На правах рукописи

СУЛЕЙМАНОВ РУСЛАН РИМОВИЧ

ЗАСОЛЕННЫЕ ПОЧВЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ И АГРОТЕХНОГЕННЫХ

ЛАНДШАФТОВ ЮЖНОГО УРАЛА

03.02.13 - Почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Уфа - 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институт биологии Уфимского научного центра РАН

Научный консультант:	доктор биологических наук, профессор
	Габбасова И.М.
Официальные оппоненты:	доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник
	Зубкова Т.А.
	доктор биологических наук, профессор
	Русанов А.М.
	доктор биологических наук, профессор
	Середа Н.А.
Ведущая организация:	ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева»

Защита диссертации состоится 22 декабря 2010 года на заседании диссертационного совета Д 220.003.01 при Федеральном государственном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан 19 ноября 2010 года

и размещен в сети Интернет на сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Р.Р. Гайфуллин

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На протяжении всей истории развития почвоведения засоленные почвы являлись одним из главных объектов исследования во многих странах мира. Это объясняется, во-первых, широким распространением засоленных почв в разных регионах Земли, во-вторых, тем, что засоление – одно из главных генетических свойств и мелиоративных особенностей почв аридных и семиаридных областей, а также свойство, лимитирующее их плодородие. И, наконец, в-третьих, засоленность – один из основных признаков неблагополучного экологического состояния земель Засоленые…, 2006.

В различных регионах засоленные почвы существенно различаются по свойствам, генезису, а следовательно, и по методам мелиорации, что вызывает различия в их освоении, рациональном использовании и борьбе с засолением. На Южном Урале в пределах Республики Башкортостан площадь собственно засоленных почв сельскохозяйственных угодий невелика и составляет 29,5 тыс. га, солонцово-засоленных – 30,8 тыс. га. Однако, площадь засоленных почв в связи с усиливающейся ксерофитизацией климата с одной стороны, наличием нефтедобывающей промышленности и мелиоративных систем (орошение, осушение) – с другой, постоянно возрастает. Все это ведет к значительному уменьшению плодородия почв, снижению биопродуктивности и ухудшению качества сельскохозяйственной продукции.

Для принятия своевременных и адекватных мер по предупреждению засоления и осолонцевания почв и разработки экологически приемлемых и экономичных способов их использования и восстановления необходимо комплексное изучение почв засоленного ряда в естественных и агротехногенных условиях региона.

Целью исследований явилось изучение процессов формирования засоленных почв в естественных и агротехногенных ландшафтах, трансформации их свойств и режимов при развитии засоления, поиск экологически обоснованных методов их мелиорации и рекультивации.

В соответствии с целью исследований были поставлены следующие задачи:

1. Изучить характер распространения, свойства природных почв засоленного ряда и их изменение при длительном сельскохозяйственном использовании.

2. Изучить возможность повышения плодородия засоленных и осолонцованных почв в Зауральской степной зоне с использованием природных агрономических удобрений и мелиорантов.

3. Изучить влияние нефтедобычи на солевой режим почв в различных природно-климатических зонах Южного Предуралья и разработать методы их рекультивации.

4. Исследовать воздействие прудов-накопителей нефтепромысловых сточных вод на почвы, породы и подземные воды и их состояние через 40 лет после загрязнения при отсутствии рекультивации.

5. Изучить изменение солевого режима почв при орошении, осушении и в местах выхода подземных минерализованных вод.

6. Оценить изменение солевого режима почв в степной зоне Предуралья на примере погребенных почв археологических памятников бронзового века.

Научная новизна. Впервые для условий Южного Урала проведены комплексные исследования почв засоленного ряда в естественных и агротехногенных условиях. Изучены запасы и состав природных агрономических удобрений и показана эффективность использования сапропеля, сплавины и цеолита для улучшения свойств и биопродуктивности как природных, так и техногенно засоленных и осолонцованных почв. Показаны сходства и различия комплекса свойств в профиле засоленных и осолонцованных почв естественного и техногенного происхождения. Выявлен механизм вторичного засоления почв, загрязненных сырой нефтью, при проведении биологической рекультивации через 15-30 лет после загрязнения. Установлено, что для опреснения подземных вод, загрязненных в результате воздействия пруда-накопителя нефтепромысловых сточных вод (НСВ), должно пройти 140 лет. Выявлен механизм засоления чернозема выщелоченного при длительном орошении маломинерализованной водой в овощном севообороте. Выявлены процессы гидрогенного накопления солей в местах выхода минеральных источников на дневную поверхность. На примере изучения почв археологических памятников показано, что природные условия равнинного междуречья в Предуральской степи за последние 3,5 тысячи лет способствовали рассолению почв.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Генезис, распространение, свойства природных почв засоленного ряда Южного Урала. Ухудшение их агроэкологических свойств при длительном сельскохозяйственном использовании и повышение плодородия путем использования природных агрономических удобрений.

2. Формирование засоленных и осолонцованных почв при загрязнении сырой нефтью и высокоминерализованными НСВ, сходства и различия комплекса их свойств с природными почвами засоленного ряда.

3. Проведение рекультивации техногенно засоленных и осолонцованных почв насыщенных основаниями и (или) имеющих свободные карбонаты в своем профиле без использования кальций содержащих мелиорантов. Процесс замещения натрия в почвенно-поглощающем комплексе имеющимся в почве кальцием активизируется при фитомелиорации и использовании природных удобрений.

4. Пруды-накопители нефтепромысловых сточных вод - источники загрязнения пород, грунтовых вод и почв. Повышение минерализации подземных вод и смена химического состава в зоне их влияния, накопление токсичных элементов (выше ПДК) в растениях и почвах на территории, превышающей площадь непосредственного воздействия.

5. Влияние мелиорации на солевой режим почв и механизм засоления при орошении черноземов маломинерализованными водами.

6. Анализ направленности процессов засоления–рассоления на основании сравнительного изучения современных и погребенных почв археологических памятников.

Реализация результатов исследований и практическая значимость. На основе результатов исследований, проведенных совместно с институтом БашНИПИНефть, разработан и внедрен руководящий документ «Проведение рекультивации техногенно-нарушенных земель при добыче нефти» РД 39-00147275-056-2000. БашНИПИНефть. Уфа, 2000. 102 с. Разработаны способы очитки почв от нефтяных загрязнений (Патенты РФ № 2170149; № 2198747; № 2199406). Совместно с ОАО ПИИ «Башгипроводхоз» проведены почвенно-мелиоративные обследования и составлены рекомендации по использованию почв на оросительных системах (Абзелиловский, Зилаирский, Буздякский, Уфимский, Стерлитамакский районы Республики Башкортостан).

Материалы исследований используются в учебном процессе при чтении курса «Мелиорация и рекультивация земель» на факультете Землеустройство и лесное хозяйство Башкирского государственного аграрного университета и курса «География рекультивируемых ландшафтов» на Географическом факультете Башкирского государственного университета.

Связь работы с научными программами. Различные этапы диссертационной работы были поддержаны: грантами РФФИ конкурс «Агидель» №№ 02-04-97912, 05-04-97907, 05-04-97902; грантом РГНФ № 06-01-84102; Комиссией про грантам при Президенте РФ (МК-1587.2004.5); Программами фундаментальных исследований ОБН РАН: «Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами» (2003-2005 г.г.) и «Биологические ресурсы России: Фундаментальные основы рационального использования» (2006-2008 г.г.); Государственными научно-техническими программами Академии наук Республики Башкортостан (1999-2009 г.г.).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на региональных конференциях: Республика Башкортостан, Уфа 1998-2010 г.г. На всероссийских конференциях: Съезды общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004; Ростов-на-Дону, 2008; Докучаевские молодежные чтения. Санкт-Петербург, 2002; 2004; «Проблемы геоэкологии Южного Урала». Оренбург, 2005, 2007; «Природообустройство и рациональное природопользование». Москва, 2005; «Почвоведение и агрохимия в XXI веке». Санкт-Петербург, 2006; XIII Всероссийская школа «Экология и почвы». Пущино, 2006. На международных конференциях: «Современные проблемы загрязнения почв». Москва, 2004; «Плодородие почв – уникальный природный ресурс – в нем будущее России». Санкт-Петербург, 2008; «Soil and Water Conservation, Climate Change and Environmental Sensitivity». Budapest. Hungary, 2008; «Global Change – Challenges for Soil Management: From Degradation on through Soil and Water Conservation to Sustainable Soil Management». Tara Mountain. Serbia, 2009; «Soil Fertility and Soil Productivity, Two Features to be Distinguished - Differences of Efficiency of Soils for Land Uses, Expenditures and Returns». Berlin. Germany, 2010.

Общий список опубликованных работ состоит из 47 наименований. По теме работы изданы 2 монографии, в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, опубликовано 19 статей.

Исходные материалы. В основу работы положены результаты многолетних (1996-2009 г.г.) полевых, модельных и аналитических исследований, проведенных в лаборатории почвоведения Учреждения РАН Институт биологии Уфимского научного центра РАН.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились основные типы почв, сформированные в разных почвенно-климатических зонах Южного Урала (на территории Республики Башкортостан), подверженные естественному и агротехногенному засолению. Экспериментальная работа проводилась на основе сравнительно-географических маршрутных и обзорно-площадных экспедиционных исследований, режимных наблюдений в полевых условиях, в микрополевых и лабораторных опытах. Почвенные разрезы закладывались в различных ландшафтах на почвах засоленного ряда природного генезиса и на участках с характерными признаками техногенного воздействия: загрязненных (нефтью, высокоминерализованными сточными водами), заболоченных, осушенных, орошаемых, пирогенно-деградированных и при необходимости и возможности, на аналоговых фоновых почвах. Образцы почв отбирали из основных генетических горизонтов, их лабораторно-аналитические исследования проводились в соответствии с принятыми в почвоведении методами. Обработка материалов выполнена с использованием методов математической статистики.

Структура и объем работы. Работа изложена на 409 страницах и состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка из 321 наименований, в том числе 54 – зарубежных авторов, включает 94 таблицы, 34 рисунка и 18 приложений.

Личный вклад автора. Автором определены цели и задачи исследований, принято участие в проведении десятков экспедиционных и маршрутных выездов, заложении почвенных разрезов и полевых опытов, ряде аналитических исследований, обработаны и обобщены полученные материалы. Часть работ по изучению использования природных агроруд для повышения плодородия засоленных почв в Зауральской степной зоне выполнены совместно с к.б.н. Дашкиным С.М., которой защитил кандидатскую диссертацию под руководством автора.

Выражаю глубокую признательность и благодарность зав. лабораторией почвоведения д.б.н. проф. Габбасовой И.М., чл. корр. АН РБ

д.б.н. Хазиеву Ф.Х., д.б.н. Мукатанову А.Х., старейшему научному сотруднику лаборатории почвоведения Ганиеву Х.И., а также к.с-х.н. Гарипову Т.Т.,
к.с-х.н. Назыровой Ф.И., к.с-х.н. Простяковой З.Г., к.б.н. Сидоровой Л.В.,
Хакимовой Г.А. и Фазлыевой Ф.Ш., оказавших огромную помощь в проведении полевых, аналитических работ и сбору материала.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Территории Республики Башкортостан расположена на рубеже Европы и Азии. Она занимает часть восточной окраины Русской равнины, гор Южного Урала и возвышенно-равнинного Зауралья, что объясняет большое разнообразие ее физико-географических, геоморфологических и климатических условий, почвообразующих пород, почв и типов растительности. Основной почвенный фон территории республики составляют почвы черноземного (37,2%) и лесного типа (27,7%).

Республика Башкортостан входит в пояс засоленных почв России, протянувшегося в основном с запада на восток по южным рубежам страны Панкова, Новикова, 2002. В группу засоленных почв входят солонцеватые разновидности зональных подтипов черноземов обыкновенных и южных, распространенных преимущественно в Зауральской степи республики, и солончаковатые разновидности луговых почв. В пределах республики развиты также типичные солончаки и солонцы, которые часто встречаются в Зауралье, реже на юге Предуралья, комплексируясь с зональными типами почв, их солонцеватыми родами.

2. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ЗАСОЛЕННЫХ ПОЧВ

Изучению засоленных почв региона в связи с их небольшим распространением посвящено значительно меньше работ, чем основным генетическим типам. Первые сведения об этих почвах обобщены в работе

Д.В. Богомолова 1954, позже их изучали П.Я. Бульчук 1966; 1973,
Б.М. Миркин 1973.

Значительно больше внимания уделялось вторичному засолению почв при мелиорации. Влиянию орошения на свойства почв, в том числе солевому режиму, посвящены работы Б.В. Шумакова 1979; Р.Ф. Абдрахманова и В.Г. Попова 1985, А.В. Комиссарова 1989, Я.Т. Суюндукова 1989, 1995, Х.М. Сафина 1996, 2000, С.А. Юнусова 2004, И.М. Габбасовой и др. 2004, 2006, 2009. Изменение количественного и качественного состава солей при осушении показано в работах Э.Г. Ашимова 1982, Р.А. Уразметовой и Х.И. Ганиева 1982, Ф.Х. Хазиева и

А.Х. Мукатанова 1985. В целом информация о засоленных почвах региона обобщена в двух томной монографии Почвы Башкортостана 1995, 1997.

В настоящее время проблема, связанная с засолением почв, обостряется в связи с загрязнением почв сырой нефтью и попутными рассолами в районах нефтедобычи. Исследования процессов техногенного засоления и осолонцевания почв при загрязнении высокоминерализованными поллютантами проводились в последние годы в лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН.

3. ПОЧВЫ ЗАСОЛЕННОГО РЯДА ЗАУРАЛЬСКОЙ СТЕПНОЙ ЗОНЫ И ОПТИМИЗАЦИЯ ИХ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Характеристика почв засоленного ряда Зауральской степной зоны

Целью маршрутных исследований было выявление и характеристика засоленных и осолонцованных почв в Зауральской степи. Всего было заложено 15 полнопрофильных разрезов и серия прикопок. Дополнительно анализировались материалы почвенного обследования Хайбуллинского района, проведенные Институтом «Волгогипрозем» и архивные материалы лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН.

Эти исследования показали, что наиболее распространенными почвами засоленного ряда являются черноземы обыкновенные и южные, сильно различающиеся по мощности, содержанию гумуса, выраженности засоления и осолонцевания и развитости почвенного профиля. Собственно типы солончаков и солонцов, а также солодей выявлены не были. Эти почвы не образуют самостоятельного фона, обычно они комплексируются с черноземами и лугово-черноземными почвами.

Как известно, солончаки и солончаковые почвы относятся к гидроморфному ряду. Их образование обусловлено наличием солей в почвообразующих породах и грунтовых водах. Рассоление солончаков, в составе солей которых имеется натрий, приводит к формированию солонцовых почв. Наиболее частой причиной этого процесса бывает понижение уровня грунтовых вод вследствие усиливающейся ксерофитизации климата. В зависимости от колебаний климатических условий, определяющих гидротермический режим почв, процессы засоления-осолонцевания сдвигаются в ту или иную сторону. При достаточно длительной солонцовой стадии начинают развиваться процессы осолодения.

Анализ морфологических свойств показывает, что солончаки луговые отличаются слабой дифференциацией почвенного профиля, наличием выцветов солей, слабой уплотненностью, отсутствием выраженной структуры, тяжелым механическим составом, вскипают по всему профилю. Солонцы-солончаки и в большей степени солонцы в отличие от солончаков обладают выраженной дифференциацией профиля на генетические горизонты. Характеризуются хорошо выраженной комковато-пылеватой или пластинчатой структурой верхних и ореховато-призмовидной, глыбистой или столбчатой структурой иллювиальных горизонтов. Они очень плотные, в сухом состоянии трещиноватые. Карбонаты отмечаются обычно в иллювиальных горизонтах. Среди структурных агрегатов в верхних гумусово-аккумулятивных горизонтах преобладают фракции размером 5-3 и 3-1 мм (их доля составляет 23-30% от общего числа), с глубиной начинают преобладать глыбистые фракции. Верхние горизонты также характеризуются высокой водопрочностью агрегатов (коэффициент водопрочности составляет 80-95), в осолонцованных горизонтах водопрочность агрегатов заметно снижается. Известно, что замещение поглощенных Ca и Mg на Na вызывает повышение дисперсности почвы, увеличение способности к набуханию во влажном состоянии, что приводит к резкому снижению или полному прекращению фильтрации влаги.

Морфологический профиль черноземов обыкновенных и южных при наличии засоления и осолонцевания наряду с характерной для этих почв резкой языковатостью, высокой плотностью и призматической структурой приобретают более выраженную слитость и столбчатость структуры осолонцованных горизонтов, в засоленных слоях появляются выцветы солей и белесоватая присыпка. В верхних гумусово-аккумулятивных горизонтах наряду с агрономически ценными агрегатами размером 3-1 мм начинают преобладать пылеватые фракции. Коэффициент водопрочности несколько ниже, чем у солончаков луговых и составляет 83-87.

По степени засоления исследованные почвы сильно различаются. Максимальное содержание сухого остатка наблюдается в солончаках луговых, степень засоления которых относится к градации очень сильной. Распределение солей в профиле солончаков относительно равномерное с максимумом скопления в верхней части. Преобладающий тип засоления – сульфатный и хлоридно-сульфатный.

Высокое содержание солей наблюдается и в солонцах луговых, лугово-болотных солончаковатых и солонцах черноземных. Максимальное содержание солей в этих почвах обнаруживается в иллювиальных горизонтах В1 или В2 на глубине 30-60 см. Степень засоления этих горизонтов определяется как сильная, тип засоления обычно хлоридно-сульфатный или сульфатно-хлоридный, реже – сульфатный.

Содержание обменного натрия в этих почвах составляет средний и сильный уровень солонцеватости, иногда в них наблюдается и повышенное количество магния. В солонцах черноземных и луговых в отличие от солончаковатых родов встречается содово-хлоридное и содово-сульфатное засоление, которое может быть очень сильным. Вместе с тем, встречаются солонцы со слабым уровнем засоления или его отсутствием. В черноземах обыкновенных и южных с различной степенью солонцеватости содержание солей изменяется от полного отсутствия до сильного, но обычно преобладает слабый уровень сульфатного и хлоридно-сульфатного типа, приуроченный к осолонцованным горизонтам. Содержание обменного натрия в ППК этих горизонтов значительно ниже, чем в солонцах луговых и черноземных, а количество обменного кальция почти в два раза выше, чем магния.

Реакция среды почв солонцового ряда изменяется от близкой к нейтральной до щелочной. Содержание гумуса в перегнойно-аккумулятивных горизонтах низкое и резко снижается с глубиной. В сильно осолонцованных горизонтах оно не превышает 1-1,5%. По содержанию питательных элементов все засоленные и осолонцованные почвы относятся к низкому и очень низкому уровню обеспеченности, особенно в отношении фосфора.

Оценка состояния почв в условиях длительного

сельскохозяйственного использования

Длительное сельскохозяйственное использование степных почв в Зауралье привело к их деградации. Этот процесс был усугублен в последние 20 лет не соблюдением севооборотов, чрезвычайно низким уровнем внесения минеральных удобрений и почти полным отсутствием - органических. Наиболее выраженные деградационные явления произошли на относительно бедных комплексах черноземов обыкновенных и южных в разной степени засоленных и осолонцованных. Для комплексной оценки состояния таких почв нами были проведены исследования на территории Хайбуллинского района. Почвенные разрезы закладывались на целинных и пахотных аналогах почв.

Анализ морфологических свойств показал, что длительное сельскохозяйственное использование исследованных почв привело к уменьшению мощности гумусово-аккумулятивного горизонта (А+АВ) в среднем на шесть сантиметров, нарушению структуры, сильному уплотнению, повышению уровня вскипания. В распаханной почве вскипание наблюдалось с поверхности, тогда как в целинной почве только в иллювиальном горизонте.

Деградация почвы сопровождалась снижением ее биопродуктивности: на исследуемом поле имелись пустые участки или посевы были сильно угнетены. В распаханной почве содержание гумуса в пахотном горизонте относительно целинной снизилось на 12%. Дегумификация этой почвы наблюдалась вплоть до горизонта Вк. Реакция среды гумусово-аккумулятивных горизонтов изменилась до слабощелочной в пахотном аналоге, что согласуется с увеличением в ней карбонатов и обменного натрия. В верхнем 0-20 см слое содержание обменного натрия возросло почти в 10 раз и хотя степень осолонцованности определяется как «слабая», изменения химических свойств оказались весьма существенными. На фоне дегумификации и подщелачивания почвенного раствора произошло снижение емкости катионного обмена, содержания и доступности питательных элементов азота и фосфора.

Таблица 1. Состав водной вытяжки

Горизонт, мощность, см	НСО3-	СI-	S042-	Са2+	Мg2+	Na++K+
	мг-экв/ 100 г почвы