CC BY
18
УДК 502.313
А.Н. Бармин, М.В. Валов, М.М. Иолин
Астраханский государственный университет, m.v.valov@mail.ru
геохимические особенности миграции легкорастворимых солей в почвах лугов низкого уровня
дельты реки волги
По результатам мониторинга почвенного покрова на стационарном профиле в дельте реки Волги с 1979 по 2011 год проведен анализ миграции легкорастворимых солей в верхнем слое почв лугов низкого уровня. Рассчитана общая сумма солей, токсичность почвенного раствора; показана динамика содержания катионов и анионов водорастворимых солей; рассмотрены изменения объема водного стока в створе Волгоградской ГЭС, процентная доля стока за второй квартал от общегодового, динамика среднегодовой температуры воздуха.
Ключевые слова: дельта р. Волги; легкорастворимые соли; почвы.
Введение
Устьевые области рек представляют собой нижние звенья каскадных катенных систем, куда с речным стоком поступает большое количество взвешенных и растворенных веществ (Глазов-ская, 1988).
Почвы дельты Волги характеризуются природной обусловленностью к соленакоплению. Это связано с несколькими причинами: залеганием на засоленных морских отложениях Каспийского моря, близким расположением грунтовых вод, особенностями климата территории, в частности высокой степенью испаряемости, в несколько раз превышающей количество атмосферных осадков (Иолин, Бармин, 2003).
Особый интерес при геохимических исследованиях почв дельты Волги вызывают миграции легкорастворимых солей. Последствиями накопления водорастворимых солей в верхних почвенных горизонтах являются потеря почвами их естественного плодородия, понижение урожая, снижение качества сельскохозяйственной продукции, общее ухудшение качества земельного фонда. В связи с этим возникает необходимость проведения мониторинга за режимом засоления почв и химизмом солей (Валов, Бармин, Иолин, 2014).
Материалы и методы
В 1979 г. в дельте Волги, с целью осуществления наблюдения за состоянием почв, в районе п. Володарский лабораторией луговедения Астраханского государственного педагогического университета был заложен стационарный профиль. С помощью нивелира была установлена высота всех точек над меженью реки и их положение относительно рейки расположенного вблизи водомерного поста в с. Большой Могой. Начиная с 1979 г. на закрепленном реперами профиле периодически закладывались 496 площадок 2^2 м.
После геоботанического описания в центре описанной площадки закладывался квадрат 1^1 м, по углам и в центре которого брались пробы почв. Эти пробы смешивались и из общей массы отбирался средний образец. Отбор почвенных образцов на профиле проводился в слое 0-15 см. Анализ химического состава солей водной вытяжки осуществлялся в соответствии с ОСТ 46-52-76 в расчете на абсолютно сухую почву. При приготовлении водной вытяжки (с разбавлением 1:5) в лабораторных условиях в титруемый раствор переходит значительная доля солей, находившаяся в почве в естественном состоянии в твердой фазе. В результате водная вытяжка дает искаженные представления о составе и концентрации реального почвенного раствора, с которым контактирует корневая система растений, что затрудняет оценку физиологической активности почвенного солевого раствора. Поэтому характеристику засоления почвы, кроме данных о составе водной вытяжки, мы дополняем расчетом «суммарного эффекта токсичных ионов» в эквивалентах хлора (Т), вычисленного по алгоритму Н.И. Базилевич и Е.И. Панковой (1968), который для краткости мы называем «показателем токсичности почвенного раствора». Использование этого показателя в определенной мере снимает артефакты, возникающие за счет растворения в лабораторных условиях гипса и гидрокарбоната кальция в почвенных образцах. Кроме того, этот показатель учитывает неодинаковую для растений токсичность разных ионов.
Ввиду того что в 1996 и 2002 гг. учеты на профиле были продолжены только на 126 точках, детальный анализ динамики состава ионов в водной вытяжке проводится именно на этом количестве площадок. Методики проведения и результаты предыдущих мониторинговых исследований опубликованы в работах (Голуб, 1989; Голуб, Бармин,
11
10,8 О 10,6
10,4
10
9,8 9,6
1972-1981
1982-1991
1992-2001
Годы
(О ю О
Рис. 1. Динамика среднегодовой температуры воздуха по данным гидрометеорологической станции г. Астрахани по периодам
19*95; Голуб, Бармин, 1998; Бармин и др., 2010; Валов, Бармин, Иолин, 2014; Валов, Бармин, Ио-лин, 2015).
Результаты и их обсуждение
При исследовании лугов Волго-Ахтубинской поймы и дельты Волги И.А. Цацен-кин схематически разделил луга поймы на три уровня в экологическом смысле: высокого, среднего и низкого (Ца-ценкин, 1962). Представлен анализ динамики водорастворимых солей на лугах низкого уровня (интервал высот 1.2 м и ниже).
В гидроморфных почвах дельты Волги в условиях аридного климата некоторое влияние на переход легкорастворимых солей из минерализо-
140
3120
I 100
н
£ 80 I 60
о
и
8 40
8 20 0
Геохимическое значение этого явления определяется тем, что увеличение температур воздуха при малом количестве атмосферных осадков вызывает повышенный расход грунтовых вод на испарение, в результате чего происходит накопление различных солей в верхнем почвенном горизонте (Глазовская, 1988).
Некоторое рассоление почв может вызвать увеличение количества атмосферных осадков, но в целом сезонные дожди не в состоянии изменить процесс накопления водорастворимых солей в почвенных горизонтах. Гораздо большей силой, влияющей на снижение количества геохимически
2002-2011
1972-1981
1982-1991
Рис. 3. Средний объем водного стока в створе Волгоградской ГЭС за второй квартал по периодам, км3
ванных грунтовых вод непосредственно в почву оказывает рост среднегодовых температур (Валов, Бармин, Иолин, 2014). С 1979 г. и на всем последующем временном отрезке в дельте реки Волги наблюдается рост температуры воздуха (Сажин и др., 2003) (рис. 1).
1122-1136 1137-1154 1155-1161 1162-1171 1172-1181 1182-1111 1112-2001 2002-2011
Годы
Рис. 2. Средний объем водного стока в створе Волгоградской ГЭС по периодам, км3
активных элементов в почвах лугов низкого уровня, являются трансгрессии и регрессии Каспийского моря и характер весенне-летних половодий реки Волги (Валов, Бармин, Иолин, 2015).
Во время половодий ежегодно происходят процессы засоления/ рассоления в пойме и дельте в зависимости от высотного положения конкретного участка. На низких, длительно затапливаемых участках после половодий происходит рассоление почвы. На более высоких, незатаплива-емых или затапливаемых на небольшой срок, наоборот, после половодий количество солей в верхних горизонтах увеличивается. Эти различия связаны с неодинаковым соотношением выпотного и промывного процессов на лугах разных высотных уровней (Голуб, Бармин, 1995). В настоящее время объем годового стока реки Волги подвержен значительному влиянию антропогенных и в меньшей степени - природных
1992-2001
2002-2011
Годы
е ю,2
40
российский ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНОЙ ЭКОЛОГИИ
300 250 200 150 100 50 0
^ 00 №
000000000000 222222222222
Годы
ё Сумма солей, мг/экв Сумма осадков за вегетационный период, мм
■Объем водного стока за II квартал, км
10 8
Рис. 4. Динамика суммы водорастворимых солей лугов низкого уровня на фоне изменения объема водного стока р. Волги за II квартал
факторов. В результате работы гидроэлектростанций, расположенных на Волге, произошло значительное перераспределение стока по сезонам года. С окончанием заполнения в 19)61 году водохранилища Волжской гидроэлектростанции, расположенной в 4550 км выше вершины дельты Волги, гидрологический режим является полностью регулируемым (Георгиади и др., 2012). 13 период с естественным гидрологическим режим ом (до 19937 г.) объем среднегодового водного стока составлял
период, в весенне-летний период объем стока резко сократился по сравнению с 1922-1937 гг. В последний период анализа (2002-2011) объем среднегодового водного стока снизился до 247 км3.
Регулирование водного стока водохранилищами привело к изменению внутри-годового водного режима в устье Волги. Средний объем водного стока за второй квартал за период с ненарушенным режимом составлял 141 км3 (58% от го-
¡1
1 III N 86
1979 1980 1981
1990 1991
1995 Годы
1996
2002
2006
2011
1979 1980 1981
1990 1991
Рис. 5. Динамика токсичности почвенного раствора на лугах низкого уровня
до во го стока). На последующем временном отрезке наблюдается направленное снижение как объемов половодья, так и их доли от общегодового стока.
Объемы половодий несколько увеличились в связи с возросшим среднегодовым водным стоком с конца 1970-х до начала 2000-х гг. (рис. 3). В последний период наблюдений (с 2002 по 2011 г.) средний объем водного стока за второй квартал составил 98 км3 (40% от среднего годового стока) (Валов, Бармин, 2014). Сопоставление ионного (состава водных вытяжек за наблюдаемый период показало, что от 1981
1995 Годы
1996
2002
2006
2011
йСа2+ ^ШdЪAg2+ -.№+ -Полиномиальная -Полиномиальная (N8+)
Рис. 6. Динамика катионов в почвах лугов низкого уровня
260 км3 (рис. 2). С 1937 по 1961 г. в результате значительных расходов воды на заполнения водохранилищ произошло снижение объем а водного стока до 230 км3. Рассмотрение изменения гидрологического режима по десятилетиям выявило, что с конца 1970-х до начала 2000-х годов объемы среднегодового стока существенно увеличились, несколько превысив значения в естественный период.
Необходимо отметить, что основная масса увеличения объема водного стока пришлась на зимний
19792 1980 1981
1920 1991
1995 1996 Годы
2002
2006
2011
Хлор-ион
Полиномиальная (Хлор-ион)
' Сульфат-ион
-Полиномиальная (Сульфат-ион)
Рис. 7. Динамика анионов в почвах лугов низкого уровня
к 2002 г. на лугах низкого уровня шло направленное уменьшение суммы легкорастворимых солей, которое совпало с увеличением водного стока Волги (рис. 4). Но в 2006 и 2011 гг., в связи с очень малым и низким половодьем, количество солей возросло вновь (Бармин и др., 2012).
В 2006 году значение суммы солей приблизилось к значениям 1981 г., в 2011 г. произошло увеличение содержания общего количества солей по сравнению с 2002 годом в 2 раза, однако оно было меньшим, чем в 1979 г.
За счет уменьшения содержания иона хлора и натрия токсичность почвенного раствора продолжала падать во все годы наблюдений и уменьшилась в 5 раз от 1979 к 2002 году (рис. 5).
В связи с резким спадом объема водного стока за второй квартал в 2006 и в 2011 гг. токсичность почвенного раствора по сравнению с результатами 2002 г. возросла в 2 и 3 раза соответственно, но значения 1979 г. превышены не были. В 2011 г. по сравнению с 1979 г. токсичность почвенного раствора сократилась в 1.8 раза.
Одной из главных почвенно-геохимических характеристик является состав почвенно-поглоща-ющего комплекса. К числу важнейших химических процессов, происходящих в почвах и определяющих их плодородие и возможность мелиорации, относятся миграции катионов и анионов.
В почвах аридных регионов среди обменных катионов преобладают Са2+, Mg2+ и соотношение которых в почвенно-поглощающем комплексе определяется содержанием и составом легкорастворимых солей (Глазовская, 1988).
Содержание в почвах катионов кальция последовательно снижалось от 1980 к 2002 г., за исключением 1996 г., когда количество ионов данного элемента возросло, вернувшись к значениям 1979 г. (рис. 6). С 2002 г. наблюдается увеличение катионов кальция, максимум его содержания отмечен в последний год исследований (2011 г.). Похожим образом происходила миграция катионов магния. Содержание ионов натрия в почвах лугов низкого уровня резко снижалось с начала наблюдений (1979) до 1996 г., когда отмечено минимальное содержание ионов данного элемента. От 1979 к 1996 г. количество ионов натрия сократилось в 7 раз. В последующие годы исследований (2002, 2006, 2011) содержание катионов натрия последовательно возрастало. Содержание натрия в 2011 г. по сравнению с 1979 г. снизилось в 1.5 раза.
Анион хлора характеризуется весьма высокой степенью подвижности в почвенном профиле. В почвах лугов низкого уровня дельты реки Волги отмечено значительное снижение содержания
ионов хлора на всем протяжении исследований (рис. 7) (Голуб, Бармин, 1998).
От 1979 к 2002 г. количество анионов хлора уменьшилось в 8 раз. В связи с резким спадом объема водного стока за второй квартал в 2006 и 2011 гг. содержание ионов хлора по сравнению с результатами 2002 г. возросло в 2.6 и 4 раза соответственно. Сульфат-ион отличается меньшей подвижностью. Изменения содержания данного аниона происходило схожим образом с ионом хлора, но с более плавной амплитудой. Отношение С1-/ SО2-4 от 1979 к 2011 г. снизилось более чем в 2 раза.
Заключение
На основании проведенных исследований в дельте р. Волги установлена обратная зависимость между объемами весенне-летних половодий и содержанием водорастворимых солей в почвах лугов низкого уровня. При увеличении объема водного стока за второй квартал происходит уменьшение содержания токсичных ионов в верхнем слое почвы в интервалах высот 1.2 м и ниже, что связано с преобладанием промывного гидрологического режима над выпотным (Иолин, Бармин, 2003). В буферных зонах дельты Волги на лугах низкого уровня к настоящему времени тип засоления сменился с сульфатно-хлоридно-го на менее токсичный - сульфатный, что является благоприятным изменением и в явном виде отражается на составе растительных сообществ (Голуб и др., 2013). Однако сокращение объемов водного стока за второй квартал в период с 2002 года и по настоящее время привели к обратной тенденции. Столь негативные для дельты реки Волги результаты указывают на необходимость корректировки режима работы Волгоградской ГЭС и приближения режима прохождения вод к естественному периоду.
Список литературы
1. Базилевич Н.И., Панкова Е.И. Опыт классификации почв по засолению // Почвоведение. 1968. № 11. С. 3-15.
2. Бармин А.Н., Иолин М.М., Колчин Е.А., Шуваев Н.С., Неталиев М.Ж., Бармина Е.А., Мамедов М.Ю. Экологические характеристики почвенно-растительного покрова дельты р. Волги. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2012620598 от 20.06.2012.
3. Бармин А.Н., Иолин М.М., Шарова И.С., Старичкова К.А., Сорокин А.Н., Николайчук Л.Ф., Голуб В.Б. Использование шкал Раменского и DCA-ординации для индикации изменений условий среды в Волго-Ахтубинской пойме // Известия Самарского научного центра РАН. 2010. Т. 12. № 1. С. 54-57.
4. Валов М.В., Бармин А.Н., Иолин М.М. Изменение солевого состава почв в дельте реки Волги на лугах высокого уровня // Биоэкологическое краеведение: мировые, российские и региональные проблемы / Матер. 3-й Всеросс. науч-но-практ. конфер. с междунар. участием. Самара: ПГСГА, 2014. С. 61-67.
42
российский ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНОЙ ЭКОЛОГИИ
5. Валов М.В., Бармин А.Н. Современные тенденции изменения гидрологических условий в дельте реки Волги // Региональные проблемы водопользования в изменяющихся климатических условиях / Матер. научных докладов участников междунар. научно-практ. конфер. Уфа: Аэтерна, 2014. С. 96-99.
6. Георгиади А.Г., Коронкевич Н.И., Кашутина Е.А., Ба-рабанова Е.А., Зайцева И.С., Долгов С.В. О соотношении природно-климатических и антропогенных факторов в многолетних изменениях речного стока // Вода и водные ресурсы: Системообразующие функции в природе и экономике / Сб. научных трудов. Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ). 2012. С. 41-47.
7. Глазовская М. А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. М.: Высшая школа, 1988. 324 с.
8. Голуб В.Б. Опыт использования прямого градиентного анализа растительности для оценки алгоритмов расчета физиологической активности почвенного раствора // Биол. науки. 1989. № 2. С. 90-96.
9. Голуб В.Б., Бармин А.Н. Некоторые аспекты динамики почвенно-растительного покрова дельты р. Волги // Экология. 1995. № 2. С. 156-159.
10. Голуб В.Б., Бармин А.Н. Дополнительные итоги многолетних наблюдений на стационарном профиле в дельте р. Волги // Экологические проблемы бассейнов крупных рек-2. Тольятти: ИЭВБ РАН, 1998. С. 56-59.
11. Голуб В.Б., Старичкова К.А., Бармин А.Н., Иолин М.М., Сорокин А.Н., Николайчук Л.Ф. Оценка динамики растительности в дельте реки Волги // Аридные экосистемы. 2013. Т. 19. № 3(56). С. 58-68.
12. Иолин М.М., Бармин А.Н. Современные тенденции динамики водорастворимых солей в почвах дельты р. Волги // южнороссийский вестник геологии, географии и глобальной энергии. 2003. № 1. С. 83-87.
13. Сажин А.Н., Мирошниченко Ю.М., Козина О.В., Петров С.А., Погосян Н.В. Современные изменения климата и зональные агроэкологические проблемы в сухой степи Нижнего Поволжья // Степи Северной Евразии / Матер. III Междунар. симпозиума. 2003. С. 440-442.
14. Цаценкин И.А. Растительность и естественные кормовые ресурсы Волго-Ахтубинской поймы и дельты р. Волги // Природа и сельское хозяйство Волго-Ахтубинской поймы и дельты р. Волги. М.: Изд-во МГУ, 1962. С. 118-192.
A.N. Barmin, M.V. Valov, M.M. Iolin. Geochemical features readily soluble salts migration in the meadows low soils of Volga delta
The analysis of migration of readily soluble salts in the upper layer of meadows low was made according to the results of monitoring of soil cover on the stationary profile in the delta of the Volga River from 1979 to 2011. The total amount of salts, the toxicity of the soil solution was calculated. The evolution of the content of cations and anions of water-soluble salts was shown. The changes in the volume of water flow in the alignment of the Volgograd hydroelectric power, the percentage of flow for the second quarter of the total annual dynamics of mean annual air temperature are considered in this article.
Keywords: Volga Delta; readily soluble salts; soil.
