Педогеохимическая индикация особенностей устойчивого функционирования приволжской оросительной системы (Саратовская область) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2011, том 17, № 2 (47), с. 5-17

-СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —————

УДК 631.4:631.6

ПЕДОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРИВОЛЖСКОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ (САРАТОВСКАЯ ОБЛАСТЬ)

© 2011 г. Г.С. Куст*, С.Ю Розов**, Г.В. Стома**, П.В. Андреев**

*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

Институт экологического почвоведения **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

факультет почвоведения Россия, 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ. E-mail: [email protected]

Дана характеристика почвенного покрова и ландшафтно-геохимических особенностей Приволжской оросительной системы (Саратовское Заволжье). Отмечено устойчивое функционирование оросительной системы в условиях отсутствия искусственного дренажа, обусловленное спецификой геоморфологического строения территории в пределах бывших пойменно-дельтовых ландшафтов пра-Волги и ее притоков. Высказан ряд предположений о роли палеоландшафтных особенностей строения территории в перераспределении почвенно-грунтового стока с орошаемых земель, в частности, предположение о наличии под новейшими отложениями днищ древних лиманов и лагун, сложенных морскими глинами и выполняющих функции промежуточных естественных коллекторов дренажного стока. Описан феномен «красного пятна» на мультиспектральных цветосинтезированных космических снимках каналов Ландсат 7:3-5-7, предположительно связанный с дополнительным увлажнением почв в зоне подповерхностной латеральной миграции фильтратов оросительных вод.

Ключевые слова: педогеохимическая индикация, устойчивое землепользование, орошаемые черноземы.

Введение

В литературе последних 20-30 лет о воздействии орошения на черноземы в основном указывается на неблагоприятные последствия, приводящие к засолению, осолонцеванию, деградации структурных свойств гумусовых горизонтов и др. В итоге эти процессы приводят к деградации почв орошаемых массивов, их последующему забрасыванию и списыванию (Орошаемые черноземы, 1989). Вместе с тем, объект настоящих исследований функционирует в режиме орошения разной интенсивности уже более 35 лет, а в последнее время - даже с расширением орошаемых площадей после их забрасывания по экономическим причинам в 1990-е гг. Несмотря на то, что в данной местности в почвенном покрове встречаются солончаки и солонцы, а оросительная система не имеет искусственной дренажной сети, устойчивого вторичного засоления и осолонцевания почв на орошаемых участках по данным гидромелиоративного мониторинга не отмечается, хотя локально признаки засоления отмечаются даже в гумусовых горизонтах почв. Педогеохимическая индикация особенностей и причин устойчивого функционирования таких «успешных» сельскохозяйственных ландшафтов представляет особый интерес с позиций устойчивого землепользования на юге России.

Объекты и методы

Объект данного исследования - Приволжская оросительная система (ПрОС) и прилегающие территории (общая площадь - около 30000 га). В широком смысле территория ПрОС расположена в пределах водораздельных пространств между долинами рек Волга -Большой Иргиз - Еруслан и занимает переходное положение от черноземной степи к сухой. Основная часть ПрОС находится в междуречье малых рек Большой и Малый Караман. Орошение производится дождеванием преимущественно с использованием установок циркулярного типа «Фрегат».

Рельеф рассматриваемого участка сформирован в результате активной аккумулятивно-эрозионной деятельности р. Волги и ее притоков в неоген-четвертичное время. В долине р. Волги здесь выделяется современная пойма и пять надпойменных террас. Изучаемый участок захватывает четыре из них: первая - верхнехвалынская, вторая - среднехвалынская, третья - раннехвалынская, четвертая - хазарская терраса.

Кроме среднехвалынской террасы, которая прослеживается полосой от 0.5 до 4 км вдоль долины р. Малый Караман, а также в верховьях р. Большой Караман, почвообразующие породы представлены в основном аллювиальными супесями и суглинками с характерным переслаиванием и пространственной неоднородностью, свойственной пойменным и дельтовым отложениям. Среднехвалынские отложения - морские по генезису. В них преобладают тяжелые породы, глины, тяжелые и средние суглинки (Гроздова, Савельев, 1974).

Полевые исследования почвенного покрова проводились в 2009-2010 гг. Была заложена серия почвенно-геоморфологических профилей (катен), секущих основные элементы ландшафтов исследуемой территории, описаны морфологические свойства почв, отобраны образцы для проведения анализов в полевой лаборатории. Проведено выборочное крупномасштабное (1:10 000) почвенное картографирование ключевых участков с максимальным разнообразием почв для выбора индикаторов изменений почв.

Всего было заложено 8 профилей таким образом, чтобы выбранные точки опробывания представляли основные элементы мезорельефа исследуемой территории, а профили пересекали склоны к основным балкам и местным водотокам от местных водоразделов.

В полевой лаборатории определяли степень засоления почв на глубине 100 и 200 см по величине электропроводности почвенной пасты с соотношением твердой и жидкой фаз 1:1 (Soil Survey Staff, 1993), а также величину рН почвенной пасты.

На исследуемой территории описаны следующие почвы:

- черноземы южные, среднепахотные, среднемелкие, маломощные и среднемощные, карбонатные, высококарбонатные и среднекарбонатные, легкосуглинистые, реже средне- и тяжелосуглинистые или на двучленных отложениях (супесь/суглинок) на хвалынских отложениях или лессовидных суглинках, пахотные орошаемые, в том числе слабо-, средне- и сильносолонцеватые, слабосмытые, среднесмытые и сильносмытые, а также глубокозасоленные; в некоторых вариантах исследованных почв отмечаются признаки современного поверхностного (в связи с орошением) или остаточного (вне массивов современного орошения) олуговения, а также - признаки современного сезонного засоления (в нитчатой и плесневой формах) капилляров верхних частей пахотных горизонтов;

- черноземы обыкновенные, отличающиеся пониженным уровнем вскипания карбонатов, отсутствием признаков солонцеватости; встречаются на исследованной территории редко;

- темно-каштановые, как правило, - слабо-, средне или сильносолонцеватые почвы с меньшей мощностью гумусовых горизонтов, более высоким уровнем проявления карбонатных новообразований, образованные на тех же породах и используемые в пахотном земледелии (чаще без орошения); встречаются на исследованной территории гораздо реже, чем южные черноземы, и приурочены, как правило, к бровкам блюдцеобразных понижений, перепадам склонов к местным ложбинам;

- черноземно-луговые, как правило, - мощные, солонцеватые и/или солончаковатые почвы, отмечены авторами в периферийных «поясах» пересохших озерных понижений в местах, близких к путям поверхностного и грунтового стока (боковой фильтрации) оросительных вод (в аналогичных позициях, но вне орошаемых территорий, как правило, встречаются солонцы или сильносолонцеватые луговые почвы);

- солонцы гидроморфные и полугидроморфные каштановые корковые и мелкие, ореховатые и ореховато-столбчатые; солонцы обычно приурочены к краевым частям крупных балочных понижений и ложбин, обычно - в местах выклинивания грунтовых вод близ местных водотоков или обсохших озерных понижений;

- солончаки гидроморфные, как правило, - глубокопрофильные, луговые, пухлые, корковые, отакыренные, выцветные на различных (как правило, озерно-аллювиальных) отложениях, средне- и тяжелосуглинистые; приурочены к слабоотточным обширным депрессиям. Для дальнейшего понимания излагаемого материала очень важно отметить, что солонцеватые почвы и солонцы не образуют сплошного пояса вдоль краевых частей крупных балок или вдоль склонов, а встречаются эпизодически, на первый взгляд, бессистемно и хаотически.

Результаты и обсуждение

Некоторые результаты химического лабораторного анализа почв полевыми методами представлены на графиках (рис. 1).

Расположение точек обследования на графиках (черные ромбы) представлено в масштабе согласно расстоянию между точками и высоте над уровнем моря - таким образом, чтобы можно было проследить соответствие изменений почвенных свойств геоморфологическому положению точки обследования. Среди почвенных свойств (для удобства визуализации представленных в приведенных единицах) оценивали: верхнюю границу залегания почвенных карбонатов по вскипанию от 10% НС1 (дм); степень засоления почв на глубине 100 и 200 см по величине электропроводности почвенной пасты (ё8ш*10); степень солонцеватости, установленную экспертным путем по морфологическим признакам (по 5-балльной шкале с убыванием степени солонцеватости в последовательности: солонец -сильносолонцеватая - среднесолонцеватая - слабосолонцеватая - без признаков солонцеватости); максимальную в почвенном разрезе величину рН почвенных паст (максимум рН *10).

Как можно заметить из представленных графиков, максимальные гипсометрические отметки местных водоразделов на исследуемой территории составляют около 70 м над уровнем моря (н.у.м.), а минимальные - около 25 м н.у.м. При этом на перепадах высот 40-50 и 25-30 м отмечается соответственно выраженный и слабовыраженный уступ (соответственно от хазарской к раннехвалынской и от раннехвалынской к среднехвалынской террасам). Именно к первому уступу приурочено распространение на исследуемой территории слабосолонцеватых черноземов, а ко второму - средне- и сильносолонцеватых почв.

100 • 80 ■ 60 ■ 40 ■ 20 • 0

-20 ■

1000

Расстояние, м

2000 3000

4000 0 100

2000

80 60 40 20 ■о- 0

Расстояние, м 4000 6000 8000

10000

12000

0

б

а

Расстояние, м Расстояние, м

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

в г

Рис. 1. Изменение почвенных свойств по геоморфологическим профилям. 1 - вскипание, см/10; 2 -EC*10 dS/m, 100 см; 3 - EC*10 dS/m, 200 см; 4 - солонцеватость, усл.ед.; 5 - max pH*10; 6 -высота, м. Fig. 1. Changes in soil properties along studied géomorphologie profiles (horizontal axis -distance in meters, vertical axis - relative seale for different soil properties). 1 - CaCo3 depth, cm/10; 2 -EC*10 dS/m, 100 см; 3 - EC*10 dS/m, 200 см; 4 - sodieity, eonv. units; 5 - max pH*10; 6 - height, m.

Для слабосолонцеватых черноземов характерен рост максимальных значений рН в профиле до 8.4, что находится на крайнем пределе равновесной щелочности от карбонатов кальция, а для средне-, и тем более - сильносолонцеватых почв наблюдаемые значения рН составляют 8.5-8.9, что предполагает присутствие в составе легкорастворимых солей соды, а в составе почвенного поглощающего комплекса - относительно высоких количеств обменного натрия и/или магния.

На основании данных по электропроводности, почвы, формирующиеся на относительно высоких гипсометрических уровнях (преимущественно хазарской и раннехвалынской террасах), можно охарактеризовать как незасоленные, а на уровнях ниже 30 м н.у.м. (в нижней части среднехвалынской террасы) - как слабо- и даже среднезасоленные в нижних горизонтах. И хотя относительно высоких значений электропроводности в пределах почвенных профилей не отмечено, риск периодического капиллярного засоления и осолонцевания корнеобитаемой толщи, особенно в засушливый период, остается высоким. На это указывают морфологические проявления признаков современного сезонного засоления (в нитчатой и плесневой формах) капилляров и ходов корней верхних частей

пахотных горизонтов черноземов в орошаемой зоне, особенно - по периферии цирков орошения или на залежных или временно исключенных из орошения полях, а также появление мезогалофитов и олигогалофитов среди сорной растительности и на залежах (кермеки, тамарикс, бескильница и др.).

Характер и интенсивность карбонатной пропитки и новообразований солей в исследованных почвах проявляется на исследуемой территории классическим образом: на повышенных элементах мезорельефа (местных водоразделах и верхних частях склонов) уровень вскипания от карбонатов находится на глубине около 50-70 см (если только нет нарушений эрозионного или антропогенного характера). При этом весь профиль почвы и почвообразующая порода в целом свободны от легкорастворимых солей, что указывает на доминирующий многолетний тренд рассоления в этих ландшафтных позициях. В подчиненных и транзитных позициях при том же общем тренде педогеохимическая ситуация существенно отлична: при относительном высоком уровне залегания засоленных пород вскипание почвы от 10% HCl наблюдается практически с поверхности или на небольшой глубине (если только исследуемый разрез не находится в локальном микропонижении с промытыми луговыми почвами). Такой характер распределения указывает либо на относительно недавнее (в геологическом масштабе времени) начало процесса рассоления данных почв, либо, что вероятнее, на наличие постоянного внутрипочвенного или грунтового притока растворов, содержащих легкорастворимые соли, в нижние почвенные горизонты. По мнению авторов, указанные особенности могут объясняться тем, что орошение этой территории интенсифицировало скорость и степень рассоления почв и пород на автономных позициях рельефа и одновременно затормозило, а в некоторых случаях обратило вспять, процесс рассоления почв подчиненных элементов рельефа. В транзитных же ландшафтных позициях (на склонах, которые занимают наибольшую площадь исследуемой территории) возможны проявления обоих направлений трансформации почв. Об этом стоит поговорить особо.

По предположениям авторов, значительная часть потока фильтрующихся оросительных вод и осадков на данной территории не направлена вертикально до УГВ, залегающих на грунтовом водоупоре, а формирует латеральный внутрипочвенный сток по горизонтам морских отложений среднехвалынского возраста и чаще - по внутрипочвенным водоупорам, служащим причиной образования временных верховодок. В качестве последних в разных случаях служат либо иллювиальные солонцеватые и солонцовые горизонты, в том числе и остаточные (в верхней части профиля), либо слои карбонатной пропитки и цементации (в средней и нижней частях профиля), либо ложе древних местных водотоков, балок и оврагов, перекрытых впоследствии естественными эоловыми наносами или делювием или же в результате планировки территории полей при строительстве оросительной системы.

Эти предположения основываются на следующих наблюдениях.

1. На орошаемых участках почв, дифференцированных по плотности и текстурному сложению (солонцеватых и карбонатно-пропитанных), влажность рыхлых верхних горизонтов, как правило, на 5-10% выше, чем нижних. Иногда эта разница заметна морфологически по цвету. На неорошаемых участках такой разницы не наблюдается, однако вблизи цирков орошения в почвах отмечаются переувлажненные срединные горизонты.

2. На периферии орошаемых полей и массивов разница в плотности верхних рыхлых и нижних (солонцеватых и/или карбонатных) горизонтов почв, приуроченных к склоновым позициям, зачастую велика и составляет не менее 0.2-0.4 г/см3.

3. Отмечалось появление в подчиненных элементах рельефа разливов фильтрующихся вод на 3-5-й день после проведения орошения на отдаленных на несколько километров

массивах, расположенных на автономных позициях рельефа. При этом заметных поверхностных водотоков не зафиксировано.

4. В ряде случаев на фоне ровной поверхности хорошо заметны маркированные особенностями распространения сорной растительности участки подземных «русел» на неорошаемых полях (предположительно вдоль древних местных водотоков), сопряженных с орошаемыми массивами (рис. 2а).

Рис. 2. Признаки проявления «палеорусловых» и «палеоэрозионных» эффектов в ландшафте при отсутствии заметных перепадов высот на местности: «потоки» сорной растительности вдоль подземных «русел» без изменения рельефа (а); «русловые» эффекты на космических снимках (б). Fig. 2. «Streams-like» strips marked by weeds growing along ground waters "beds" in flat areas (а); «Channel-like»" effects on the space images of flat area (б).

5. Яркие проявления «русловых» и «древнеэрозионных» эффектов на космических снимках при отсутствии заметных перепадов высот на местности (рис. 2б). Многие из этих «русел» тяготеют, а в ряде случаев выклиниваются, в действующие местные водосборные объекты (балочного и озерного типа).

Такие потоки могут носить как направленный (для древнеэрозионной сети), так и «блуждающий» характер, что обычно характерно для дельтовых и поемных территорий. Эта палеогидроморфная «матрица» почвенно-грунтового сложения, по-видимому, сохраняется и в настоящее время, оказывая влияние на характер перераспределения почвенно-грунтового стока. Возможно, что описываемая территория в хвалынское время была геоморфологическим аналогом современной поймы Волги с ее блуждающими протоками и старицами, которые впоследствии были расчленены современной денудационной сетью и перекрыты новыми отложениями, но сохранили ландшафтный рисунок, видимый на дистанционных материалах.

Делая предположение о наличии достаточно интенсивного латерального внутрипочвенного стока, авторы, тем не менее, не считают, что он проявляется повсеместно. Наоборот, авторы предполагают существование под поверхностью современного «почвенного плаща» системы, хотя и весьма разветвленной, внутрипочвенных и грунтовых «дрен», однако в значительной степени локализованных. Именно благодаря им, по мнению

авторов, и последующей их разгрузке в естественные балки и подземные лиманы, исследуемая оросительная система, не имеющая искусственного дренажа, за многие годы своего функционирования не пришла в упадок из-за катастрофического подъема УГВ и обязательного в таких случаях вторичного засоления и осолонцевания. Вместе с тем, опять же благодаря локализации, на склоновых территориях местами (хаотически, на первый взгляд) отмечаются «случайные» проявления засоленных и солонцеватых почв, которые, по мнению авторов, как раз и приурочены к местам активного внутрипочвенного стока и геохимической разгрузки интенсивно рассоляющихся при орошении вышерасположенных автоморфных почв. Поэтому доля солонцеватых и капиллярно-поверхностно-засоленных почв на ровных склонах крайне мала, а вероятность попадания на пятна таких почв при использовании методов случайного заложения точек опробывания низка. Планировка поверхности при создании оросительной системы и последующие распашка, орошение и посевы культур маскируют эту неоднородность, складывающуюся по «палеоматрице» древней поймы и/или эрозионной сети, однако при натурных наблюдениях на залежах и, отчасти, камеральных исследованиях дистанционных материалов, подобранных в определенных спектрах, эта особенность почвенного покрова и гидролого-геохимического стока территории хорошо заметна.

С другой стороны, наличием латеральной внутрипочвенной миграции солей, выщелачиваемых из автономных ландшафтов, хорошо объясняется более частая встречаемость солонцеватых почв на более крутых склонах (участках с более резкими перепадами высот). По всей видимости, на таких участках следует ожидать одновременно постоянного притока легкорастворимых солей, в том числе и с содержанием натрия, способствующих пептизации коллоидов и деградации почвенной структуры, и постоянного избытка влаги, хорошо дренирующейся и обеспечивающей регулярное периодическое рассоление почвенной толщи. Иначе говоря, в таких позициях рельефа можно ожидать пульсирующего режима малоконтрастных процессов засоления-рассоления, которые приводят к незначительному современному осолонцеванию. В местах «торможения» выноса (на выположенных участках у подножий склонов), несмотря на близкорасположенные естественные дрены в виде балок и оврагов, соли сильнее аккумулируются в подпочвенном слое, однако больший приток влаги с внутрипочвенным и поверхностным стоком приводит к формированию не солонцов и солонцеватых почв, а луговых черноземных почв со слабым (реже средним) засолением горизонтов почвообразующей породы.

Описанная выше ситуация складывается на территориях, расчлененных овражно-балочной сетью. Иначе обстоит дело вблизи палеопоемных озерных и старичных понижений. Специально для изучения этой ситуации авторами был заложен ключевой участок площадью 700 га размером 3.5 х 2 км, где было проведено детальное почвенное картографирование, результаты которого в последующем сопоставлялись с результатами наблюдений на близлежащих почвенно-геоморфологических профилях. Вся территория ключевого участка расположена на высотах 28-33 м н.у.м. Почвенный покров представлен в основном солончаками разных видов и родов, луговыми засоленными почвами, солончаковатыми и солончаковыми черноземами, а также (на периферии) солонцеватыми черноземами и солонцами (рис. 3).

Рис. 3. Почвенная карта ключевого участка. Почвенные комбинации на территории исследуемого полигона: 1 - чернозем южный остаточно луговатый среднемощный легкосуглинистый; 2 -комбинация солончаков луговых поверхностно и глубокопрофильных, отакыренных и выцветных, среднесуглинистых; 3 - комбинация черноземов южных солончаковатых (60%) и солончаковых (40%) среднемощных среднесуглинистых; 4 - солончак луговый глубокопрофильный корково-отакыренный среднесуглинистый; 5 - комбинация черноземов южных разной степени солонцеватости (70%) и солонцов каштаново-луговых разной степени засоления среднесуглинистых (30%); 6 - комбинация солончаков болотных (3%) и луговых (97%) глубокопрофильных и поверхностных, выцветных и выцветно-корковых, среднесуглинистых; 7 - комбинация черноземов южных солончаковатых и слабосолонцеватых (80%) и смытых их аналогов (20%); 8 - черноземы южные слабо- и среднесолонцеватые среднесуглинистые среднесмытые; 9 - солончак луговый поверхностный отакыренный среднесуглинистый; 10 - солонец каштаново-луговый различных родов и видов (90%) и черноземы южные различной степени солонцеватости (10%); 11 - комбинация черноземов южных солончаковых слабосолонцеватых среднесуглинистых (95%) и нарушенных почв (5%). Fig. 3. Soil map of key plot. Soil combinations in the area of studied polygon: 1 - southern chernozem residually meadow moderately thick sandy loam; 2 - combination of meadow solonchaks surface, deepprofile, takyrized and excudated, loamy; 3 - combination of southern chernozems salinized (60%) and saline (40%) moderately thick loamy; 4 - meadow solonchak deepprofile crusty takyrized loamy; 5 -combination of southern chernozems alkalized in different degrees (70%) and solonetz chestnut-meadow in different salinity degree (30%) loamy; 6 - combination of bog solonchacks (3%) and meadow solonchaks (97%) deepprofile and surface, excudated and crusty, loamy; 7 - combination of southern chernozems salinized and slightly alkaline (80%) and their truncated analoges (20%); 8 - southern chernozems slightly and moderately alkaline moderately truncated; 9 - meadow solonchaks surface and takyrized loamy; 10 -solonetz chestnut-meadow of diffrent kinds and families (90%) and southern chernozems in diffrent alkalinity degrees (10%); 11 - combination of southern chernozems saline and slightly alkaline (95%) and disrupted soils (5%).

Описываемая представленной почвенной картой ситуация характерна для слабоотточных замкнутых понижений, которые, согласно предположениям авторов, являются остаточными обсохшими водоемами межрусловых лагун, лиманов и старичных понижений, широко распространенных на исследуемой территории (Мамин, Остремский, 1982). В настоящее время существование такого понижения фактически посередине оросительной системы в условиях высокой доли внутрипочвенного стока приводит к функционированию этого понижения в качестве коллектора сети описанных выше подпочвенных и грунтовых «дрен».

Предполагая, что и в прошлом эта лагуна играла роль крупного коллектора, а в дальнейшем была перекрыта современными отложениями, можно предположить, что ее исходная глубина значительна для того, чтобы служить коллектором для геохимического стока с обширной площади орошаемых полей. Поэтому очевидно, что разгрузка этой лагуны через примыкающую к ней с севера балку практически не происходит (дно балки в пределах полигона расположено как минимум на 1 м выше низшей отметки современной поверхности лагуны). Соответственно здесь аккумулируется основная часть солей, собираемых с окружающих орошаемых массивов.

Организация горизонтального дренажа этого понижения путем заглубления русла отходящей к северу балки до уровня исходного водоупорного слоя «палеолагуны» или организация вертикального дренажа путем бурения скважины могло бы освободить значительные площади исследуемой ирригационной системы (по предварительным оценкам - не менее 35 км2) от риска засоления и осолонцевания.

Схема функционирования естественного коллектора дренажного стока исследуемой системы представлена на рисунке 4.

Древняя лагуна Современная

Современная поверхность берега продольного оврага (31 м н.у.м. в высшей точке)

.................... Современная поверхность дна местной депрессии рельефа на месте

древней лагуны (около 28-29 м н.у.м.)

____________ Уровень дна древней лагуны (около 25 м н.у.м. с небольшим уклоном в сторону

современного русла Волги)

Ошибка!ЗЯКЛадк Дно современного оврага (балки) с местным временным водотоком

Рис. 4. Схема разреза через сопряженную систему «занесенная лагуна - современный овраг». Fig. 4. The proposed scheme of the system «dustbound former lagoon - present ravine».

Феномен «красного пятна». Этим термином мы называем своеобразные пятна, заметные вдоль левого берега Волги в районе распространения оросительных систем на космических снимках Ландсат, начиная с 80-х гг. XX в. На разных мультиспектральных цветосинтезированных снимках характерно выделяются красные, синие или зеленые пятна.

Наиболее контрастно выглядят красные пятна - на снимках с сочетанием каналов Ландсат 7: 3-5-7, давшие название феномену, и аналогичные синие пятна - при сочетании каналов 7-5-4. В любом случае контрастность пятен возрастает при использовании каналов инфракрасного спектра (рис. 5).

Рис. 5. Набор каналов Ландсат 7: 3-5-7, 2000 г. Посередине снимка заметно темное пятно, имеющее красный цвет на цветном снимке указанного синтеза. Fig. 5. Landsat 7 space image, 2000. In the middle one can see the dark spot which has red colour in the original multispectral (3-5-7) image.

Дешифрирование снимков Ландсат разных лет (в работе использовались снимки 1976, 1984, 1985, 2000, 2008 гг.) и полевые исследования позволяют с достаточной степенью уверенности предполагать, что описываемые пятна приурочены к ложу обширной лагуны прарусла Волги, впоследствии перекрытой толщей новейших отложений, гидролого-геохимическая ситуация в пределах которой изменилась после строительства оросительной системы. Данный вывод сделан на основе следующих фактов и рассуждений.

1. В начале работы ПрОС (для оценки использовался снимок, сделанный в мае 1976 г.) описываемые пятна на снимках исследуемой территории не проявлялись.

2. Контур пятна близок по очертаниям, но не совпадает с контурами распространения четвертичных хвалынских отложений разного возраста. Также важно отметить, что хотя большинство солонцов и солонцеватых почв исследуемой территории встречено именно в пределах этого пятна, тем не менее, здесь не менее широко встречаются и несолонцеватые незасоленные черноземы с хорошими структурными свойствами, развитые на отложениях разного гранулометрического состава, хотя и преимущественно глинистых и суглинистых. При этом солонцеватые почвы, в свою очередь, встречаются и за пределами пятна.

3. Практически повсеместно пятна находятся в пределах гипсометрических отметок 2432 м н.у.м. Причем границы пятен очень четко совпадают с этими отметками, за исключением участков, близких к хорошо дренируемым протокам или крутым склонам. Данная закономерность наблюдается не только на исследуемой ОС, но и на участках с аналогичными пятнами к востоку и западу вдоль русла Волги.

4. Фактически современный контур пятна сформировался уже к 1985 г. Очертания пятен в 1985 г. практически идентичны очертаниям 2000 г., но больше, чем площадь пятен в 1984 г. Особенно эффективный прирост произошел в южной части пятна - юго-западный пониженный угол ОС, геохимически сопряженный с описанным выше засоленным понижением. Площадь пятен в 2008 г. едва заметно больше площади, отмечаемой в 2000 г. Динамика развития пятна хорошо совпадает с динамикой развития оросительной системы. По информации, полученной от эксплуатирующей организации, активное развитие ОС шло в первые 9-10 лет ее работы, в эпоху экономического коллапса 1990-х гг. интенсивность орошения снизилась, но поддерживалась на некотором минимальном уровне (пятно практически не «росло», но и не уменьшалось), во второй половине первого десятилетия XI в. постепенно возрождается орошение, хотя и не превышает объемов 1985 г. Это

объясняет, почему за последние годы пятно испытывало флуктуации по внешним границам, однако основная его часть осталась без изменений.

5. Форма данного пятна, хотя и значительно более крупного, близка к форме современных пойм рек Большой Караман и Малый Караман, которые в нижнем течении представлены обширными лиманами. На одинаковых расстояниях от современной поймы Волги гипсометрический уровень пойменного ложа этих речек ниже на 4-5 м, чем самые низкие отметки в пределах 1 очереди ПрОС. Это дает основания полагать, что на территории ПрОС в древности существовали протоки и водоемы с уровнем дна, близким современному уровню р. Большой Караман, ложе которой сформировано по морским глинам среднехвалынского возраста. Впоследствии эти водоемы и протоки (вероятно, из-за малого дебета поверхностного стока) были перекрыты делювиальными и, возможно, эоловыми наносами более легкого гранулометрического состава. Легко предположить, что вдоль этих перекрытых проток сохранялся некоторый грунтовый сток, который постепенно привел к просадкам грунта и оврагообразованию в местах активного вымывания грунта. В перекрытых осадочной толщей озерных понижениях в вершинах обширной лагуны из-за отсутствия вымывания грунта оврагообразование не происходит. Близкие ситуации были описаны авторами для условий интенсивного обсыхания дельт Амударьи и Сырдарьи (Куст, 1999). Развитие балочных систем путем просадок по предположительным направлениям грунтового и внутрипочвенного стока также описано авторами на правобережье Кубани (Куст и др., 2008.)

6. Важно отметить, что очертания пятна в юго-западной части ПрОС едва выходят за пределы магистрального канала, тяготея к поемному понижению Большого Карамана с отметками 24-25 м н.у.м. при том, что канал глубиной 5-6 м в данном месте рассекает уровень земли с отметками 34-35 м, а расстояние от канала до поемного понижения Большого Карамана немногим больше 1 км. Основной же тренд распространения пятна в данном углу ПрОС направлен в сторону описанного выше понижения на северо-восток, хотя перепад высот здесь меньше (нижние отметки составляют 28 м), а расстояние до этих отметок существенно больше (до 7 км). Таким образом, облицованный канал допускает лишь слабую фильтрацию и, по всей видимости, является препятствием для грунтового стока, который формируется на водоупоре, залегающем выше, чем глубина канала.

7. Предположительно, во времена пра-Волги основная часть описываемого пятна и ложе современного Большого Карамана образовывали единую лагуну с островом посередине, по которому в настоящее время проходит западный рукав магистрального оросительного канала ПрОС. На это, помимо космических снимков, указывает и анализ гипсометрической карты.

8. Лучше всего пятна проявляются на снимках, синтезированных с участием инфракрасных каналов. При этом на снимках с участием каналов 5 и 7 яркая «краснота» проявляется не только в пределах пятна, но и на орошаемых полях за его пределами, что говорит о преобладающем влиянии увлажнения подстилающей поверхности на интенсивность окраски в инфракрасном спектре. Достаточно сравнить 7-5 синтезы в условиях активного орошения 2008 г. и малоинтенсивного орошения 2000 г. При этом «красноты» практически нет на аналогичных гипсометрических отметках вдоль основного русла Большого Карамана, имеющего высокие берега и обеспечивающего интенсивный дренаж прилегающих территорий, более эффективный, чем перекрытые новейшими осадками дрены, идущие вдоль пятна. Таким образом, наиболее вероятно заключение о том, что пятно характеризует относительно переувлажненные почвы.

9. Орошение проводится как внутри пятна, так и за его пределами. Конфигурация и расположение орошаемых массивов не влияют на конфигурацию пятна; последнее практически не меняет своих границ на протяжении последних 20-24 лет, что, возможно,

говорит о том, что внутрипочвенный и внутригрунтовый дренажный сток через систему дрен и лагун стабилизировался.

С учетом сказанного выдвинуто предположение, что контуры описанных пятен могут совпадать с границами выклинивания в почвенную толщу слоев внутрипочвенных или грунтовых водоупоров, по которым происходит латеральное передвижение осадков и инфильтратов оросительных вод. Капиллярное поднятие влаги от уровня этого слоя, вероятно, обеспечивает постоянное дополнительное увлажнение почвенной толщи, что фиксируется инфракрасной съемкой. Этот же слой, по всей видимости, являлся водоупором, обеспечивавшим в прошлом при большей водности существование описываемой крупной лагуны пра-Волги.

Выводы

1. Несмотря на то, что в данной местности в почвенном покрове встречаются солончаки и солонцы, а оросительная система не имеет искусственной дренажной сети, ПрОС функционирует устойчиво, поскольку обеспечивается естественный отток дренажных вод в естественную дренажную сеть.

2. Вероятнее всего, естественная дренажная сеть представлена руслами древней поемной структуры в сочетании с древней эрозионной сетью, которые впоследствии были перекрыты новейшими делювиальными отложениями, а затем сглажены и перекрыты в результате планировки поверхности при строительстве оросительной системы.

3. Локальные крупные западины, встречающиеся как в пределах ПрОС, так и на аналогичных ей оросительных системах, могут служить промежуточными аккумуляторами коллекторно-дренажных вод с последующей разгрузкой по крупным естественным дренам -местным временным водотокам и подпочвенным грунтовым «руслам» стока.

4. Описан феномен «красного пятна», максимально выраженного на цветосинтезированных снимках Ландсат 7 (сочетание каналов 3-5-7). Предполагается, что это - результат фиксации инфракрасной съемкой дополнительного увлажнения почвенной толщи в результате подъема на поверхность капиллярной каймы в зоне подповерхностной латеральной миграции дренажных вод по локальному водоупорному слою.

Работа выполнена в рамках проекта DESIRE (Desertification mitigation and remediation of land - a global approach for localsolutions), финансируемого Шестой рамочной программой Европейского Сообщества (FP6).

Авторы выражают признательность профессору А.М. Зейлигеру, предоставившему возможность работать по данному проекту.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Гроздова О.И., Савельев А.Ф. 1974. Комплексный технический проект II очереди строительства приволжской оросительной системы в Саратовской области. Т. 1. Книга 5. М. 200 с.

Куст Г.С. 1999. Опустынивание: принципы эколого-генетической оценки и

картографирования. М.: МГУ. 362 с. Куст Г.С., Розов С.Ю., Кутузова Н.Д., Болышева Т.Н., Стома Г.В., Макаров И.Б., Цейц М.А., Девин Б.А., Андреева О.В., Марчук Е.В. 2008. Почвенно-экологические особенности выращивания сои на черноземах в Краснодарском крае // Доклады по экологическому почвоведению. Вып. 9. № 2. С. 1-527.

Мамин В.Ф., Остремский М.Р. 1982. К вопросу мелиорации лиманов, сформированных на хвалынских шоколадных глинах // Орошение и мелиорация почв в Поволжье / Под ред. Широкова Б.Г. Волгоград. С. 56-74. Орошаемые черноземы. 1989 / Под ред. Розанова Б.Г. М.: Издательство МГУ. 240 с. Soil Survey Division Staff. 1993. Soil survey manual. Soil Conservation Service. U.S. Department of Agriculture Handbook 18. Available on-line http://soils.usda.gov/technical/manual

PEDOGEOCHEMICAL INDICATION OF SUSTAINABLE LAND USE AT THE PRIVOLZHSKAYA IRRIGATION SYSTEM (SARATOV REGION)

© 2011. G.S. Kust*, S.Yu. Rozov**, G.V. Stoma**, P.V. Andreev**

"Institute of Ecological Soil Science of M.V. Lomonosov Moscow State University **Soil Science faculty of M.V. Lomonosov Moscow State University Russia, 19991 Moscow, Leninskie Gory, 1. E-mail: [email protected]

Soil cover and landscape-geochemical features of the Privolzhskaya irrigation system (Saratov Volga) are described. The sustainable functioning of this irrigation system in the conditions of the absence of artificial drainage is noted that is explained as a result of the specifics of geomorphologic structure of the area within the ancient flood plain and deltaic landscapes of former Volga river and its tributaries. A number of assumptions are made about the role of paleo features of local landscapes in the redistribution of ground and infiltrated flow from irrigated lands. In particular, the assumption that ancient bottoms of estuaries and lagoons, composed of marine clays and overlapped with latest loamy deposits are acting as natural intermediate reservoirs of drainage waters. The phenomenon of "red spot" on multispectral (3-5-7 channels) Landsat images is described, presumably associated with the additional soil moistening in the zone of lateral subsurface migration of infiltrated irrigation water.

Keywords: pedogeochemical indication, sustainable land use, irrigated chernozems.