Физические свойства почв дельт аридных территорий: на примере дельты Волги

Аридные территории занимают в России около 75 млн. га, более половины из них (42,5 млн. га) являются природными кормовыми угодьями, служащими основной базой пастбищного животноводства. В пределах аридных территорий находится ряд речных дельт, среди которых одной из самых крупных является дельта реки Волга. Речные дельты аридных регионов недостаточно изучены с точки зрения протекающих процессов почвообразования, и еще менее освещены вопросы, связанные с физическими свойствами дельтовых почв, эволюционирующих под воздействием внешних и внутренних факторов. Термин «дельта» впервые применил древнегреческий историк, географ и путешественник Геродот в 450 г. до н.э., назвав так аллювиальную сушу почти треугольной формы, заключенную между расходящимися рукавами Нила и морем и напоминающую заглавную букву греческого алфавита О (дельта). Впоследствии понятие дельта было распространено на другие сходные по строению устья рек. С позиций комплексного физико-географического подхода, дельта — это надводная низменная часть конуса реки в месте ее впадения в море или озеро со сложнейшей и изменчивой сетью водотоков и водоемов и специфическим ландшафтом (Коротаев, 1992). Причина формирования дельты в устье реки — отложение речных наносов, вызванное в свою очередь уменьшением скорости потока при его втекании в море или озеро.

Благодаря богатым природным ресурсам — земельным, водным, биологическим и географическому положению дельты рек играют особую роль и имеют важнейшее экологическое и экономическое значение. Здесь богатейшие ресурсы пастбищных земель, пригодных для круглогодичного использования различными видами животных, водно-болотные угодья являются естественными нерестилищами для рыб и (Финлейсон, 1992; Водно-болотные., 2000). Однако, сельскохозяйственное использование дельты сопряжено с определенными трудностями. Причин этому несколько. На территории речной дельты очень сложный водный режим самой реки (с ее половодьями, паводками) и моря (с его приливами, нагонами, волнением), благодаря которому сама дельта очень изменчива, также как и ее гидрографическая сеть. И, наконец, эти переходные от реки к морю природные объекты обладают большой экологической уязвимостью (Михайлов, 1986).

Интерес к проблемам волжской дельты возник не случайно. «Пойма реки Волга представляет большой научный интерес, поскольку, исследуя ее развитие, режим, почвообразование, можно представить себе былой режим ныне остепненных древних великих аллювиальных равнин» (В.А.Ковда, 1947, С.195). Территория волжской дельты является одной из самых крупных галоморфных провинций в мире. Вся история развития и функционирования экосистемы дельты Волги неразрывно связана с трансгрессиями и регрессиями уровня Каспийского моря. Резкая смена гидрологического режима незамедлительно вызывает динамические изменения в почвенно-растительном покрове региона.

Есть два основных аспекта экологической оченки почв (Добровольский, Никитин, 1986; Зайдельман, 1993): почва является «зеракалом ландша-та» (Полынов, 1957) и почва — непременный элемент биосферы (Вернадский. 1967). В сложной дельтовой экосистеме почва является одним из важнейших компонентов функционирования биоценозов, в том числе водно-болотных нерестовых угодий. Под влиянием постоянно меняющегося гидрологического режима трансформируются многие почвенные свойства, в том числе и физические. Физическое состояние корнеобитаемого слоя определяет основные экологические факторы функционирования дельтовых биоценозов и трансформации физических свойств почвы незамедлительно сказываются на структуре и продуктивности травостоя, что приводит к перестройке всей экосистемы в целом.

Естественная эволюция почв неразрывно связана с эволюцией ландшафта т. е. с изменением экологических условий, в равновесии с которым почва находится на определенном этапе педогенеза. Изменение факторов 5 природной среды неизбежно приводит к изменению тех или иных свойств почвенного тела. Однако, многие процессы, выделяемые на уровне элементарных почвенных процессов (ЭПП) достаточно длительны и их всесторонняя оценка для определения дальнейших путей эволюции проблематична. Самыми устойчивыми и наиболее важными с точки зрения экологии свойствами почв являются плотность, порозность, гранулометрический состав, влажность, влагоемкость, водопроницаемость. Огромная экологическая роль отводится процессам влагои солепереноса, основные параметры которого напрямую зависят от перечисленных выше физических свойств.

Актуальность исследования. Российская наука обладает определенным приоритетом в исследовании дельтовых территорий. Разносторонне изучены дельты многих рек — Терека, Сулака, Кубани, Дона, Невы и др. (Самойлов, 1952; Егоров, 1956; Михайлов и др., 1986; Коротаев, 1992; Залибеков, 1987, 1993, 2004; Михайлов, 1997; Куст, 1992, 1997; Стасюк, 2004). Изучением бассейнов рек аридных регионов занимались в свое время H.A. Димо (1913) и П. А. Летунов (1958). Выстраивается научно обоснованная теория закономерностей формирования дельт разного типа. Но реакция дельтовых территорий на естественные и антропогенные изменения стока рек и уровня морей, глобальная роль самих дельт остаются недостаточно ясными.

В настоящее время имеется достаточное количество публикаций, посвященных вопросам биопродуктивности и структуры растительного покрова дельтовых биоценозов при меняющихся климатических и гидрологических условиях. Исследования по состоянию и режимам почвенного покрова, и особенно его физическим свойствам, практически отсутствуют. Между тем почвы, по существу, определяют биопродуктивность и являются центральным звеном круговорота, поставщиком химических элементов в растения и микроорганизмы. Любые изменения, происходящие в почвенном покрове, незамедлительно сказываются на состоянии и функционировании биоценозов.

В этом смысле почвенный покров аридных дельтовых пространств и особенно физические свойства почв в современных условиях остаются в какой-то степени «белым пятном». Детальные исследования почвенного покрова аридных дельтовых территорий, включающие оценку современного физического состояния почв и характеристику их пространственной вариабельности на настоящий момент практически отсутствуют. Однако экологическая роль физических свойств почвенного покрова в меняющихся почвенно-экологических условиях и возросшего антропогенного пресса является одной из самых значимых. Изучение физического состояния почв является частью агроэкологического мониторинга, актуальность которого отмечена в основах законодательства России о земле. Этой проблеме посвящено немало работ, так как проблема требует подробного изучения (Добровольский и др., 1983; Воронин, 1985; Воронин и др., 1990; Сапожников, Прохоров, 1992).

Изменения природной среды Северного Прикаспия, приведшие к значительным сдвигам в дельтовых экосистемах, обусловливают актуальность и необходимость детального обследования современного физического состояния почвенного покрова аридных дельтовых территорий. Основными критериями выбора объектов исследования явилось их распространение на территории дельты, различия в почвенно-климатических условиях и антропогенных нагрузках.

Цель и задачи исследования

Цель исследований — изучение физических и водных свойств основных типов почв дельтовых аридных территорий на примере дельты Волги, выявление закономерностей их пространственной вариабельности, как конкретного примера проявления общих законов пой-менно-дельтового почвообразования в аридных регионах.

Для достижения цели исследования решались следующие задачи:

1. изучение почвенного покрова типичных ландшафтов дельты Волги;

2. изучение и оценка современного физического состояния почв на характерных для волжской дельты ландшафтах, включающих различные геоморфологические объекты и типы почв, в комплексе с условиями их развития;

3. выявление факторов и своеобразия дифференциации почвенного покрова и физических свойств дельтовых ландшафтов в комплексе с растительными ассоциациями и структурой растительного покрова;

4. исследование закономерностей пространственной вариабельности физических свойств в почвенном покрове, почвах и горизонтах типичных ландшафтов волжской дельты;

5. изучение взаимосвязи физических свойств (водопроницаемости, электрического сопротивления, плотности, сопротивления пенетрации и влажности) почвы на буграх Бэра и их зависимости от глубины залегания солевого горизонта;

6. оценка экологической роли физических свойств почв в формировании структуры растительного покрова типичных бугровых ландшафтов дельты Волги;

7. анализ возможных путей эволюции аридных дельтовых территорий при изменении почвенно-климатических условий (резкая смена водного режима, переувлажнение, остепнение).

Научная новизна. Впервые проведена оценка почвенного покрова дельты Волги на основе комплексного изучения физических и водных свойств почв основных дельтовых ландшафтоввыявлены закономерности пространственной изменчивости физических свойств в пределах конкретного ландшафта в зависимости от геоморфологических и гидрологических условий. Впервые предложены подходы для установления границ переходов между почвенными разностями разной степени засоления и растительными ассоциациями на основе изменчивости физических и водных свойств почвыдана оценка экологической роли физических свойств почв на фоне специфических почвенно-климатических условий регионапредложен комплексный подход для изучения почвенного покрова с учетом соответствующих растительных ассоциаций, предполагающий использование траншейного и про8 фильного методов. Впервые для аридных дельтовых территорий выявлены закономерности пространственной вариабельности физических свойств в почвенном покрове, почвах и горизонтах, что позволяет оценить современный этап эволюции и предсказать дальнейшие пути трансформации почвен-но-растительного покрова при смене почвенно-климатических условий. Впервые показано, что пространственная изменчивость почвенно-физических свойств меняется в зависимости от гидрологии и паводкового режима дельтовых районов, что является основой для оценки и прогноза природного разнообразия.

Совместные исследования почвенно-генетических особенностей комплекса «бурые пустынные почвы — засоленные бурые пустынные — солончаки» и физических свойств (плотность, влажность, водопроницаемость, сопротивление пенетрации, электропроводности почв и почвенных паст) впервые позволили выделить характерные особенности формирования указанного комплекса почв в специфических дельтовых ландшафтах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Структура почвенного покрова и особенности морфологического строения почв основных ландшафтов дельты Волги.

2. Современное физическое состояние и закономерности пространственной вариабельности физических свойств почв в почвенном покрове, почвах и почвенных горизонтах типичных ландшафтов дельты Волги.

3. Оценка экологической роли физических свойств почвы, определяющих состояние почвенного покрова и условия функционирования дельтовых биоценозов.

4. Возможные пути эволюции почвенного покрова типичных дельтовых ландшафтов при изменении гидрологического режима в зависимости от уровня Каспийского моря.

Практическая значимость. Проведенные исследования позволили оценить физическое состояние и предсказать агрохозяйственный потенциал всей территории волжской дельты. Результаты работы могут быть использованы при оценке почвенного покрова Астраханской области, проведении агротехнических и мелиоративных мероприятий, при интенсификации сельскохозяйственного производства (орошение, дренирование и пр.), т. е. при научно-обоснованном управлении природными ресурсами Астраханской области. В рамках программ UNESCO (2003;2004, 2005;2006 гг.) основные результаты диссертационного исследования использованы при оценке степени влияния зарегулирования стока реки Волги на пойменные и дельтовые экосистемы. Настоящая работа поддержана грантами РФФИ №№ 03−04−48 246а, 06−04−48 297 и Рособразования № 414.1.1.05. Основные положения диссертации послужили основой для двух монографий. Результаты исследования используются при чтении лекционных курсов по дисциплинам «Почвы Астраханской области», «Физика почв», «Агроэкологическая оценка почв», «Поч-венно-экологический мониторинг» и ряду других для студентов биологического и аграрного факультетов Астраханского государственного университета.

Личный вклад автора. Диссертационная работа основана на свежем экспериментальном полевом и лабораторном материале и анализе литературных данных. Все полевые исследования проводились при непосредственном участии автора. Лабораторные исследования физических свойств почв и обработка результатов проведены непосредственно автором в лабораториях Астраханского государственного университета и кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова.

Апробация. Основные результаты диссертационного исследования доложены на международных конференциях по проблемам Волжского региона и Северного Прикаспия (Астрахань, 2002, 2003, 2005) — стран Каспийского бассейна (Иран, 2003) — «Россия и Восток» (Астрахань, 2005) — «Проблемы сохранения и рационального использования биоразнообразия Прикаспия и сопредельных регионов» (Элиста, 2005) — «Мониторинг экосистем» (Италия, 2003, 2005) — «The Science: theory and practice» (Praha, Czechia, 2005) — международном экологическом форуме «Сохраним планету Земля» (Санкт.

Петербург, 2004) — IV съезде Докучаевского общества почвоведов, (Новосибирск, 2004) — XII, XIII школах «Экология и почвы», (Пущино, 2003, 2005) — Всероссийских научных конференциях «Роль почвы в формировании естественных и антропогенных ландшафтов» (Казань, 2003) — «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации», (Москва, 2003) — «Биосферные функции почвенного покрова», (Пущино, 2005) — «Экология речных бассейнов», (Владимир, 2005) — «Почвоведение и агрохимия в XXI веке» (СПб, 2006) — научной сессии по фундаментальному почвоведению (Москва, 2004) и др.

В целом диссертация доложена на расширенном научном семинаре кафедр ботаники, почвоведения и экологии Астраханского государственного университета (Астрахань, 2006).

Публикации. Всего автором опубликовано 75 работ из них по теме диссертации — 45, в том числе 2 монографии (одна в соавторстве), 10 статей в центральных журналах и 33 публикации в виде материалов и тезисов докладов международных и всероссийских конференций.

Структура работы. Диссертация изложена на 252 страницах текста, содержит 74 рисунка, 15 таблиц и список используемой литературы, включающий 377 источников на русском и иностранных языках. Состоит из введения, 7 глав, выводов и приложения.

выводы.

1. Профильно-ландшафтный метод (проанализировано 4 геоморфологические трансекты, общей длиной более 2 км) позволяет подробно изучать почвенный и растительный покров, закономерности и особенности пространственного распределения почв и растительных ассоциаций дельтовых аридных территорий.

2. Метод коротких траншей (длиной около 6 м) позволяет морфологически диагностировать закономерности смены почвенных горизонтов, пространственное положение солевого горизонта, количественно анализировать достоверность различий физических свойств (влажность, плотность, НВ, коэффициент водопроницаемости, сопротивление пенетрации, УЭС и др.) и пространственную вариабельность их величин внутри горизонтов, между горизонтами и на разных геоморфологических элементах.

3. Почвенный покров типичных ландшафтов дельты Волги имеет комплексную структуру и представляет собой закономерную смену почв. Установлено, что почвенный покров территорий, где потерян паводковый режим (ЗПИ), характеризуется более резкими и ясными переходами между различными почвенными разностями, чем территории, ежегодно подвергающиеся затоплению паводковыми водами (восточная и центральная часть дельты Волги).

4. Сочетание почвенно-климатических, геоморфологических условий и водного режима обуславливает различные свойства почв. Основу почвенного покрова бугров Бэра составляют зональные бурые полупустынные почвы. В околобугровом пространстве распространены луговые солончаки, в межбугровых понижениях — торфяно-болотные почвы. Прибрежные пространства соленых озер в районе ЗПИ представлены соровыми солончаками. В равнинной части дельты локализованы луговые аллювиальные почвы разной степени засоления.

5. Распределение растительных сообществ связано с комплексной структурой почвенного покрова. Выявлены различия в почвенном покрове и физических свойствах почв в типичных дельтовых ландшафтах под различными растительными сообществами, что обусловлено условиями их развития. Для вершины и склонов бугра характерна растительность, приуроченная к засушливым местообитаниям полупустынной зонына гидроморфных луговых солончаках локализованных в околобугровом пространстве распространены солевыносливые виды, а в межбугровых понижениях с локализацией торфяно-болотных почв преобладают мезофильные виды растений.

6. Исследование геоморфологических трансект показало, что в пределах конкретного ландшафта физические и водные свойства сильно варьируют в почвенном покрове, почвах и отдельных горизонтах. По непараметрическому критерию почвенные типы, представленные в основных дельтовых ландшафтах, достоверно отличаются друг от друга. Физическими свойствами, наилучшим образом различающими почвенные типы и горизонты между собой, а также внутригоризонтные изменения, являются влажность, Кводопр, УЭС и плотность, в меньшей степени НВ и Рреп.

7. Степень увлажнения и солевое состояние почвы зависит от положения конкретного участка в рельефе, гидрологического режима территории и водных свойств почвы. При понижении положения в рельефе влажность возрастает, достигая своего максимума в самых низких точках межбугровых понижений. Величины плотности при переходе от почв зонального ряда к ин-тразональным уменьшаются. На фильтрационные свойства почвы значительное влияние оказывает развитие дернового процесса.

8. Траншейные исследования на различных геоморфологических элементах (вершины и подошва бугра) показали высокую вариабельность физических свойств почвы. Показано, что именно солевые горизонты, их расположение и мощность определяют функционирование представленного комплекса почв. Солевые горизонты на вершине и подошве бугра достоверно различаются по влажности и КВОдоир. Солевой горизонт на исследованных.

223 глубинах, соответствующих верхней (40 см) и нижней (80 см) его части, достоверно отличается по плотности, а также по КВОДопр на вершине бугра и по влажности на подошве. Наименее чувствительными показателями являются УЭС и Рреп. Существует тесная односторонняя корреляционная зависимость УЭС и КВОдопр поверхностного слоя с глубиной залегания солевого горизонта. Резкое уменьшение величин УЭС и водопроницаемости поверхностного слоя аридных бурых почв свидетельствует о значительном приближении солевого горизонта к поверхности и началу ареала с более засоленными почвами.

9. При резкой смене почвенно-климатических условий и гидрологического режима (колебания уровня Каспия) возможны два пути эволюционного развития почв дельты Волги. В результате обводнения территории авто-морфные почвы вершин бугров вступают в солонцовую стадию, почвы межбугровых понижений подвергаются гидроморфным процессам, и часть луговых почв переходит в разряд торфяно-болотных. Почвы шлейфов бугров, ранее не затапливаемых, подвергаются олуговению. При потере паводкового режима и смене гидрологических условий в сторону осушения (остепнения) территории, например, при новом понижении уровня Каспия, приведет к обратному течению эволюции: значительная часть водоемов высыхает, образуются агрессивные соровые солончаки, почвы которых лишены растительностипресные водоемы зарастают болотной растительностью, в почвах прибережных территорий развиваются гидроморфные и анаэробные процессы, способствующие интенсивному заболачиванию территории, увеличиваются ареалы распространения солонцовых и солонцеватых разностей зональных бурых почв.