Dynamics of physical properties of soils and humus reserves in salted soils under desertification

Проблема деградации почвенного покрова и опустынивания является неоспоримым фактом в глобальном масштабе (https://www.un.org/sustainabledevelopment/ru/) . Можно говорить о катастрофическом развитии негативных процессов в почве практически во всех природно-климатических зонах. Для России наиболее сложная ситуация сложилась в южных засушливых регионах, усугубляемая развитием опустынивания.

Как правило, деградационные процессы экосистем, в том числе под влиянием климатических изменений, фиксируют по изменению состава растительных сообществ. В засушливых регионах индикаторами деградации и опустынивания является смещение видового состава растительности в сторону ксерофитов и галофитов (Яшин и др., 2012; Пугачева, 2020) . По динамике растительных сообществ под влиянием климатических изменений существует большое число работ (Parmesan, Yohe, 2003; Dietrich et al., 2022) , но особенности происходящих изменений в почвах освещены крайне скудно.

Однако происходящие изменения в растительном покрове являются следствием нарушения экологических функций почвы, где именно физические свойства являются основой формирования лимитирующих факторов для развития растений. Важную роль в меняющихся климатических условиях имеет понимание вектора смещения физических свойств в условиях прогрессирующего опустынивания, осложненного засолением почв.

Термин “опустынивание” впервые использовал французский ученый Анри Обревиль в 1949 г. в докладе “Климат, леса и опустынивание в тропической Африке” (Aubreville, 1949) . Опустынивание является следствием воздействия целого ряда факторов как природного, так и антропогенного характера и трактуется достаточно широко. Причиной опустынивания часто называют увеличение аридизации климата. Под понятием аридизации традиционно подразумевается сочетание дефицита влаги в атмосфере и в почве.

Дефицит почвенной влаги на фоне дефицита атмосферной влаги при глубоком залегании грунтовых вод, усиливающийся деградационными процессами, сопровождается изменением физических свойств/процессов. То есть ухудшаются водно-физические свойства почв, что, в свою очередь, ведет к “опустыниванию почв”. На это указывали Б.Г. Розанов, И.С. Зонн (Розанов, Зонн, 1981) : “… степень аридизации почв можно количественно устанавливать в конкретных показателях водно-физических свойств и водного режима ”.

А.Н. Золотокрылин (2011) утверждает, что динамика опустынивания является следствием взаимодействия процессов ари-дизации и деградации земель (Золотокрылин, 2011) .

Однако в работе того же автора, спустя 10 лет, отмечено, что проведенные исследования трендов увлажнения в засушливых зонах Юга России показали взаимную компенсацию колебаний индекса аридности и отсутствие развития аридизации более чем за 100 лет. Авторы приходят к выводу, что основным фактором опустынивания все же является интенсивная деградация земель (Золотокрылин, 2020). А физическая деградация почв служит спусковым механизмом для большого количества опасных природных явлений, например, пыльных бурь, количество которых увеличилось в разы за последнее десятилетие в засушливых реги- онах (Zucca et al., 2022; Leroy et al., 2022).

Целью данного исследования явилось изучение динамики физических свойств и запасов гумуса засоленных почв в условиях опустынивания.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Анализ многолетних трендов (2000–2018 гг.) показал, что скорость роста деградации земель на фоне увеличения альбедо поверхности в засушливых регионах Европейской части России наиболее высока в Астраханской области, и здесь же отмечается положительный тренд для индекса аридности – около 5% (Золотокрылин, 2020) .

Динамику физических свойств почвы, а также запасов почвенной влаги и гумуса изучали на территории заложенного в 2010 г. стационарного участка в Икрянинском районе на юго-западе Астраханской области в пределах западной периферии Волжской дельты и восточной окраины района Западных подстепных ильменей. К числу наиболее распространенных процессов деградации почв в этой зоне относятся засоление, дефляция, обесструктуривание. В южных районах – опесчанивание.

Объект исследования представляет собой типичный антропогенно измененный бугровой ландшафт на территории дельты Волги в Астраханской области, имеющий специфический водный режим, осложненный обваловкой территорий в 70-е годы ХХ в.

Климат резко континентальный. Годовое количество осадков – на уровне 180–200 мм. Длительность безморозного периода – 170–190 дней.

По данным Астраханского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, максимальные величины температуры воздуха за 2000–2022 гг. характеризуются устойчивой тенденцией к увеличению и часто превышают отметку +40 °С. Средняя годовая температура воздуха также имеет тенденцию к незначительному увеличению (рис. 1а). В течение указанного периода отклонение от климатической нормы находилось в положительных пределах и в среднем составило +1.15 °С (максимальное в 2010 г. – +2.11 °С, минимальное в 2003 г. – +0.10 °С). Климат характеризуется значительными амплитудами колебания температур воздуха, как годовых, так и суточных.

Средняя температура воздуха за год

га ,__,71

>. о га 70

с ” 69

5 о

Н С 68

а

2008   2010   2012   2014   2016   2018   2020   2022

б

Рис. 1. Максимальные и средние температуры воздуха 2000–2022 гг. ( а ) и максимальные температуры поверхности почвы 2008–2022 гг. ( б ).

Fig. 1. Maximum and mean air temperatures 2000–2022 ( а ) and maximum soil surface temperatures 2008–2022 ( б ).

Максимальные температуры поверхности почвы в летний период выше + 67 °С (рис. 1б) и имеют тенденцию к увеличению.

Рельеф представлен морской аккумулятивной равниной с ильменно-грядовыми ландшафтами, осложненной полигенетиче-скими образованиями – бэровскими буграми и ильменями в меж-бугровом пространстве (Нижняя Волга…, 2002) .

Особенностью территории является наличие обвалованных участков, представленных постагрогенными почвами, выведен- ными их хозяйственного использования более 30 лет назад, ранее используемых для выращивания пасленовых и культуры риса. Обваловка существенно изменила гидрологический режим участка. Территория оказалась отрезанной от влияния поверхностных паводковых вод в период весенне-летних половодий. Источниками поступления влаги в почву остались немногочисленные осадки и минерализованные грунтовые воды. Началось интенсивное развитие деградационных процессов, в первую очередь засоление, сопутствующее опустыниванию. Это привело к формированию на значительной площади солончаков. Засоление на объекте исследования присутствует исторически долго, трансформация экосистемы вышла на стационарный уровень. Хорошо видны зоны деградации и даже деструкции в результате засоления.

Наблюдения за динамикой базовых физических свойств почв, солевого состояния, запасов гумуса и почвенной влаги проводили с 2010 по 2022 гг. Характер динамики некоторых физических свойств может существенно отличаться по периодам в зависимости от климатических и гидрологических условий в конкретный момент времени.

Для выбора срока проведения ежегодных исследований был проведен анализ многолетних архивных климатических и гидрологических данных за 2000–2009 гг., который показал, что наименьшие амплитуды колебания температуры воздуха (средняя месячная температура воздуха 26.08 °С), количества осадков (среднемесячное количество осадков 5.88 мм) и низкий уровень воды в водотоках дельты Волги (средний уровень воды по гидропосту рукава Бахтемир составляет 277.00 см) характерны для августа месяца. Исходя из этого, полевые исследования и отбор почвенных проб проводился в августе (ориентировочно с 10 по 20 августа). За время проведения полевых исследований на объекте дни с осадками отсутствовали. В этих условиях многолетние стационарные наблюдения позволили установить общие тенденции изменения почв, определяющиеся почвенно-климатическими параметрами конкретного участка.

Одними из важнейших параметров, характеризующих степень деградации и опустынивания, являются физические свойства почв: влажность, запас влаги, плотность, порозность, водопрони- цаемость, а также солевое состояние и запасы гумуса.

Отбор проб для лабораторных анализов и стационарные определения почвенных свойств почв осуществляли непосредственно на исследуемом участке в узлах равномерной сетки с шагом 10 м на участке 100 × 100 м. Перепад высот составил 11.9 м (самая высокая отметка – вершина бугра Бэра).

Количество пробных площадок составило 120 шт., что достаточно для корректной аппроксимации результатов и достоверного анализа полученных выборок данных.

Исследованная территория разделена на три почвенных участка (ПУ) в зависимости от положения в рельефе: ПУ № 1 – вершина бугра Бэра; ПУ № 2 – восточный склон бугра Бэра (оба участка представлены зональными бурыми аридными сильнозасоленными почвами, не подверженными влиянию антропогенного фактора); ПУ № 3 – шлейф восточной части бугра Бэра, солончак типичный луговой (Полевой определитель…, 2008) . Все ПУ представляют собой генетически однотипные биогеоценозы, имеющие сходные уровни нагрузки.

При полевых исследованиях почвы использовали экспресс-методы определения физических свойств (Полевые…, 2001) . Определение свойств и отбор проб для проведения лабораторных анализов осуществлялись по слоям 0–10 см, 10–20 см, 20–40 см и 40–50 см без учета генетических горизонтов, что вполне согласуется с задачами.

Влажность почвы (W, %) определяли на влагомере МХ-50; плотность почвы (ρ b , г/см ³ ) буровым методом с использованием бура Качинского объемом 100 см ² в трехкратной повторности; водопроницаемость (Kf, см/час) почв послойно определяли методом трубок с переменным напором. Изучение солевого состояния почв проведено по величине плотного остатка. Содержание гумуса определялось по методу И.В. Тюрина (ГОСТ 26213-2021…, 2021) .

Полученные массивы экспериментальных данных были структурированы в выборки по годам, далее по ПУ в соответствии с изучаемыми свойствами.

Статистический анализ данных выполняли в среде программирования R с использованием общеизвестных статистических методов (уровень значимости р = 0.05). Обработку результатов проводили методами описательной статистики. Для оценки различия выборочных средних применяли непараметрический критерий Манна–Уитни, это позволяет избежать проверки каждого свойства на нормальность распределения в силу возможности несоответствия такового. Результаты визуализировали с использованием диаграммы размаха (Box, Whiskers).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Изменение состояния объекта исследования за период 2010– 2022 гг. представлено на рисунке 2. Значительно увеличились площади деградированных участков, лишенных растительности. В 2010 г. целостность бугра Бэра была сохранена. В 2022 г. бугор Бэра находится в стадии физического разрушения. Материал бугра используется населениям для хозяйственных нужд.

Значительный интерес представляет изменение базовых физических свойств почвы, а также запасов влаги и гумуса в условиях развития деградационных процессов на фоне обваловки территории и повышения среднегодовых температур воздуха.

В условиях малой влагообеспеченности и крайне скудного растительного опада процессы гумусообразования значительно замедляются. Зв период наблюдений установлена отрицательная тенденция запасов влаги и гумуса (рис. 3).

Анализ результатов описательной статистики выборок данных по изученным свойствам за 2010 и 2022 гг. (табл. 1) показал, что запасы влаги в почве сократились на 13%, запасы гумуса – на 11%. Увеличилось содержание солей в почве (от 2.15 до 2.30%), которое изначально и так было очень высокое. Показатели пороз-ности почвы уменьшились с 39 до 35%.

Как видно из таблицы 1, в абсолютных величинах изменения зафиксированы для всех выбранных почвенных свойств.

В целом для всей территории исследования проверка равенства выборочных средних с использованием критерия Манна– Уитни показала, что с 2010 по 2022 гг. статистически значимо в слое 0–40 см изменились величины влажности почвы (р = 2.2E-16), запасы почвенной влаги (р = 2.61E-09) и гумуса (р = 0.0008). Плотность, порозность, содержание солей и водопроницаемость почвы значимо не изменились.

а

б

Рис. 2. Космический снимок объекта исследования. Астраханская область, Икрянинский район (даты снимков: а – 10.08.2010; б – 06.09.2022, рамкой обозначен стационарный участок).

Fig. 2. Satellite image of the study site. Astrakhan oblast, Ikryaninsky region (dates of images: а – 10.08.2010; б – 06.09.2022, stationary site is marked by the frame).

ЗВ, м3/га —*— W, %

2005   2010   2015   2020   2025

а га 22

га

| 21

га г га со 20

2010    2015    2020    2025

Год

б

Рис. 3. Динамика запасов влаги ( а ) и гумуса ( б ).

Fig. 3. Dynamics of moisture reserves ( а ) and humus ( б ).

Таблица 1. Статистические показатели свойств почв (n = 120)

Table 1. Statistical indicators of soil properties (n = 120)

Параметр	mean		median
год	2010	2022	2010	2022
W, %	12.18	9.44	11.98	9.48
Sol, %	2.15	2.30	1.61	1.83
ρ b , г/см3	1.42	1.43	1.43	1.45
Kf, см/час	3.84	3.39	2.13	1.74
ε, %	39.00	36.00	38.00	36.00
ЗГ, т/га	22.23	19.26	19.81	16.76
ЗВ, м3/га	172.35	135.02	150.28	128.86

Примечание. Здесь и далее: mean – среднее значение; median – медианное значение; W, % – влажность почвы; Sol, % – содержание солей по величине плотного остатка; ρ_b, г/см³ – плотность почвы; Kf, см/час – коэффициент фильтрации; ε, % – порозность почвы; ЗГ, т/га – запас гумуса; ЗВ, м³/га – запас влаги в почве.

Note. Hereinafter: mean – mean value; median – median value; W, % – soil moisture; Sol, % – salt content according to the value of solid residue; ρ b , g/сm³ – soil density; Kf, cm/hour – filtration coefficient; ε, % – porosity of soil; ЗГ, t/ha – soil humus reserve; ЗВ, m³/ha – soil moisture reserve.

Как уже было отмечено, исследуемая территория находится в пределах бугрового ландшафта и обобщенные результаты, полученные для всей территории, не позволяют сделать достоверные выводы о происходящих изменениях, а лишь констатируют общие тенденции.

С целью уточнения временной динамки физических свойств по разным геоморфологическим элементам ландшафта анализировали выборки данных для каждого ПУ за 2010 и 2022 гг. Статистические результаты представлены в таблице 2 и на рисунке 4.

Анализ данных показал, что в зависимости от положения ПУ в рельефе, величины имеют значительную пространственную вариабельность.

Таблица 2. Статистические показатели свойств почв (n = 40 для каждого ПУ)

Таблица 2. Statistical indicators of soil properties (n = 40 for each soil site)

Параметр	mean		median		sd		R
год	2010	2022	2010	2022	2010	2022	2010	2022
ПУ № 1 (вершина бугра Бэра)
W, %	12.27	10.40	11.75	10.02	3.66	3.05	13.75	12.11
Sol, %	2.13	2.55	1.78	2.20	1.40	1.58	4.97	5.51
ρ b , г/см3	1.44	1.45	1.44	1.45	0.08	0.08	0.37	0.36
Kf, см/час	3.24	2.84	1.48	1.00	5.24	5.05	30.30	30.30
ε, %	38.00	38.00	38.50	38.50	5.31	5.29	24.00	24.00
ЗГ, т/га	22.35	20.06	19.44	19.44	11.66	10.68	40.44	39.42
ЗВ, м3/га	175.92	150.55	160.29	153.63	52.68	45.34	201.62	177.50
ПУ № 2 (склон бугра Бэра)
W, %	12.44	9.66	12.78	10.03	3.01	2.45	10.82	8.78
Sol, %	2.84	2.84	2.84	2.84	1.80	1.80	5.80	5.80
ρ b , г/см3	1.44	1.40	1.44	1.47	0.09	0.11	0.66	0.65
Kf, см/час	3.48	3.06	1.94	1.54	4.59	4.45	23.54	23.22
ε, %	36.00	36.00	35.00	34.50	6.71	6.93	23.00	23.00
ЗГ, т/га	17.88	16.00	18.36	17.58	10.67	9.63	36.65	31.21
ЗВ, м3/га	178.51	140.76	177.25	145.02	42.07	35.15	151.45	136.51

Продолжение таблицы 2Table 2 continued

Параметр	mean		median		sd		R
год	2010	2022	2010	2022	2010	2022	2010	2022
ПУ № 3 (шлейф бугра Бэра)
W, %	11.83	8.27	11.77	8.18	3.20	2.44	12.10	9.13
Sol, %	1.50	1.50	0.76	0.76	1.65	1.65	5.51	5.51
ρ b , г/см3	1.37	1.39	1.40	1.41	0.11	0.11	0.41	0.43
Kf, см/час	4.81	4.27	2.94	2.67	4.87	4.57	19.47	19.71
ε, %	41.00	40.00	41.00	41.50	7.85	8.55	30.00	34.00
ЗГ, т/га	26.46	21.71	21.19	17.07	17.84	17.07	76.04	69.64
ЗВ, м3/га	162.62	113.75	160.25	117.77	45.79	37.00	187.31	173.75

Примечание. Здесь и далее: R – размах; sd – стандартное отклонение.

Note. Hereinafter: R – values diapason; sd – standard deviation.

ПУ

Рис. 4. Диаграммы размаха физически свойств в 2010 и 2022 гг. по почвенным участкам.

Fig. 4. Diagrams of values diapasons for physical properties in 2010 and 2022 on each soil site.

В результате дефицита почвенной и атмосферной влаги произошло уменьшение запасов почвенной влаги и гумуса повсеместно на всей исследованной территории. Наиболее выражена дегумификация в околобугровом пространстве, что связано еще и с уничтожением поверхностного слоя почвы в результате разрушения бугра Бэра. Содержание солей незначительно увеличилось лишь на вершине бугра (ПУ № 1).

Значимость различий в 2010 и 2022 гг. величин физических свойств и запасов гумуса по выделенным почвенным участкам устанавливали с помощью критерия Манна–Уитни (табл. 3).

Таблица 3. Уровень достоверности различий (р = 0.05) физических свойств и запасов гумуса на ПУ в 2010 и 2022 гг.

Table 3. Level of reliability of differences (р = 0.05) in physical properties and humus reserves on soil sites in 2010 and 2022

Параметр	ПУ № 1	ПУ № 2	ПУ № 3
W, %	0.023*	1.27Е-4*	2.42Е-06*
Sol, %	0.047*	0.248	0.857
ρ b , г/см3	0.566	0.250	0.654
Kf, см/час	0.554	0.421	0.424
ε, %	0.406	0.242	0.175
ЗГ, т/га	0.061	0.083	0.121
ЗВ, м3/га	0.033*	1.6Е-4*	8.01E-06*

Результаты сравнения выборочных средних изученных свойств подтвердили, что статистически значимо (р = 0.05) за выбранный временной диапазон изменились влагообеспеченность почвы на всей территории исследования и солесодержание на вершине бугра Бэра.

Почвенный покров бугра Бэра представлен бурыми аридными засоленными почвами, отрезанными от влияния грунтовых вод. За счет малого количества растительности, представленной видами пустынной флоры (полынь, верблюжья колючка), почвы подвержены ветровой эрозии и дефляции. Влажность почвы на поверхности в летний период находится на уровне гигроскопической (2–4%). В результате высоких температур воздуха и значительного нагрева почвы вершины бугра происходит интенсивное испарение влаги из нижележащих слоев почвы, что способствует подъему солей под действием капиллярных сил. Под влиянием немногочисленных осадков в почвенном профиле развиваются процессы осолонцевания, что проявляется в увеличении плотности автоморфных почв. Почвы склона бугра (ПУ № 2) характеризуются более высокими величинами ЗГ и ЗВ в силу более тяжелого гранулометрического состава за счет сноса материала с вершины бугра.

ПУ № 3 (гидроморфный луговой солончак) приурочен к пониженным элементам ландшафта. Нижняя часть почвенного профиля подвержена влиянию минерализованных грунтовых вод во время весенне-летних половодий на глубине порядка 1 м. До обваловки участок подвергался затоплению паводковыми водами. На фоне высоких температур воздуха происходит интенсивное испарение и пересыхание почвы. На поверхности образуются многочисленные трещины, что способствует значительной вариабельности величины коэффициента водопроницаемости почвы и перераспределению гранулометрических фракций. Физическое разрушение бугра приводит к выходу на поверхность подстилающей породы, что способствует прогрессирующей дегумификации, ветровой эрозии и в последствии появлению открытых песков.

В околобугровом пространстве за счет микрорельефа и изменения гидрологического режима произошло перераспределение солей в пространстве, однако количественное содержание значимо не изменилось.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение многолетней динамики физических свойств и запасов гумуса засоленных засушливых почв Астраханской области показало, что за период с 2010 по 2022 гг. развитие деградацион-ных процессов обвалованных территорий усилилось на фоне повышения температуры воздуха. На статистически значимом уровне существенно уменьшились запасы влаги и гумуса в почве, отмечается тенденция увеличения плотности и содержания солей в автоморфных почвах. Наибольшие негативные изменения почвенных свойств приурочены к пониженным элементам рельефа, где наблюдается устойчивая дегумификация почвы. Значительное уменьшение влагообеспченности почв и дефицит атмосферной влаги в условиях изменения водного режима в результате обваловки территории приводят к увеличению скорости развития де-градациии и опустынивания почв. Устойчивая тенденция негативных изменений в почвенном покрове подобных территорий может привести в ближайшем будущем к необратимым изменениям и экологическому бедствию. Необходимы срочные меры по восстановлению подобных территорий в виде разваловки территорий и применения комплексных технологий по борьбе с опустыниванием и деградацией почв.

No. 1, pp. 41–52.