, высокой биологической активностью, повышенной концентрацией СО2 почвенного воздуха. Под воздействием массивных лесных насаждений скорость нисходящей миграции карбонатов из 1-метрового слоя можно оценить величиной около 0,8 кг/м2 в год.
В процессе мелиорации не происходит выноса карбонатного материала из профиля солонцов даже после 50 лет мелиорации, и карбонаты остаются существенным резервом и источником кальция в почвенном растворе, что в условиях растворения и вымывания гипса оказывает определенный мелиоративный эффект, способствует поддержанию процессов рассолонцевания, а в условиях подъема УГВ - препятствует развитию вторичного осолонцевания.
8.3. Этапы и скорость мелиорации. Оценка постмелиоративного состояния почв Мелиорация солонцов происходит постепенно, в несколько этапов, длительность которых зависит от ряда факторов: ширины межкулисных пространств, возраста кулис, погодных условий и т.д. Выделены и подробно охарактеризованы этапы мелиорации почв, дана оценка скорости рассоления солонцов, рассчитанная как изменение запасов ЛРС и отдельных ионов и глубины их залегания за определенный срок времени в слое определенной мощности.
Скорость мелиорации солонцов и наступление той или иной ее стадии во многом определяется величиной дополнительного увлажнения в виде снега, получаемого участками. С течением времени скорость рассоления уменьшается. Так, если в первые 20 лет мелиорации средняя скорость рассоления составляла 1.2 кг/м2 ЛРС в год из слоя 0-200 см, то к 35-и годам она снизилась до 0.кг/м2. Это связано с тем, что большая часть ЛРС, представленных хлоридами и сульфатами натрия и магния, была вынесена за пределы почвенного профилям, и все большая доля в составе солей начинает принадлежать более труднорастворимому гипсу. На определенном этапе снижается и скорость выноса ЛРС за пределы почвенно-грунтовой толщи. Это можно объяснить установлением динамически-равновесного состояния солеобмена между грунтовыми водами и нижней частью почвенного профиля.
В целом, на основе анализа за 50 лет результатов трансформации солевого состояния почв с помощью балансовых расчетов выявлено, что в наибольшей степени эти изменения затрагивают всю 2-метровую почвенную толщу солонцов. Баланс ЛРС, выраженный в % от их исходного запаса, составил почти 100% их выноса из верхнего полуметра и 50% - из второго полуметра. Нижняя часть профиля лугово-каштановых почв западин и падин под влиянием лесоме лиорации стала зоной активного соленакопления, где исходное содержание иона Cl- возросло в несколько раз (рис. 7).
А Б В % от исходного % от исходного % от исходного -150 -100 -50 0 50 100 -500 0 500 -100 100 30-50 0-0-50-100 50-150-1ЛРС Cl 100-1100-150 100-1Карбонаты Гипс 150-2150-200 150-2Рис. 7. Изменение запаса ЛРС, иона Cl-, карбонатов и гипса (баланс, % от целины) за 50 лет лесомелиоративного воздействия: А - в солонцах; Б - в луговокаштановых почвах западин; В - в лугово-каштановых почвах падин АЛМ система, как и любая другая, проходит в своем развитии период становления, относительной стабильности и распада. Очевидно, задачей мелиорации как таковой является сокращение периода становления системы, растягивание времени ее стабилизации для отсрочки ее распада. В этой связи необходимо было, в частности, выявить как критерии достижения почвой ее оптимально-мелиоративного состояния, так и оценить возможности ее поддержания на этом уровне.
На поздних стадиях мелиорации нами было предложено выделять этап постмелиорации солонцов, который является результатом длительной и интенсивной агролесомелиорации и характеризуется замедлением скорости изменений почв при продолжающемся мелиоративном воздействии (Сиземская, 1996).
Главный критерий его наступления - установление динамического равновесия в солевом состоянии почв, когда основная масса ЛРС, представленных хлоридами и сульфатами натрия и магния, уже вынесена за пределы почвенного профиля, и все большая доля в составе солей приходится на более труднорастворимый гипс. Для характеристики этапа постмелиорации нами предложено рассматривать ряд аспектов: диагностический, динамический, генетический, классификационный, экологический (табл. 8).
Постмелиоративное состояние почв характеризуется доминированием элювиально-солевого ЭПП, который охватывает весь почвенный слой - по выносу ЛРС и верхнюю часть почвы - по выносу гипса.
Время наступления постмелиоративного этапа в развитии почв - своеобразный индикатор интенсивности, длительности и необратимости мелиорации.
Раз запущенный "механизм" мелиоративного воздействия, даже спустя дли Слой, см Слой, см Слой, см тельное время, продолжает работать и после того, как задачи мелиорации почвы как таковой уже выполнены, и процессы солеобмена перемещаются в глубь почвенно-грунтовой толщи.
Таблица 8. Признаки постмелиоративного состояния солонцов Признак Показатель Диагностический А. Легкорастворимые соли:
1 - исчезновение выцветов;
2 - вынос из слоя 0-1 м > 70% запаса, из слоя 0-5 м > 30% запаса;
3 - мощность ЭСГ > 4 м;
4 - минерализация грунтовых вод 13-24 г/л, УГВ 4-5 м Б. Гипсовые стяжения:
1 - снижение верхней границы залегания мелкокристаллических новообразований до 80 см и глубже;
2 - растворение, вынос, перекристаллизация Динамический Скорость рассоления:
вынос легкорастворимых солей 1 кг* снижение верхней границы горизонта ЛРС 10-13 см/год Скорость рассолонцевания:
замещение Nа+ в ППК 0.28 кг* снижение верхней границы горизонта 7 см/год Скорость выноса гипса:
изменение запаса 0.18 кг* снижение верхней границы горизонта 2 см/год Продолжительность мелиорации: более 20 лет Генетический Доминирование элювиально-солевого ЭПП Классификационный Формирование элювиально-солевых агроземов (ЭСА) с набором горизонтов: Apca-BEL1-BEL2-C Экологический Положительный результат:
образование мощной опресненной толщи с однородным пахотным горизонтом с благоприятными водно-физическими свойствами Отрицательный результат:
засоление грунтовых вод и нижней части почвенно-грунтовой толщи западин * Изменение запаса (за год) в слое мощностью 0-2 м и сечением 1 мЭкологические последствия наступления этого этапа в мелиорации солонцов, очевидно, нельзя оценить однозначно. С одной стороны, мощная опресненная толща с однородным пахотным горизонтом с благоприятными водно-физическими свойствами создает хорошие условия для выращивания сельскохозяйственных культур. Немаловажную роль при этом играет и дополнительное увлажнение в виде снега. С другой стороны, все большее количество влаги начинает расходоваться на десукцию, а при все более частом сквозном промачивании почв происходит сброс солей в грунтовые воды, их засоление, а также засоление нижней части почвенно-грунтовой толщи солонцов и лугово-каштановых почв западин.
В связи с появлением постмелиоративного состояния солонцов, в частности, возникает вопрос об определении оптимальной мощности слоя рассоления, что неразрывно связано с необходимостью управления процессом мелиорации и его интенсивностью. Очевидно, для использования мелиорированных солонцов в сельском хозяйстве достаточно рассоления слоя мощностью 1-1,5 м. Более глубокое выщелачивание солей может привести к их сбросу в грунтовые воды при периодически промывном типе водного режима этих почв. Во избежание этих негативных последствий система мелиоративных мероприятий должна быть гибкой, предусматривающей возможность регулирования поступления дополнительного увлажнения. На первых этапах мелиорации ее интенсивность должна быть значительной для быстрого рассоления пахотного слоя.
Этого можно достичь, применяя современную агротехнику и посадку кулис из кустарников с суженными междурядьями среди древесных кулис. После выноса легкорастворимых солей за пределы 1 м толщи межкулисные пространства нужно расширить, убрав кустарники, а для улучшения структуры мелиорируемых солонцов можно рекомендовать посев многолетних трав, а также внесение органических удобрений. Такое сочетание разнообразных мероприятий будет способствовать дальнейшему совершенствованию системы мелиорации солонцов и выявлению ее оптимальных путей.
8.4. Некоторые пути оптимизации мелиоративного процесса и создания искусственных лесных экосистем Искусственным лесным насаждениям в аридных регионах издавна и по праву отводится заметная роль в улучшении природной обстановки и среды жизни людей. Их создание отчасти может компенсировать исчезающие естественные древесные и кустарниковые насаждения, а иногда - представляет собой попытку формирования принципиально новых, несвойственных данным условиям искусственных биогеоценозов. Тем самым, в частности, существенно расширяется спектр экологических функций почв (по: Добровольский, Никитин, 1986, 1990, 2006), а, в более широком смысле, диапазон ресурсов и луслуг (по: Costanza et al., 1997; EcosystemsЕ, 2003) экосистем.
В последние годы получило дальнейшее развитие представление об устойчивом природопользовании, которое, применительно к аридным регионам, предполагает создание и функционирование адаптивных искусственных агролесных экосистем. В этом контексте концепция агролесомелиорации должна и может обеспечивать соблюдение следующих основных требований: искусственные лесные насаждения должны быть (1) функционально необходимы, (2) малозатратны в производстве, (3) экологически безвредны и (4) долговечны (Сапанов, Сиземская, Оловянникова, 2005).
Произошедшие в последние десятилетия существенные изменения почвенно-гидрологической обстановки в глинистой полупустыне Северного Прикаспия также требуют пересмотра некоторых представлений о путях и методах хозяйственного освоения этой территории. В изменившихся не только природных, но и социальных условиях предлагаются следующие мероприятия для экологически неистощительного и социально значимого природопользования:
обустройство локальных полезащитных систем для производства сельскохозяйственной продукции; создание локальных лесопастбищных участков для улуч шения травостоя с использованием устойчивых лесных культур; выращивание долговечных рекреационных лесных насаждений на лугово-каштановых почвах в мезопонижениях рельефа - падинах. Предложены некоторые варианты создания устойчивых искусственных лесных экосистем.
ВЫВОДЫ:
1. Современные процессы эволюции и трансформации экосистем глинистой полупустыни Северного Прикаспия определяются влиянием ряда факторов: относительно медленными циклическими изменениями некоторых природных условий (увлажнения, уровня залегания грунтовых вод) и целенаправленными антропогенными воздействиями.
Главный тренд современного этапа эволюции почв - возрастающая интенсивность солевых миграционных процессов, связанная с изменением климатических условий в конце ХХ века, а также с подъемом уровня грунтовых вод и дополнительным увлажнением почв при проведении обводнительнооросительных мероприятий и агролесомелиорации. Скорость современных процессов, лотзывчивость почв на воздействия в современный период несравнимы с предыдущими стадиями их эволюции, а изменения, происходящие за относительно короткий отрезок времени (30-60 лет), столь существенны, что требуют выделения особого этапа их развития, который может быть определен как этап мезофитизации. Проанализированные климатические данные за период с 1951 по 2009 гг. позволили связать эти явления с увеличением увлажненности территории в целом: среднегодовая сумма осадков возросла на 23 мм, в основном, за счет теплого полугодия, увеличился коэффициент увлажнения (с 0,28 до 0,32), на 2,1 м повысился уровень грунтовых вод.
2. В целинных условиях выявлено возрастание минерализации грунтовых вод за последние 50 лет (в среднем, в 5 раз под лугово-каштановыми почвами и в 1,2 раза - под солонцами) и выравнивание их химического состава под разными членами солонцового комплекса: они становятся хлоридно-сульфатнонатриевыми. С экологической точки зрения прогрессирующее засоление грунтовых вод и сокращение зоны аэрации, в среднем, на 2 м, безусловно, ухудшает почвенно-гидрологическую обстановку. Наряду с усилением гидроморфизма территории, в то же время отмечается и все большая недоступность для растений грунтовых вод из-за увеличения их минерализации.
3. Капиллярная кайма поднявшихся засоляющихся грунтовых вод начинает оказывать все большее воздействие на нижнюю и среднюю часть почвенного профиля, в результате чего происходит засоление лугово-каштановых почв. На целине за последние 50 лет запас легкорастворимых солей в этих почвах в слое 0-200 см вырос в 3 раза, а в слое 0-400 см - более чем в 2 раза. Содержание в слое 0-200 см наиболее подвижных ионов Cl- и Na+ возросло в десятки, менее подвижного SO42- - в пять раз. Происходит усложнение строения солевого профиля этих почв по сравнению с таковым в середине ХХ века.
В целинных солончаковых солонцах за последние 50 лет произошло значительное увеличение запасов иона Сl- в толще 50-500 см, некоторое накопление иона Mg2+ в слое 0-100 см, снижение запасов SO42Ц-иона в слое 100-250 см, Na+ - в слое 100-200 см, Са2+ - в слое 150-200 см. Обнаружена тенденция некоторого уменьшения общего запаса солей, рассчитанного в единицах массы и связанного не с их выносом, а с изменением в их составе соотношения хлоридов и сульфатов за счет возрастания относительной доли хлоридов, имеющих меньшую массу, чем сульфаты.
4. В агролесомелиоративных системах для современного солевого состояния почв характерно элювиально-иллювиальное перераспределение по профилю легкорастворимых солей, при этом в мелиорируемых солонцах областью их выноса становится вся зона аэрации. К настоящему времени запасы этих солей в верхней двухметровой толще мелиорируемых солонцов составляют около 50% и 35% от их исходного содержания при сроке воздействия системы агролесомелиоративных мероприятий 30 и 40 лет и 25% - при мелиорации в течение 50 лет; из верхнего метрового слоя при всех сроках мелиорации практически полностью вынесены наиболее токсичные ионы ClЦ и Na+. Происходит изменение химизма засоления: за счет преимущественного выноса иона хлора хлоридно-сульфатный тип засоления сменяется сульфатным.
В лугово-каштановых почвах верхний 1-1,5-метровый слой сохраняется опресненным, однако ниже происходит формирование нового, несвойственного целинным почвам, хлоридно-кальциевого типа засоления. Увеличение содержания легкорастворимых солей, очевидно, связано с исчерпанием линз пресных грунтовых вод под лугово-каштановыми почвами и усилением притока солей с почвенными растворами из-под светло-каштановых почв и солонцов, в том числе, и под влиянием десукции древесных растений.
5. Выявлено существенное усиление миграции сульфатов кальция, которое проявляется в выщелачивании гипса из слоя мощностью 1 м в солонцах, сопровождающемся изменениями в строении и характере распределения по профилю гипсовых новообразований. Выщелачивания карбонатов кальция не наблюдается, напротив, происходит их аккумуляция в верхних слоях почв как за счет припахивания нижележащих карбонатных горизонтов при плантажной вспашке, так и за счет развития процесса окарбоначивания. Установлено, что дополнительное увлажнение и развитие искусственных лесных экосистем на месте полупустынных может приводить к ускорению процессов образования, перекристаллизации и сегрегации карбонатов. При этом одним из важных источников поступления кальция может быть растворение гипса, наблюдающееся в мелиорируемых солонцах.
6. Постмелиоративное состояние мелиорируемых почв является результатом длительной и интенсивной агролесомелиорации, определяется сочетанием и степенью проявления ведущих почвообразовательных миграционных процессов и характеризуется замедлением скорости их изменений при продолжающемся мелиоративном воздействии. Это связано с исчерпанием в почвенном профиле резерва легкорастворимых солей, подлежащих выщелачиванию, и перемещением процессов солеобмена в почвенно-грунтовую толщу и грунтовые воды. Для характеристики постмелиоративного состояния почв и различных аспектов его проявления (диагностического, динамического, генетического, классификационного, экологического) разработаны качественные и количест венные показатели, которые позволяют оценить скорость и вероятность наступления постмелиоративной стадии агрогенной трансформации почв; предложены некоторые меры по дальнейшему совершенствованию системы агролесомелиоративного воздействия, в частности, ограничение слоя рассоления мощностью 1 м, посевы многолетних трав.
7. Мелиоративные мероприятия приводят к созданию антропогенных почв с новой системой генетически взаимосвязанных горизонтов. Эти почвы не имеют аналогов в природе и не могут быть отнесены к солонцам или какимлибо другим таксонам. Морфологический профиль мелиорируемых солонцов в агролесомелиоративных системах состоит из типодиагностических горизонтов:
однородного пахотного слоя с благоприятными водно-физическими свойствами, без следов бывшего солонцового горизонта, и элювиально-солевых горизонтов. Длительная мелиорация солончаковых солонцов увеличивает мощность и улучшает водно-физические свойства корнеобитаемой толщи за счет выщелачивания токсичных легкорастворимых солей, снижения подвижности глинистогумусовых веществ, наиболее важных для плодородия почв. Это позволяет отнести изученные почвы к отделу агроземов; при их дальнейшем подразделении на более низких таксономических уровнях в названии почвы предложено использовать термины постсолонцовый, лэлювиально-солевой.
8. Благодаря изменению и усилению биологического круговорота, возникновению новых компонентов и новых связей в искусственных лесных экосистемах, созданных на лугово-каштановых почвах в мезопонижениях рельефа, изменяется проявление многих ведущих почвообразовательных процессов, в частности, трансформация органических остатков, переорганизация почвенной массы. В массивных лесных насаждениях начинают действовать процессы поступления и накопления древесного опада и отпада, в разложении которых значительное участие принимают сапротрофные почвенные беспозвоночные. Возникает биогенное оструктуривание верхних горизонтов почв, в том числе, с участием дождевых червей. Происходит изменение процессов гумусообразования, окарбоначивания и оглеения.
9. В целом, выявленные закономерности динамических процессов и трансформации почв в результате агролесомелиоративного воздействия, выращивания массивных лесных насаждений, проведения обводнительнооросительных мероприятий, введения залежного режима на фоне естественной эволюции почв позволяют дать экологическую оценку их современного антропогенного этапа. Так, для почв под искусственными лесными насаждениями эта оценка и прогноз возможных последующих процессов засоления не могут являться однозначными в связи с сохраняющейся на участках, подверженных длительной мелиорации, зон опреснения мощностью 1-1,5 м. Однако можно предполагать дальнейшее усиление засоления в связи с возрастающим десуктивным расходом грунтовых вод древесными насаждениями на фоне подъема УГВ в условиях дефицита влаги.
10. Создание функционально необходимых и социально значимых искусственных лесных насаждений оказывает существенное влияние на природные ландшафты полупустыни, становясь важным фактором современного антропо генного этапа эволюции почв, предопределяющим ее направление, динамические характеристики, проявление ведущих почвообразовательных процессов.
Выявлено изменение ландшафтной структуры полупустыни, появление новых, более мезофитных природно-антропогенных искусственных лесных комплексов интразонального характера. С учетом меняющейся почвенногидрологической обстановки и динамики изученных мелиоративных процессов предложены различные варианты создания устойчиво функционирующих агролесных экосистем.
Список основных публикаций по теме диссертации:
Статьи в журналахиз списка ВАК:
1. Соколова Т.А., Царевский В.В., Максимюк Г.П., Сиземская М.Л. Солевые новообразования в солончаковых солонцах Северного Прикаспия // Почвоведение. 1985. № 6. С. 120-130.
2. Сиземская М.Л. Последствия мелиорации солончаковых солонцов глинистой полупустыни в системе лесных полос // Доклады ВАСХНИЛ. 1988.
№ 5. С. 39-41.
3. Всеволодова-Перель Т.С., Сиземская М.Л. Интродукция дождевых червей в почву под лесными насаждениями в Прикаспии // Почвоведение. 1989.
№ 5. С. 136-141.
4. Сиземская М.Л. Мелиорируемые солонцы Северного Прикаспия и подходы к их классификации // Почвоведение. 1991. № 9. С. 97-108.
5. Оловянникова И.Н., Сиземская М.Л. Взаимодействие компонентов агролесомелиоративной системы на солонцовом комплексе Прикаспия // Лесоведение. 1991. № 4. С. 3-14.
6. Сиземская М.Л., Романенков В.А. Оценка скорости рассоления солончаковых солонцов в агролесомелиоративной системе освоения Северного Прикаспия // Почвоведение. 1992. № 6. С. 83-91.
7. Сиземская М.Л., Копыл И.В., Сапанов М.К. Заселение древеснокустарниковой растительностью искусственных понижений мезорельефа в полупустыне Прикаспия // Лесоведение. 1995. № 1. С. 15-23.
8. Сиземская М.Л. Диагностика постмелиоративного состояния солончаковых солонцов полупустыни Прикаспия // Почвоведение. 1996. № 12. С. 14961501.
9. Толпешта И.И., Соколова Т.А., Сиземская М.Л. Сравнительная оценка влияния орошения и агролесомелиорации на солевое состояние почв солонцового комплекса Северного Прикаспия // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1997. № 1. С. 15-23.
10. Вомперский С.Э., Оловянникова И.Н., Базыкина Г.С., Сапанов М.К., Сиземская М.Л. Основные итоги биогеоценотических исследований и лесомелиорации в полупустыне Северного Прикаспия // Почвоведение. 2000. № 11. С.
1305-1317.
11. Соколова Т.А., Сиземская М.Л., Сапанов М.К., Толпешта И.И. Изменение содержания и состава солей в почвах солонцового комплекса Джаныбек ского стационара за последние 40-50 лет // Почвоведение. 2000. № 11. С. 13281339.
12. Всеволодова-Перель Т.С., Сиземская М.Л. Изменение почвенной мезофауны и некоторых свойств лугово-каштановой почвы при лесоразведении в Прикаспии // Почвоведение. 2000. № 11. С. 1356-1364.
13. Толпешта И.И., Соколова Т.А., Сиземская М.Л. Активности ионов и электропроводность водной вытяжки целинных и мелиорированных почв Джаныбекского стационара // Почвоведение. 2000. № 11. С. 1365-1376.
14. Линдеман Г.В., Оловянникова И.Н., Сапанов М.К., Сенкевич Н.Г., Сиземская М.Л. Результаты и перспективы лесоводственных исследований на Джаныбекском стационаре // Лесоведение. 2000. № 6. С. 3-8.
15. Володина И.В., Соколова Т.А., Толпешта И.И., Дронова Т.Я., Сиземская М.Л. Опыт совместной интерпретации данных химического состава водной вытяжки и минералогического анализа солевых выцветов и плотного остатка водной вытяжки в солончаковых солонцах // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17.
Почвоведение. 2002. № 2. С. 13-17.
16. Колесников А.В., Соколова Т.А., Толпешта И.И., Сиземская М.Л. О составе обменных катионов и селективности катионного обмена в целинных солончаковых солонцах Северного Прикаспия // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17.
Почвоведение. 2002. № 3. С. 12-18.
17. Борзенко С.Г., Дронова Т.Я., Колесников А.В., Соколова Т.А., Толпешта И.И., Сиземская М.Л. Химико-минералогическая характеристика солончакового солонца и лугово-каштановой почвы // Вестн. Моск. Ун-та. Сер.
17. Почвоведение. 2003. № 3. С. 3-8.
18. Топунова И.В., Сиземская М.Л., Соколова Т.А., Толпешта И.И., Дронова Т.Я., Рыскалиева Б.Т. Взаимодействие засоленных горизонтов солончакового солонца Северного Прикаспия с минерализованными грунтовыми водами в условиях модельного лабораторного эксперимента // Вестн. Моск. Ун-та. Сер.
17. Почвоведение. 2003. № 4. С. 16-21.
19. Сапанов М.К., Сиземская М.Л., Оловянникова И.Н. Агролесомелиоративная система адаптивного природопользования в богарных условиях полупустыни Северного Прикаспия // Почвоведение. 2005. № 3. С. 264-270.
20. Сиземская М.Л., Бычков Н.Н. Солевое состояние лугово-каштановых почв Северного Прикаспия в условиях подъема уровня грунтовых вод // Почвоведение. 2005. № 5. С. 543-549.
21. Бычков Н.Н., Колесников А.В., Сиземская М.Л. Солевое состояние лугово-каштановых почв в агролесомелиорированных системах Северного Прикаспия // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2005. № 2. С. 44-51.
22. Всеволодова - Перель Т.С., Сиземская М.Л. Лесная подстилка и роль в ее формировании почвообитающих беспозвоночных в условиях глинистой полупустыни Северного Прикаспия // Почвоведение. 2005. №. 7. С. 864-870.
23. Верба (Лебедева) М.П., Ямнова И.А., Сиземская М.Л. Эволюция свойств темноцветных черноземовидных почв больших падин Северного Прикаспия при выращивании массивных лесных насаждений // Почвоведение. 2005.
№ 11. С. 1297-1309.
24. Колесников А.В., Соколова Т.А., Сиземская М.Л. Характеристика почвенного поглощающего комплекса лугово-каштановых почв Северного Прикаспия (Джаныбекский стационар) // Почвоведение. 2006. № 2. С. 179-189.
25. Вомперский С.Э., Добровольский Г.В., Сапанов М.К., Сиземская М.Л., Соколова Т.В. Рукотворный лесной оазис в полупустыне // Вестник РАН.
2006. № 9. С. 798-804.
26. Всеволодова-Перель Т.С., Сиземская М. Л. Пространственная структура почвенного населения глинистой полупустыни Северного Прикаспия // Известия РАН. Серия биологическая. 2007. № 6. С. 748-754.
27. Сиземская М.Л., Дускинова Б., Толпешта И.И., Соколова Т.А. О динамике солевого состояния почв солонцового комплекса Палласовской обводнительно-оросительной системы в связи с колебаниями уровня грунтовых вод и изменением режима орошения // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 17. Почвоведение.
2008. № 3. С. 20-24.
28. Шашкова Г.В., Толпешта И.И., Сиземская М.Л., Соколова Т.А. Вклад отдельных компонентов твердой фазы в формирование емкости катионного обмена в основных генетических горизонтах лугово-каштановой почвы // Почвоведение. 2009. № 12. С. 1446-1455.
29. Сиземская М.Л., Сапанов М.К. Современное состояние экосистем и стратегия адаптивного природопользования в полупустыне Северного Прикаспия // Аридные экосистемы. 2010. Т. 16. № 5 (45). С. 15-24.
30. Сиземская М.Л., Сапанов М.К., Колесников А.В., Толпешта И.И., Соколова Т.А., Акрицкая М.И. Морфологические и некоторые химические свойства солонцов залежного участка территории Джаныбекского стационара // Аридные экосистемы. 2010. Т. 16. № 5 (45). С. 57-66.
31. Лебедева (Верба) М.П., Сиземская М.Л. Анализ микростроения мелиорированных солонцов Джаныбекского стационара для оценки их экологического состояния // Поволжский экологический журнал. 2010. № 2. С. 166-176.
32. Всеволодова-Перель Т.С., Сиземская М.Л., Колесников А.В. Изменение видового состава и трофической структуры почвенного населения при создании искусственных лесных насаждений в полупустыне Прикаспия // Поволжский экологический журнал. 2010. № 2. С. 142-150.
33. Сапанов М.К., Сиземская М.Л. Климатогенные изменения травянистой растительности на солончаковых солонцах Северного Прикаспия // Поволжский экологический журнал. 2010. № 2. С. 185-194.
34. Сапанов М.К., Сиземская М.Л., Колесников А.В., Цзяо Цзюйин, У Циньсяо, Лю Гобинь. Экологические особенности лесовыращивания в аридных регионах России и Китая // Поволжский экологический журнал. 2010. № 2. С.
195-203.
35. Сапанов М.К., Сиземская М.Л. Патент на изобретение Способ лесомелиоративной рекультивации земель № 2406285 // Бюлл. Открытия, изобретения. 2010. № 35.
Статьи в журналах, монографиях и сборниках:
36. Сиземская М.Л., Соколова Т.А., Максимюк Г.П. Легкорастворимые соли в целинных и мелиорированных солончаковых солонцах Северного Прикаспия // Свойства и пути мелиорации засоленных почв. Новочеркасск, 1985. С.
9-18.
37. Сиземская М.Л. Изменение морфологических показателей почв солонцового комплекса Северного Прикаспия // Генезис и мелиоративное освоение почв солонцовых территорий. Тр. Почв. Ин-та им. В.В.Докучаева. М., 1986.
С. 42-51.
38. Соколова Т.А., Кулагина Е.К., Максимюк Г.П., Сиземская М.Л. Карбонаты в целинных и мелиорированных почвах солонцовых комплексов Северного Прикаспия // Микроморфология антропогенно-измененных почв. М.: Наука, 1988. С. 88-98.
39. Сиземская М.Л. Солончаковые солонцы на разных этапах мелиоративного процесса // Повышение продуктивности полупустынных земель Северного Прикаспия. М.: Наука, 1989. С. 6-14.
40. Сиземская М.Л., Соколова Т.А., Соколова О.Б. Изменение гипсовых новообразований в ходе длительной мелиорации солончаковых солонцов // Повышение продуктивности полупустынных земель Северного Прикаспия. М.:
Наука, 1989. С. 29-48.
41. Оловянникова И.Н., Сиземская М.Л. Влияние искусственного микрорельефа на изменение растительного покрова и свойств солончаковых солонцов // Повышение продуктивности полупустынных земель Северного Прикаспия. М.: Наука, 1989. С. 69-92.
42. Сапанов М.К., Сиземская М.Л. Водно-солевой режим приканальных территорий и роль лесных полос в его регулировании // Повышение продуктивности полупустынных земель Северного Прикаспия. М.: Наука, 1989. С. 163181.
43. Романенков В.А., Мироненко Е.В., Пачепский Я.А., Сиземская М.Л., Соколова Т.А. Ионный обмен в целинных и мелиорированных солонцах Северного Прикаспия // Химическая термодинамика почв и их плодородие. Науч. Тр.
Почв. Ин-та им. В.В. Докучаева. 1991. С. 17-25.
44. Линдеман Г.В., Оловянникова И.Н., Сапанов М.К., Сенкевич Н.Г., Сиземская М.Л. Экологическая оценка лесоразведения в полупустыне и современные подходы к созданию лесоаграрных ландшафтов // Аридные экосистемы. 1996. Т. 2. № 4. С. 111-122.
45. 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) // Х1Х Чтения памяти В.Н.Сукачева УЭкологические процессы в аридных биогеоценозахФ. М., 2001. С. 113-132.
46. Володина И.В., Соколова Т.А., Толпешта И.И., Сиземская М.Л., Дронова Т.Я. Взаимодействие лугово-каштановой почвы с минерализованными грунтовыми водами в условиях модельного опыта // Роль почв в биосфере. Тр.
Ин-та почвоведения МГУ и РАН. М.: МАКС Пресс, 2002. С. 79-106.
47. Соколова Т.А., Топунова И.В., Сиземская М.Л., Толпешта И.И., Дронова Т.Я. Эволюция солевого состояния солончаковых солонцов Северного Прикаспия в связи с динамикой уровня грунтовых вод (на примере почв Джаныбекского стационара) // Роль почвы в биосфере. Тр. Ин-та почвоведения МГУ и РАН. Вып. 2. Географическое разнообразие почв. Почва и биота. М.Тула, 2003. С. 234-259.
48. Сиземская М.Л., Сапанов М.К. Устойчивость к рекреации видов и сообществ растений в аридных условиях // Влияние рекреации на лесные экосистемы и их компоненты. М.: 2004. С. 132-148.
49. Сиземская М.Л., Соколова Т.А., Топунова И.В., Толпешта И.И. Динамика солевого состояния солончаковых солонцов глинистой полупустыни Северного Прикаспия в условиях агролесомелиорации (на примере почв Джаныбекского стационара РАН) // Почвы, биогеохимические циклы и биосфера.
Развитие идей В.А. Ковды. М.: Т-во научных изданий КМК, 2004. С. 301-323.
50. Сиземская М.Л., Сапанов М.К. Оптимизация создания защитных лесных насаждений в аридных регионах // Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2005. С. 501-509.
51. Сиземская М.Л., Сапанов М.К. Лесной стационар в полупустыне // Наука в России. 2005. № 6. С. 93-100.
52. Сиземская М.Л., Сапанов М.К. Искусственные лесные биогеоценозы в аридных регионах // Идеи биогеоценологии в лесоведении и лесоразведении.
М.: Наука, 2006. С. 119-126.
53. Sizemskaya M.L., Sapanov M.K. Ecological Assessment of the Modern State of Landscapes and the Strategy of Adaptive Nature Management in Semideserts of the Northern Caspian Region of Russia // Journal of International Scientific Publications: Ecology@Safety. Vol. 2. Part 1. www.science-journals.eu. Published by Info Invest, Bulgaria, 2008. P. 304-312.
54. Sizemskaya M., Sapanov M. and Oloviannikova I. Ecological features of seabuckthorn growing in semi-desert area of the Pricaspian plain, Russia // Seabuckthorn (Hippophae L.): A Multipurpose Wonder Plant. Volume 3: Advances in Research and Development. Delhi, Daya Publishing House, 2008. P. 484-490.
55. Sapanov M.K., Sizemskaya M.L., Kolesnikov A.V. The effect of climate change on herbaceous and arboreal vegetation in arid regions of Russia // Journal of International Scientific Publications: Ecology@Safety. Vol. 4. Part 1. www.sciencejournals.eu. Published by Info Invest, Bulgaria, 2010. P. 214-222.
47 работ опубликовано в сборниках тезисов докладов российских и международных конференций.