УДК 379.85:712.23: 332.32
Техногенное воздействие водохранилищ на эдафическую основу пойменных экосистем и прогноз возможных сценариев развития вторичных почв
О.А. Скрипник,
канд. биол. наук, старший научный сотрудник отдела экологического нормирования Института проблем природопользования и экологии НАН Украины, г. Днепропетровск, Украина
Исследованы этапы развития гидротехногенных почв, формирование аквальных горизонтов, параметры их гранулометрического, химического составов, плодородия. Выполнен предварительный прогноз основных сценариев развития почвенного покрова, затопленного водохранилищами.
Ключевые слова: почвенный покров, затопленный водохранилищами, гидротехногенные почвы, аквальные горизонты.
почва техногенный водохранилище
Досліджено етапи розвитку гідротехногенних ґрунтів, формування аквальних горизон-тів, параметри їх гранулометричного, хімічного складів, родючості. Виконано попередній прогноз основних сценаріїв розвитку ґрунтового покриву, затопленого водосховищами.
Ключові слова: ґрунтовий покрив, затоплений водосховищами; гідротехногенні ґрунти, аквальні горизонти.
Gidrotehnogenіс stages of soil formation, aquatic horizons, the parameters of their size distribution, chemical composition, fertility are investigated. Preliminary forecast of the main scenarios of the top-soil developmet, flooded by reservoirs, are perfomed.
Keywords: top-soil developmet, flooded by reservoirs; gidrotehnogenіс soils; aquatic horizons.
Создание каскада водохранилищ на р. Днепр привело к катастрофическим по масштабам изменениям экосистем бассейна и трагическим для народа последствиям. В процессе создания водохранилищ было затоплено около 700 тис. га пойменных, разрушено в результате действия экзогенных процессов около 60 тис. га прибрежных, подтоплено около 4 млн га окружающих экосистем.
Изменения природных условий охватили огромную территорию и привели не только к глубоким изменениям структуры почвенного покрова, но и сильной гидроморфизации природных почв. Темпы индустриализации не позволили провести систематические предварительные исследования почв и растительности территорий затопления. Прежде, чем была проведена первая крупномасштабная почвенная съемка 1957-1966 годов, были построены 5 из 6 водохранилищ каскада. Отрывочность сведений о затопленных почвах не дает возможности объективно оценить нанесенный ущерб и требует проведения ретроспективного анализа особенностей эдафической системы затопленных экосистем на основе теории почвообразования и аналогий. Фундаментальные основы пойменного и аквального (подводного) почвообразования разрабатывали Н.М. Сибирцев, Б.Б. Полынов, И.И. Плюснин, Г.В. Добро-вольский [1-5]. Исследования аллювиальных почв посвящены, главным образом, поймам Дуная, Днестра, малых рек юга Украины, Волго-Ахтубинской дельты, Волги, Оби, Енисея, Селенги и других [6-11].
Покрытые толщей воды, иногда многометровой, пойменные почвы потерялись как объект почвенных исследований и стали рассматриваться, в основном, как донные отложения, хотя имели очевидное педогенное происхождение. Эволюция подводного этапа развития затопленных почв изучена слабо, так как не являлась предметом гидрологических исследований, которые стали преобладающими на территории водохранилищ. Исследования динамики почвенного покрова под воздействием водохранилищ проводились на островах и прибрежных территориях волжских водохранилищ [12].
В процессе накопления донных отложений в верховьях водохранилищ пойменные почвы сформировали аквальные горизонты, мощность которых может превышать 2,0 м, и снова вышли на дневную поверхность. Исследование пространственного распространения вторичных почв, в том числе с использованием материалов ДЗЗ, свидетельствуют о появлении их на площади (по данным В.М. Стародубцева) 17,5 тис. га только в 4 верхних водохранилищах Днепровского каскада [13-7].
Процессы влияния водохранилищ на почвы, развитие деградационных процессов, опустынивания, засоления исследованы, главным образом, для пойменных территорий среднеазиатских рек и Волги [18-24].
Существует противоречие между слабо аргументированным прогнозом развития вторичных почв в направлении дефляции (образования пыльных бурь) после выхода из затопления [25-27] и существующими опытными данными образования плодородных эдафотопов [28] и спонтанного формирования болотных, луговых, кустарниковых, лесных экосистем [13].
Из приведенного обзора очевидно, что задача исследования преобразования почв под влиянием водохранилищ и прогноза их дальнейшего развития остается актуальной, особенно для бассейна р. Днепр.
Основные результаты и их обсуждение
Характеристика естественных почв поймы р. Днепр. При создании днепровских водохранилищ была затоплена в основном пойма Днепра. Небольшие участки измененной поймы реки сохранились в верховьях Днепровского водохранилища на территории Днепровско-Орельского природного заповедника, который использовался в качестве главного объекта-аналога. Почвы, подобные затопленным, сохранились в поймах малых и средних рек (Кильчень, Самара Днепровская) и также могут быть использованы для ретроспективного анализа.
Характерной особенностью почвенного покрова поймы, в том числе и днепровской, являлась пространственная неоднородность. Ее в основном формировали гранулометрический состав, определявший обеспеченность почв элементами минерального питания, уровень грунтовых вод, по которому выделялись дерновые, луговые, лугово-болотные, болотные аллювиальные роды, воздействие паводкового потока, ежегодно преобразовывавшего почвы в зонах дисперсии и аккумуляции. Номенклатурный список мог достигать 36 родов почв. Данные о строении поверхности поймы р. Днепр из довоенных топографических карт крупных масштабов РККА, немецкого генштаба и других дают возможность представить реконструкцию почвенного покрова затопленных территорий. Наибольшее распространение имели аллювиальные луговые и лугово-болотные слабосолонцеватые слабосолончаковые разной мощности и гранулометрического состава. Реконструкция состояний природных почв поймы в среднем течении Днепра свидетельствует об их плодородии (таблица 1).
Таблица 1. Реконструированные показатели плодородия поверхностных горизонтов затопленных почв поймы р. Днепр
|
Показатель |
Аллювиальные дерновые |
Аллювиальные луговые |
Аллювиальные лугово-болотные |
Аллювиальные болотные |
|
|
УГВ, м |
>3 |
1-3 |
0,5-1 |
<0,5 |
|
|
Содержание гумуса, % |
3,0 |
5,2 |
7,1 |
9,1 |
|
|
Групповой состав гумуса, Сгк/Сфк |
0,9-1,7 |
1,7-2,5 |
1,5-3,4 |
1,7-2,7 |
|
|
Сумма солей, % |
0,064 |
0,118 |
0,168 |
0, 020 |
|
|
Соотношение обменных оснований - Naп/Уп |
0,01 |
0,03 |
0,03 |
0,01 |
|
|
Общий азот, % |
0,05 |
0,1 |
0,15 |
0,2 |
|
|
Подвижный фосфор по Чирикову, мг/100 г п. |
10 |
30 |
30 |
40 |
Результаты реконструкции подтвержда-ются историческими свидетельствами о высокой продуктивности пойменных земель. Высокое плодородие пойменных почв обеспечивалось пойменным водным режимом, создающим запас влаги на весь вегетационный период. Исследования водного режима пойменных почв Днепровско-Орельского природного заповедника свидетельствуют, что влажность большинства поемных почв не бывает ниже 0,9 НВ (наименьшая влагоемкость). В конце вегетационного периода влажность аллювиальных дерновых почв может снижаться до 0,5 НВ, что ниже оптимальных показателей.
В целом почвы поймы р. Днепр обладали обеспеченностью элементами минерального питания и влагой на оптимальном уровне, обеспечивали биологическую продуктивность экосистем, достигавшую 1,5 кг/м2·год.
Формирование аквальных горизонтов после затопления. Создание водохранилищ коренным образом изменило режим функционирования почв. Они стали развиваться в условиях постоянного переувлажнения и фильтрации пресных вод. Трансформация пойменных почв происходила в направлении нарастающего оглеения, содообразования, анаэробного биогенеза (сульфатредукции, метанообразования), инфильтрационного рассоления, выщелачивания.
На поверхности природных почв стали формироваться осадочные (аквальные) горизонты наилка в результате выпадения твердых частиц из флювиального потока. Мощность наилка варьировала и в пространстве в широких пределах, в зонах аккумуляции, достигая за 10-летие 1,0 м. Солевой состав аквального горизонта формировался по содовому типу с преобладанием гидрокарбонат-иона (таблица 2). Аквальные горизонты либо были слабозасоленными, либо незасоленными в соответствии с накоплением хлорид-иона.
Таблица 2. Солевой состав современных аквальных горизонтов
|
Параметры |
Содержание, мг-экв на 100 г п. |
Сумма солей, % |
||||||
|
Cl- |
SO42- |
HCO3- |
Ca2+ |
Mg2+ |
Na+ + K+ |
|||
|
Max |
0,64 |
0,56 |
1,3 |
1,38 |
0,44 |
0,36 |
0,184 |
|
|
Min |
0,28 |
0,08 |
0,8 |
0,7 |
0,3 |
0,2 |
0,116 |
|
|
Среднее |
0,446 |
0,308 |
1,015 |
1,053 |
0,386 |
0,298 |
0,1482 |
|
|
Дисперсия |
0,0113 |
0,0304 |
0,02 |
0,0448 |
0,002 |
0,0039 |
0,0004 |
Накопление хлорид-иона, в основном определяющее слабую степень засоления, имеет эфемерный характер и исчезает при промывке атмосферными осадками и оказывать лимитирующего влияния на развитие вторичных почв и растительности в условиях оптимального увлажнения не может.
Физико-химические показатели аквальных горизонтов свидетельствуют об их солонцеватости. Она в среднем соответствует слабой степени, при которой участие поглощенного натрия составляет 3-5,9% от емкости поглощения. Спорадически осолонцевание достигает сильной степени (11,2%).
Таблица 3. Гранулометрический состав современных аквальных горизонтов
|
Параметры |
Гранулометрический состав, % |
||||||||
|
частицы диаметром, мм |
|||||||||
|
1-0,25 |
0,25-0,05 |
0,05-0,01 |
Всего>0,01 |
0,02-0,005 |
0,005-0,001 |
<0,001 |
Всего <0,01 |
||
|
Max. |
19,6 |
30,03 |
38,54 |
63,77 |
8,73 |
11,84 |
34,12 |
49,53 |
|
|
Min. |
0 |
11,93 |
21,05 |
50,47 |
4,4 |
5,21 |
19,35 |
36,23 |
|
|
Среднее |
5,93 |
20,80 |
31,97 |
58,25 |
6,19 |
7,10 |
27,99 |
40,98 |
|
|
Дисперсия |
44,13 |
43,33 |
27,55 |
20,63 |
1,83 |
3,60 |
16,56 |
18,84 |
При выходе из затопления осолонцевание может создавать корку, ухудшать водно-физические свойства вторичных почв. Высокая карбонатность аквальных горизонтов, которая в среднем составляет 5,8 %, должна способствовать природной самомелиорации поверхностных горизонтов вторичных почв.
Гранулометрический состав аквальных горизонтов затопленных почв может быть признан оптимальным для развития вторичных почв. По почвенной классификации Н.А. Качинского он может рассматриваться как среднесуглинистый.
Статистическая обработка результатов исследований свидетельствует о существовании зависимости величины дисперсии участия гранулометрических элементов (рисунок 1) от их размера. Илистые частицы (<0,001 мм), как правило, связываются в более крупные конструкции и аккумулируются в соответствии с размерами агрегатов. Известно, что размеры гранулометрических элементов, которые выпадают из водного потока, зависят, прежде всего, от его скорости. Скорость водного потока сильно варьирует по годам, по сезонам с выраженным весенним максимумом во время снеготаяния, по суткам во время сработки уровня водохранилища.
Рисунок 1 - Зависимость дисперсии участия гранулометрических элементов от их размеров
Свойства плодородия в аквальных горизонтах в основном определяют показатели содержания органического вещества и биогенных элементов (таблица 4), которые обеспечивают питательными элементами живые организмы экосистемы.
Таблица 4. Показатели обеспеченности питательными элементами современных аквальных горизонтов
|
Параметры |
Гумус, % |
Сорг, % |
Сгк, % |
Сфк, % |
Сгк/ Сфк |
Р2О5, мг/100 г п. |
Nобщ, % |
|
|
Max |
5,74 |
3,32 |
0,48 |
0,44 |
9,8 |
55,5 |
0,277 |
|
|
Min |
2,53 |
1,46 |
0,12 |
0,04 |
0,5 |
13 |
0,131 |
|
|
Среднее |
4,2977 |
2,48 |
0,2933 |
0,2466 |
2,3666 |
30,5 |
0,2051 |
|
|
Дисперсия |
0,81101 |
0,2783 |
0,0164 |
0,0212 |
9,57 |
283,125 |
0,0015 |
Содержание гумуса, подвижного фосфора и азота общего аквальных горизонтов в целом, соответствует уровню гумусовых горизонтов современных черноземов обыкновенных и оптимальным показателям плодородия по агрохимическим нормам (ДСТУ 4362:2004). Показатели группового состава гумуса (Сгк/ Сфк) варьируют в широких пределах, а в среднем соответствуют уровню аллювиальных луговых почв с высоким плодородием.
Анализ результатов проведенных исследований аквальных горизонтов затопленных почв свидетельствуют о том, что они могут быть основой преобразования их в плодородные горизонты вторичных почв после выхода из затопления, обеспечения эдафической основы вторичной растительности. Вместе с тем, необходимо признать, что явно проявляющаяся неоднородность аквальных горизонтов требует более подробных их исследований и по пространственному охвату, и по составу определений.