Natural factors influence on first rarely flooded soil salination of the river Volga delta

Mikhail V. Valov; Валов Михаил Викторович; Alexandr N. Barmin; Бармин Александр Николаевич; Daniil Yu. Belyaev; Беляев Даниил Юрьевич; Alexandr V. Sintsov; Синцов Александр Владимирович; Ekaterina V. Lipezina; Липезина Екатерина Васильевна

doi:10.22363/2313-2310-2022-30-4-524-536

Natural factors influence on first rarely flooded soil salination of the river Volga delta

Authors: Valov M.V.¹, Barmin A.N.¹, Belyaev D.Y.¹, Sintsov A.V.¹, Lipezina E.V.¹
Affiliations:
1. Astrakhan State University name of V.N. Tatishchev
Issue: Vol 30, No 4 (2022)
Pages: 524-536
Section: Geoecology
URL: https://journals.rudn.ru/ecology/article/view/33113
DOI: https://doi.org/10.22363/2313-2310-2022-30-4-524-536
ID: 33113

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Soil degradation is one of the common types of which is soil salination, is a serious limited factor of food security and sustainable territory development. It is necessary to pay a special attention on the first soil salination of arid regions, as arid climate leads to the active salt accumulation in the upper rooting soil horizons and gives rise to withdrawal of large land areas from economic turnover. The purpose of the this work is defining of the watersoluble salts specific features in soils of the river Volga delta upper level natural boundaries under the influence of natural factors. Botanic natural sanctuary “Svinoroiny meadow (Meshkovsky)” was chosen as a research object, associated with the new Caspian coastal plain within distribution of the river Volga delta Baer knoll landscape. Water extract ions analysis and soil solution toxicity calculation on the area were carried out from 1979 till 2020. It was revealed that dynamics direction of salination types are defined by the ascent of water predominanceon over descending on the area in the conditions of the territory exudative water regime. Salination increase to a great extent depends on the great volumes of spring-summer floods and appropriate ground water level rise, area desalination is defined by atmospheric precipitations quantity.

Keywords

the river Volga delta, soil salination, climate change, hydrological regime

Full Text

Введение Почвенное засоление, в особенности в аридных регионах, является важнейшим фактором, ограничивающим плодородие почв, ухудшающим рост и развитие растений, снижающим общее качество земель и приводящим к сокращению площадей почв, пригодных для ведения сельскохозяйственной деятельности. Деградация почв, помимо засоления и солонцеватости включающая процессы эрозии, дефляции и др., наносит серьезный удар по продовольственной безопасности территорий [1]. В почвенном покрове южных регионов России деградационные почвенные процессы, включая засоление и осолонцевание, охватывают от 20 до 66,9 % от общих земельных площадей регионов. На территории Астраханской области, в частности, засоленные и засоленно-солонцовые почвы (включая площади почвенных комплексов с засоленными почвами) составляют 44,2 %, или 21,66 тыс. км2 от общей площади [2]. Засоление почвенного покрова дельты р. Волги в большинстве своем носит природный характер, что обусловлено формированием их на засоленных морских породах, близостью залегания грунтовых вод, аридным климатом с преобладанием испарения над количеством осадков, выпотным режимом и, соответственно, интенсивным подтягиванием легкорастворимых солей к поверхности [3]. В связи с ведением на территории дельтового ландшафта активной сельскохозяйственной деятельности получение своевременной и достоверной информации о процессах почвенной деградации является необходимым аспектом информационного обеспечения землепользователей и органов государственной власти для последующего принятия ими своевременных решений по рационализации использования земельных ресурсов. Целью исследования является определение особенностей динамики водорастворимых солей в почвах урочищ верхнего уровня дельты реки Волги под влиянием природных факторов. Материалы и методы Аналитические исследования динамики ионов водорастворимых солей в почвенном покрове дельты реки Волги проводились на стационарных участках, которые были заложены под руководством В.Б. Голуба в восточной части дельты Волги, где антропогенные изменения гидрологического режима и растительного покрова выражены в меньшей степени, чем в ее западной части (рис. 1) [6]. Участки расположены в центральной части островов, каждый из них охватывает относительно однородную по флористическому составу площадь не менее 300-400 м2. В геоморфологическом отношении участки №№ 1, 2 и 3 расположены в пределах новокаспийской цокольной дельтовой равнины, №№ 5 и 6 - молодой поймы, №№ 7, 9, 10, 13 и 14 - новокаспийской морской равнины в пределах распространения бэровских бугров. С помощью GPS-навигатора были зафиксированы точные географические координаты стационарных участков мониторинговых наблюдений. По решению Исполнительного комитета Астраханского областного Совета народных депутатов № 616 от 04.10.1985 г. стационарные участки наблюдений переведены в ранг памятников природы. Характер памятников - ботанический, значение - охрана генофонда, охрана ценофонда, научное (ботаническое, ландшафтоведческое), ресурсоохранное, эстетическое (живописный ландшафт). Рис. 1. Схематическое расположение стационарных участков в дельте р. Волги / Figure 1. Schematic layout of the river Volga delta stationary areas Высотные отметки участков были привязаны с помощью нивелира к рейкам ближайших водомерных постов, что позволило судить о режиме затопления каждого из них. За меженный уровень воды в водотоках был принят уровень в них при устойчивых расходах воды в створе Волжской ГЭС 4000 м3/с. Для характеристики почв стационарных участков было проведено изучение почвенных разрезов с подробным их описанием и лабораторным физико-химическим анализом почвенных образцов. В образцах определялись содержание гумуса, подвижных форм фосфора и калия, азота, ионов водорастворимых солей, механический состав. С 1980 г. проводился только ионный анализ водной вытяжки. Почвенные образцы отбирались в четырехкратной повторности по слоям 0-25 см, 25-50 см, 50-75 см, 75-100 см. Определение ионного состава водной вытяжки осуществлялось испытательным центром Федерального государственного бюджетного учреждения «Государственный центр агрохимической службы “Астраханский”». Характеристика засоления почвы, кроме данных о составе водной вытяжки, в нашем случае дополняется расчетом «суммарного эффекта токсичных ионов» в эквивалентах хлора (Т), вычисленного по алгоритму Н.И. Базилевич и Е.И. Панковой [7]. 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. В первые годы наблюдений учеты на участках проводились несколько раз в течение вегетационного сезона. Затем, когда закономерности сезонной динамики содержания солей в почве были установлены, учеты стали проводиться однократно: в период, когда надземная масса травостоя была максимальна (август) [4]. Из-за финансовых и организационных трудностей в отдельные годы наблюдения на участках не велись. Результаты и обсуждение Объект настоящего исследования - стационарный участок № 10 - находится в 2 км северо-восточнее с. Мешково на южном склоне урочища бэровского бугра (ботанический памятник природы «Свиноройный луг (Мешковский)»), географические координаты участка 46°22'43.7'' с.ш. и 48°40'13.5'' в.д. Почва аллювиально-делювиальная дерново-опустынивающаяся легкосуглинистая (почвенный разрез представлен на рис. 2). Высота над меженью составляет 2,5 м, грунтовые воды залегают на глубине порядка 3 м. Растительный покров относится к subass. (Lepidio-Cynodontetum juncetosum, Golub et Mirkin, 1986) [6]. За период наблюдений указанный ботанический памятник природы затапливался в период половодий три раза: в 1979, 1991 и 1995 гг. на 27, 31 и 2 дня соответственно. Территория стационарного участка характеризуется малым антропогенным воздействием, выраженным преимущественно в выпасе скота. Проведенный анализ метеорологических и гидрологических факторов указывает на существование в дельте р. Волги устойчивого тренда на увеличение среднегодовой температуры воздуха и суммы активных температур за вегетационный период, который усиливается в последние десятилетия. Количество атмосферных осадков отличается высокой многолетней и внутригодовой вариативностью, в связи с чем в паре «температура - осадки» именно количество осадков является ведущим фактором атмосферного увлажнения ландшафта дельты. Наивысшая степень засушливости отмечается в летние месяцы, величина испаряемости при этом может до десяти раз превышать количество выпавших осадков. Некоторые метеорологические и гидрологические показатели в годы исследований представлены в табл. 1. Крупные антропогенные преобразования речного стока на р. Волге выразились в изменении водного режима, процессов поемности и аллювиальности, а также качества водных ресурсов. Рис. 2. Почвенный разрез участка (фото авторов, август 2020 г.) / Figure 2. The area soil crossover (authors’ photo, August 2020) За рассматриваемый период почвенного мониторинга наблюдается тренд на снижение уровней попусков воды во втором квартале года при отсутствии направленных изменений общегодового стока и максимальных уровней подъема воды в период половодья. В совокупности с перечисленными метеорологическими характеристиками данные процессы послужили пусковым механизмом изменения направлений динамики дельтового ландшафта, что ярко отражается на увлажнении территории, уровне грунтовых вод, почвенном засолении, видовом составе растительного покрова и др. [3; 6; 8; 9]. Таблица 1. Метеорологические и гидрологические показатели в 1979-2020 гг. исследований Год Объём водного стока в створе Волжской ГЭС, км3 Объём водного стока в створе Волжской ГЭС за второй квартал, км3 Среднегодовая температура воздуха, °С Средняя сумма температур за период с температурой > 10°С Среднегодовая сумма осадков Сумма осадков за период с температурой > 10°С 1979 320 146 10,8 3864 204 129 1980 247 83 9.5 3738 199 146 1982 225 78 9,4 3717 274 224 1983 237 90 11,2 3943 245 151 1984 226 71 9,9 3948 117 95 1985 290 117 9,3 3759 233 138 1987 277 108 8,5 3549 251 126 1991 307 159 10,5 3945 247 163 1992 251 118 9,6 3551 358 256 1996 177 62 9,9 4263 259 176 2013 271 125 11,7 4032 230 157 2016 265 127 11,3 4074 392 280 2020 242 160 12,2 4161 161 69 Table 1. Meteorological and hydrological indicators during the 1979-2020 years of research Year The volume of water flow in the alignment of the Volzhskaya hydroelectric power station, km3 The volume of water flow in the alignment of the Volzhskaya hydroelectric power station for the second quarter, km3 Average annual air temperature, °С Active temperature amounts for the period with temperature higher 10°С Average annual precipitation The amount of precipitation for a period with temperature higher 10°С 1979 320 146 10.8 3864 204 129 1980 247 83 9.5 3738 199 146 1982 225 78 9.4 3717 274 224 1983 237 90 11.2 3943 245 151 1984 226 71 9.9 3948 117 95 1985 290 117 9.3 3759 233 138 1987 277 108 8.5 3549 251 126 1991 307 159 10.5 3945 247 163 1992 251 118 9.6 3551 358 256 1996 177 62 9.9 4263 259 176 2013 271 125 11.7 4032 230 157 2016 265 127 11.3 4074 392 280 2020 242 160 12.2 4161 161 69 За период почвенного мониторинга на участке можно выделить три периода направленных изменений содержания легкорастворимых солей (рис. 3). С 1979 по 1985 г. отмечен период возрастания количества водорастворимых солей и токсичности почвенного раствора: суммарное содержание солей возросло в 2,5 раза, а токсичность увеличилась в 4,5 раза по сравнению с первоначальными значениями. После 1985 г. и до начала 2000-х гг. происходило направленное снижение содержания легкорастворимых солей. От 1985 к 2004 г. общее содержание солей снизилось в 4,5 раза. Увеличение засоленности в 1991 и 1992 гг. возможно связать с высокими объемами как среднегодового стока, так и весенне-летних половодий в 1990 и 1991 гг., что сказалось на подъеме уровня грунтовых вод. Токсичность почвенного раствора изменялась несколько иначе. Снижение степени токсичности происходило от 1985 до 1996 г. (в 7,8 раза). В 1998 г. токсичность почвенного раствора резко возросла (по сравнению с минимальными значениями 1996 г. в 12,6 раза), после чего постепенно снижалась, вплоть до 2020 г. Рис. 3. Динамика суммы легкорастворимых солей и токсичности почвенного раствора на стационарном участке № 10 в 1979-2020 гг. Figure 3. Highly soluble salts amount dynamics and soil solution toxicity on the stationary area №10, 1979-2020 С 2006 по 2020 г. отмечается резкое устойчивое возрастание содержания водорастворимых солей в почвенном покрове участка. В 2016 г. по сравнению со значениями 1979 г. (начало мониторинга) количество легкорастворимых солей увеличилось в 5,4 раза и было наибольшим за все годы наблюдений, что, помимо высокого объема половодья, связано с крайне малым количеством атмосферных осадков в предшествующем отбору почвенных проб месяце - августе (6 мм). Рис. 4. Распределение ионов водорастворимых солей в почвенном слое стационарного участка № 10 в 2020 г. Figure 4. Distribution of ions of water-soluble salts in the soil layer of the stationary area № 10 in 2020 Помимо определения общего количества водорастворимых солей важно учитывать глубину и мощность солевых горизонтов, а также катионноанионный состав солей и динамику отдельных ионов (рис. 4). Однонаправленная динамика наблюдается у , , и аниона . С 1987 по 2016 г. отмечены противофазы в динамике и : снижение хлоридов и рост сульфатов до 1996 г. и последующее снижение сульфатов и рост хлоридов в 2013 и 2016 гг. В 2020 г. содержание ионов в четыре раза превысило содержание . Практически во все годы на участке преобладает хлоридно-сульфатный тип засоления, исключение отмечено в маловодном 1996 г. (смена на менее токсичный сульфатный тип) и многоводном 2016 г. (смена на наиболее токсичный хлоридный тип засоления). Данные направления динамики токсичности типов засоления объясняются преобладанием на участке восходящих токов воды над нисходящими в условиях выпотного водного режима территории [3; 8; 9]. Тип засоления грунтовых вод на участке - сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатный [6]. При рассмотрении характера распределения катионов и анионов водорастворимых солей в метровом почвенном слое наиболее высокое их содержание отмечено в верхнем горизонте 0-25 см (за исключением гидрокарбонат-иона), при заглублении ниже данного горизонта концентрация резко снижается и изменяется незначительно. Абсолютно преобладающими являются ионы и . Заключение Как показывают многолетние исследования, при очевидной связи высоты территорий дельты р. Волги над меженью и длительности их затопления в период половодья, зачастую краткопоемные участки имеют меньшую степень засоления и токсичности почвенного раствора, чем долгопоемные; также нет выраженной связи между высотным положением участков и минерализацией грунтовых вод [3; 6]. Ведущими природными факторами, как прямо, так и опосредованно определяющими динамику почвенного засоления краткопоемных территорий дельты р. Волги и особенности миграции водорастворимых солей, являются объемы и длительность весенне-летних половодий, максимальные уровни подъема воды и количество атмосферных осадков. На редко затапливаемых и незатапливаемых участках (с высотой над меженью от 2,4 м и более), при стабильно высокой степени испаряемости, рост засоления верхнего почвенного слоя в большей степени зависит от высоких объемов весенне-летних половодий и соответствующего подъема уровня грунтовых вод; рассоление участка в большей степени определяется высоким количеством атмосферных осадков, что способствует вымыванию легкорастворимых солей в глубь почвенного профиля. Одной из отличительных особенностей незатапливаемых и редко затапливаемых в период половодья территорий дельты р. Волги является их интенсивное использование в качестве пастбищ в весенне-летний период, когда более низкие участки находятся под водой, что зачастую приводит к уплотнению верхнего почвенного слоя и деградации растительного покрова. При отсутствии растительности наблюдается увеличение температуры поверхности почвенного покрова и усиление капиллярного подтягивания грунтовых вод к поверхности, что усиливает мобилизацию и аккумуляцию водорастворимых солей в корнеобитаемом слое почв.