Изменение свойств почв при различных формах и степени проявления опустынивания

ФГБНУ “Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук” (ФНЦ агроэкологии РАН), Россия, 400062, г. Волгоград, пр. Университетский, д.97, *, e-mail: , **

97 Universitetskiy ave., Volgograd, 400062, Russian Federation, *, e-mail: , **

Опустынивание и засоление почв являются экологическими проблемами, наблюдаемыми во всем мире (Национальный доклад, 2019; Национальный доклад, 2021; Xunming et al., 2021). Масштабы этого явления серьезны: более 70% поверхности суши затронуто опустыниванием, общая площадь засоленных почв в мире составляет около 950 млн га. Согласно Конвенции ООН (КБО ООН), опустынивание есть “деградация земель в засушливых, полуза-сушливых и сухих субгумидных районах (засушливые земли), возникающая в результате различных факторов, включая изменение климата и деятельность человека” (Holtz, 2003). Это приводит к значительному снижению продуктивности земель и возникновению пустынных ландшафтов (Becerril-Piña, Mastachi-Loza, 2021; Кулик, 2023; Беляев и др., 2025).

Причинами опустынивания является комплекс факторов: глобальное потепление, изменение количества и режима атмосферных осадков, антропогенная деятельность (чрезмерный выпас скота, быстрый рост населения; бедность, чрезмерное земледелие, отсутствие альтернативных средств существования) (Valentina-Daniela, Diana-Mura, 2023).

Для засушливых районов Прикаспийской низменности характерно также засоление почв. Взаимосвязь между опустыниванием почв, засолением и почвенными свойствами трудно исследовать в большом пространственно-временном масштабе с помощью традиционных наземных методов (Liu et al., 2024). Поэтому подобные изыскания локальны.

Функционирование экосистем Прикаспийской низменности определяется во многом гидрологическим режимом Каспия. Здесь веками устанавливалось хрупкое равновесие между звеньями экосистем, а формирование почвенного покрова происходило в условиях аридного климата в зависимости от трансгрессий Каспия и гидрологического режима реки Волга на фоне засоления почв и почвообразующих пород. Изменения климата и антропогенная нагрузка привели к интенсивному развитию опустынивания, формируя зоны разных форм опустынивания (different forms of desertification – DFD). Река Волга обеспечивает наибольший сток в Каспий и образует дельту с большим количеством внутренних водоемов, малых рек и замкнутых озер. Площадь водоемов начала сокращаться с пятидесятых годов прошлого века из-за резкого падения уровня Каспия и антропогенного вмешательства в виде зарегулирования стока реки Волги и обваловки территории для мелиоративных целей. Дополнительными причинами стали ненадлежащие методы ведения сельского хозяйства и добыча нефти и газа. Это вызвало разрушение природной среды, увеличение опустыненных площадей и пыльных бурь (Hu et al., , 2020; Yunjie et al., 2022).

Степень опустынивания и содержание солей в почве влияет на разнообразие растений и плодородие почв (Lan et al., 2023). Сравнительные исследования почв разных форм опустынивания практически отсутствуют (Prince, Podwojewski, 2019). До настоящего времени были проведены исследования растительности (Рахманова, 2022; Сафронова, 2024) и почвы в разных районах Прикаспия (Федотова др., 2023), но большинство из них концентрировалось на единичных изменениях свойств почвы или разнообразия растений в процессе опустынивания, а исследований взаимосвязей между почвенной средой и степенью и формами опустынивания почти нет. Большинство исследований сосредоточено на причинах, масштабах и управлении опустыниванием.

Понимая, что затрагиваем дискуссионный вопрос, будем придерживаться мнения, что первичным звеном экосистемы является почва. И изменения почвенных свойств приводят к перестройке и деградации экосистемы. Для предотвращения негативных процессов очень важно получение актуальной информации о состоянии почвы с учетом определенных почвенных параметров. Показатели качества почвы используются, чтобы оценить, насколько хорошо почва выполняет свою биосферную функцию, которую невозможно измерить напрямую. В данной работе термин “качество почвы” используется для понимания последствий опустынивания, природных воздействий, землепользования, деятельности человека и управления сельским хозяйством, которые могут влиять на пространственные различия в состоянии земельных угодий. На сегодняшний день не существует единых стандар- тов качества почв как в России, так и в странах Европейского сообщества.

Существует немало исследований оценки чувствительности к опустыниванию с использованием показателя качества почвы (Salvati, Bajocco, 2011; Egidi, 2021). Качество почвы обладает высокой стабильностью и первоначально ограничивает опустынивание до нарушения биосферных функций почвы (Shao, 2023).

Наше исследование определенно будет иметь значение для борьбы с опустыниванием, и оно актуально.

Измерение большинства индикаторов опустынивания для почв может оказаться сложным процессом (Kosmas et al., 2003; Hosseini, 2014). Наиболее важными для выполнения почвой своих функций являются показатели физического состояния почвы. В данной статье будут определены и проанализированы несколько важных показателей физического состояния почвы, которые коррелируют с воздействием на окружающую среду и которые можно количественно измерить: плотность почвы, влажность почвы и запас влаги, водопроницаемость, гранулометрический состав, а также содержание органического вещества, количество солей и величина pH.

Целью нашей работы было изучить закономерности изменения состояния почвы при различных DFD.

Задачи состояли в том, чтобы изучить следующее:

• 1)    характеристики вариаций разнообразия форм и степеней опустынивания на севере Прикаспийской низменности;

• 2)    характеристики вариаций почвенных факторов при DFD;

• 3)    связь степени опустынивания с почвенными факторами для DFD.

Это позволит системно объяснить изменения экосистем, вызванные процессами засоления и опустынивания в Прикаспии, обеспечить важную основу для восстановления земель в условиях засоления и опустынивания, что будет иметь решающее значение для его предотвращения.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Для исследования выбраны пять районов, расположенные в северной части Прикаспийской низменности в Астраханской об- ласти. Выбранные районы различаются по форме (DFD) и степени (degrees of desertification – DD) опустынивания почв. Почвы имеют также разную степень засоления. Территории подвержены ряду факторов, провоцирующих опустынивание почвы. Выбранные опустыненные участки разделены по следующим типам опустынивания: засоление (HD), пастбищная дигрессия (pasture digression – PD), незакрепленные открытые пески (shifting sands – SS), полу-закрепленные пески (semi-fixed sands – SFS), потеря биоразнообразия (loss of biodiversity – LB), и степени опустынивания (DD): 5 – “экстремальную”, 4 – “тяжелую”, 3 – “умеренную” (рис. 1, табл. 1).

• 1.    LB . Водораздел. Малоинтенсивное пастбище. Почва автоморфная, бурая аридная. Средняя степень засоления почвы. DD = 3. Потеря видового разнообразия растительности. Володарский район, Астраханская область: (46,3592760348° С; 48,68913418° В).

• 2.    PD. Луговый гидроморфный солончак. Средняя и сильная степень засоления почвы. Интенсивная пастбищная нагрузка. Пастбищная дегрессия. DD = 4. Икрянинский район, Астраханская область (46,030676° С; 47.735514° В).

• 3.    SFS . Полузакрепленные пески. Сильно изреженная растительность. Почвы незасоленные. Пастбищная нагрузка – средняя. DD = 4. Харабалинский район, Астраханская область (47,40621887° С; 47,83993012° В).

• 4.    SS . Открытые пески. Растительность отсутствует. Поверхность сильно дефлирована. Почвы незасоленные. DD = 5. Наримановский район, Астраханская область (46,31613929° С, 46,85610275° В).

• 5.    HD . Солончак типичный. Прибрежная зона соленого озера. Растительность представлена отдельными видами галофитов. Почва высокой степени засоления. DD = 5. Наримановский район, Астраханская область (46,24333293° С; 47,5350014146° В).

Территория, где расположены объекты исследования, имеет умеренный, резко континентальный климат с высокими средними температурами летом (21–26 °С), низкими зимой (–3–5 °С), малым количеством осадков (150–200 мм) и высокой испаряемостью (900–1000 мм/г.) (Гравшенкова и др., 2023).

В каждом районе исследований было отобрано по 5 репрезентативных участков (50 × 50 м), где закладывали 3 почвенных разреза, в результате получилось 25 участков и 75 почвенных разрезов. Основная информация о пробных участках представлена в таблице 1.

SS

Рис. 1. Объекты исследования.

Fig. 1. Objects of research.

Таблица 1. Критерии для оценки степени опустынивания

Table 1. Criteria for assessing the degree of desertification

DFD	DD	Тип почвы (WRB-2022)	Основная растительность	Содержание солей (0–30 cм), %
LB	3	Endosalic Calcisols (EC)	Camphorosma monspeliaca, Anabasis salsa	4.38
PD	4	Haplic calcisols (HC)	Eremopyrum triticeum, Artemisia herba-alba, Salsola dendroides	3.42
SFS	4	Haplic Arenosols Eutric (HAE)	Peganum harmala, Xanthium spinosum	0.13
SS	5	Arenosols (AR)	-	0.12
HD	5	Haplic Solonchaks Aridic (PSA)	Petrosimonia oppositifolia, Salicornia europaea	12.16

Отбор проб проводили в соответствии с национальным стандартом РФ ГОСТ Р 58595-2019 “Почвы. Отбор проб” (ГОСТ Р 58595-2019). Показатели органического вещества почвы (SOM), гранулометрического состава (GS), содержания солей (SOL) определяли в смешанной пробе после просеивания через сито 1 мм. Непосредственно на участке определяли водопроницаемость методом трубок с переменным напором. Для оценки почвы определяли влажность, плотность почвы и использовали коэффициент структурности (К стр ), рассчитанный по результатам сухого просеивания методом Савинова (Шеин, 2001). Гранулометрический состав определяли лазерным анализатором размера частиц ЛАСКА-ТД с предварительной пирофосфатной обработкой почвенных образцов.

Непараметрический дисперсионный анализ Краскала– Уоллиса использовался для проверки наличия каких-либо суще- ственных различий в почвенных факторах между DFD и DD, а затем использовался пост-тест LSD.

Для выявления значимости влияния DD на факторы использовали дисперсионный анализ и модель множественной линейной регрессии. Вышеуказанный анализ и визуализация были выполнены в среде программирования R версии 4.4.1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Физические почвенные условия в районах опустынивания оказались плохими. Различия между физическими свойствами почвы для различных DFD проявляются по-разному (табл. 2, рис. 2).

Таблица 2. Сравнение физических свойств почвы на участках с разной степенью опустынивания (0–30 см)

Table 2. Comparison of soil physical properties in areas with various degrees of desertification (0–30 cm)

DFD	W, %	ρ b , г/см3	Доля гранулометрических фракций, %
			2–0.05 мм	0.05–0.002 мм	< 0.002 м
LB	6.08±0.37	1.46±0.02	39.80±4.65	24.73±2.03	35.52±5.35
PD	8.10 ± 0.92	1.49±0.04	37.00±6.06	30.93±4.27	32.27±4.09
SFS	0.75±0.04	1.71 ± 0.04	34.89±3.53	61.39±5.68	3.72±0.37
SS	4.21±0.68	1.53±0.05	36.87±3.99	60.71±5.68	2.42±0.62
HD	15.97±1.43	1.50±0.07	20.13±2.24	22.08±2.79	58.67±8.76

Примечание. W, % – влажность почвы при измерении плотности, ρ b , г/см³ – плотность почвы.

Note. W, % – soil moisture content at the time of density measurement; ρb, g/cm³ – soil density.

Рис. 2. Диаграммы Box & Whisker свойств почв участков исследования (W, % – влажность почвы при измерении плотности; ρ , г/см³ – плотность почвы; Sol, % – содержание солей в почве; SOM, % – содержание почвенного органического вещества; K f – коэффициент фильтрации).

Fig. 2. Box Diagrams & Whisker of soil properties of study sites (W, % – soil moisture when measuring density; ρ , г/см³ – soil density; Sol, % – content of salts in the soil; SOM, % – content of soil organic matter; Kf – filtering factor).

Наблюдались существенные различия в гранулометрическом составе почвы. Значимой вариабельностью обладают доли фракций пыли и глины. Наибольшее количество глинистых фракций приурочено к HD (> 50%). По мере прогрессирования опустынивания количество глинистых частиц (< 0.002 мм) уменьшается, по мере увеличения содержания солей в почве – увеличивается. Для SFS и SS содержание тонкодисперсных фракций мало и составляет менее 4%. Обратная тенденция отмечена для фракций пыли (0.05–0.002).

Наибольшая влажность (при измерении плотности) почвы (15.97%) характерна для HD вследствие близости водоема и большого количества солей в почве. Для остальных участков почва очень сухая и испытывает крайний дефицит почвенной влаги. Плотность почвы четырех участков с разными DFD выше нормы и находится в пределах 1.54–1.57 г/см3. Наибольшая плотность (1.71 г/см3) отмечена для SFS.

С увеличением степени опустынивания и при отсутствии солей в почве возрастают величины рН (> 8.5). Водопроницаемость почвы значимо отличается от всех исследованных почв только для HD (7 см/час). Для остальных участков величина водопроницаемости находится в пределах 2–4 см/час.

С помощью LSD-теста проведена проверка равенства средних значений имеющихся выборок и выделены среди них группы с одинаковыми средними значениями. Проведенный дисперсионный анализ и LSD-тест показали, что для разных форм опустынивания существуют значимые различия в величинах физических свойств почв (рис. 3).

Наибольшие различия зафиксированы для величин влажности исследуемых почв (4 группы), где выделена группа почв с экстремально низкой влажностью (d). Плотность почвы оказалась наиболее стабильной величиной при исследованных формах и степени опустынивания почв (2 группы). Различия по плотности наблюдаются только для почв участка с полузакрепленными песками. Большой разброс значений характерен для величин водопроницаемости почвы (5 групп, одна переходная).

Рис. 3. Пост-тест LSD свойств почв участков исследования (W, % – влажность почвы при измерении плотности; ρ , г/см³ – плотность почвы; Sol, % – содержание солей в почве; SOM, % – содержание почвенного органического вещества; K f – коэффициент фильтрации).

Fig. 3. Post-LSD test of soil properties of study sites (W, % – soil moisture when measuring density; ρ , g/cm³ – soil density; Sol, % – content of salts in the soil; SOM, % – content of soil organic matter; K f – filtering factor).

Содержание почвенного органического вещества в целом мало, однако выделены 3 группы, в которых участки с DD = 5 (с) практически не содержат органики.

Значимость влияния почвенных свойств на степень опустынивания исследовали с применением множественной регрессии. Для получения адекватных результатов предварительно проведена проверка на мультиколлинеарность, гомоскедастичность, независимость и нормальность ошибок. Модель множественной линейной регрессии строили, учитывая выбранные физические свойства в качестве параметров и DD как целевую функцию. Получено, что при усугублении степени опустынивания значимо изменяются только влажность почвы и величина рН (p < 0.05).

Результаты исследования показали, что зависимость между DFD и почвенными переменными не имеет однозначного объяснения.

Появление открытых песков свидетельствует о крайней степени опустынивания (DD = 5). Не следует путать данные очаги опустынивания с пустыней в общем понимании. Солончаки, локализованные на побережье соленых ильменей (Астраханская область), также оцениваются DD = 5.

В гранулометрическом составе незасоленных почв при увеличении степени опустынивания начинают преобладать пылеватые фракции. Потеря растительного покрова приводит к изменению гранулометрического состава и увеличению пылеватых фракций, что является одним из параметров, который сопровождает изменение степени опустынивания. Наличие фракций пыли на открытых песках способствует формированию основных очагов пыльных бурь в Северном Прикаспии. Доля почвенных частиц крупного диаметра варьирует для разных DD, но не является определяющим в данных почвенно-климатических условиях. По мере углубления опустынивания значительно изменяется соотношение пылеватой и глинистой фракций. Количество глинистых частиц в почвах районов сильного опустынивания более чем в два раза меньше по сравнению с таковым в зонах потенциального опустынивания. Для сильнозасоленных почв отмечено высокое содержание тонкодисперсных фракций (более 50%), при наименьшей доле песчаных частиц (около 20%).

По запасам почвенной влаги значимо между собой различаются все участки, кроме PD и LB. Наибольшая величина характерна для HD, что связано с близкими грунтовыми водами и высоким содержанием солей.

С увеличением степени опустынивания и засоления разница в плотности почвы невелика. Но опустыненные засоленные участки (LB, PD, HD) имели меньшую плотность, чем участки с открытыми песками (SFS, SS). Участок SFS значимо отличается от всех остальных по величине плотности почвы (1.71 г/см3). Интенсивная дефляция приводит к практически полному отсутствию поверхностного слоя, обнажая уплотненный иллювиальный горизонт. В нашем исследовании по мере увеличения степени опустынивания плотность почвы не имела явной тенденции к изменению.

Обеспеченность органическим веществом опесчаненных опустыненных почв крайне низкая. Для засоленных почв содержание органического вещества выше, что связано с наличием растительного покрова. Наибольшее значение отмечено для очень сильно засоленной почвы (HD). Это связано с особенностями формирования почвенного профиля в результате ежегодных затоплений и отложения иловых наносов с большим количеством органики. По содержанию органического вещества в почве выделяются три группы со значимыми отличиями (LB; HD и PD; SS и SFS).

Содержание органического вещества в почвах при DD = 3 находится на уровне типичных зональных значений. Луговая растительность в потенциальных зонах опустынивания (PD) способствует закреплению почвы растениями. При увеличении степени опустынивания и обеднении растительного покрова величина SOM начинает снижаться. Представленность видов растений в районах сильного опустынивания значительно ниже, чем на территориях с меньшей степенью опустынивания, или полностью отсутствует.

Водопроницаемость для почв HD значимо отличается от всех остальных форм опустынивания. Этот параметр является наименее чувствительным к проявлению опустынивания. Влияние на водопроницаемость оказывает наличие большого количества солей в почве (HD) и увеличение песчаных фракций (SFS и SS).

При этом отметим, что присутствие солей в почве не является абсолютным и однозначным признаком опустынивания.

Величина рН повышается при нарастании степени опустынивания и опесчанивания почвы. Для засоленных почв реакция среды слабощелочная. Для участков SFS и SS рH > 8.5, и среда щелочная. По величинам рН также выделены три группы: HD; PD и LB; SS и SFS.

Между DFD наблюдались значительные различия в величинах W, pH, SOM, SOL, ρ b и GS, что указывает на то, что эти почвенные факторы в большей степени подвержены влиянию разных форм опустынивания.

Различное время сбора проб и выпадение осадков, могли бы быть причиной изменения влажности и плотности почвы, но на севере Прикаспийской низменности в летний сезон выпадает крайне мало осадков, поэтому измерения содержания влаги в почве, проводимые в периоды отсутствия осадков более 2 месяцев, как правило, достоверны.

Однако данные результаты не следует воспринимать однозначно. Настоящее исследование было проведено в аридной зоне, при специфических климатических условиях и жестком дефиците почвенной влаги. Вероятно, для другой климатической зоны результат был бы отличен.

ВЫВОДЫ

Установлено, что для почв разной степени опустынивания существуют различия в величинах почвенных свойств. Содержание влаги находилось в диапазоне дефицита во всех исследованных районах опустынивания, за исключением солончаков (HD).

Для разных форм опустынивания наблюдаются изменения в величинах физических свойств почв, которые характеризуются разной чувствительностью к виду и степени опустынивания.

Для диагностики опустынивания и оценки DD следует выбирать соответствующие индикаторы, наиболее чувствительные к изменениям среды. Например, W и pH существенно отреагировали на изменения DD, поэтому их можно использовать в качестве индикаторов.

Результаты могут иметь прикладное значение при разработке стратегии борьбы с опустыниванием в северном Прикаспии и являются отправной точкой для исследований по индикации, мониторингу и предотвращению опустынивания в засушливых регионах.