Изменение засоленности почв и грунтовых вод рисовых систем Присивашской низменности после прекращения орошения

Для обеспечения развития засушливых районов равнинной части Крымского п-ва в 1960-х годах был построен СевероКрымский канал, по которому поступала днепровская вода из Каховского водохранилища. Вода имела минерализацию 0.37– 0.57 г/л, возрастающую по мере ее транспортировки по каналу с земляным руслом. Состав воды сульфатно-гидрокарбонатный кальциево-магниево-натриевый, рН воды варьировал от 7.5 до 9.95, по мере увеличения минерализации воды увеличивалась доля магния и особенно натрия, величина SAR = 2–3. Оросительная система Северо-Крымского канала сильно разветвлена, охватывая большую часть равнинного Крыма. В ее состав входили многочисленные орошаемые массивы с полевыми севооборотами, орошаемые сады и рисовые системы.

Согласно Почвенной карте Крымской области, до строительства рисовых систем почвенный покров был представлен лугово-каштановыми солонцовыми комплексами, большинство почв которых отличалось сильной степенью засоления (Клепинин, 1935; Дзенс-Литовская, 1957; Новикова, 1958; Севастьянов, 1959; Половицкий, Гусев, 1987; Драган, 2004; Кiзяков, 2005). Такие почвенные комплексы сохранились на целинных участках вокруг ри- совыхсистем Присивашской низменности. Обычно они используются под пастбища. Характеристика одного из профилей солонца лугового каштанового среднего солончакового сильнозасоленного сульфатно-хлоридного с гипсом глинистого на делювиальных глинах (разр. КР-077), расположенного в Нижнегорском р-не в 2 км от чеков рисовой системы в 2016 г., представлена в работе (Чижикова и др., 2017).

После ввода в эксплуатацию в 1960-х годах рисовых систем на Присивашской низменности почвы стали подвергаться интенсивной промывке от легкорастворимых солей днепровской водой, поступающей по Северо-Крымскому каналу. По данным многих авторов (Супряга, 1971; Янчковский, 1973; Лактионов, Карпович, 1967; Лактионов, Малеев, 1990; Кизяков, 1977; Кизяков, Тронза, 2002, 2004; Кизяков и др., 2001, 2002; Гусев, Титков, 1973; Титков, Гусев, 1975, 1988; Титков, Кольцов, 1995; Тронза, 2002; Балюк и др., 2006; Науковi основи..., 2009; Титков, 2011) , сильнозасоленные солончаковые солонцы и солончаковатые лугово-каштановые почвы Крыма по мере их использования под культуру риса путем затопления чеков стали слабозасоленными или незасоленными в слое 0–100 см.

В 2015 г., через год после прекращения подачи воды по Северо-Крымскому каналу, в условиях постепенного растекания куполов грунтовых вод под орошаемыми массивами и каналами наблюдалось быстрое понижение уровня грунтовых вод и появилась возможность оценить засоленность грунтов глубже 1 м. По нашим данным (Хитров и др., 2016) , почвы, грунты зоны аэрации и верхней части водоносного горизонта на территории бывшей рисовой системы в Красноперекопском р-не Крыма по формальным критериям оказались незасоленными до глубины 3.5 м. По данным Крымской гидрогеолого-мелиоративной экспедиции (Национальный доклад..., 2018, с. 104), на Присивашской низменности в зоне развития плиоцен-четвертичного водоупора к концу вегетационного периода 2016 г. произошло полное растекание куполов ирригационно-грунтовых вод под каналами и бывшими орошаемыми зернокормовыми и рисовыми севооборотами.

Учитывая исходную природную засоленность почв Приси-вашской низменности, связанную с более высоким уровнем моря в прежние эпохи, колебаниями уровня минерализованных грунтовых вод, и засушливым климатом в настоящее время, в условиях прекращения подачи воды на рисовые системы Крыма, расположенные в непосредственной близости к Сивашу и Каркинитскому заливу Черного моря, следует необходимость оценки весьма вероятного риска восстановления засоленности почв на прибрежных территориях степного Крыма для выработки превентивных мер его реального развития.

Потенциальными критериями оценки процесса восстановления засоленности почв в условиях бывших рисовых систем Крыма могут быть:

• -    соотношение реальной глубины грунтовых вод с ее критическим значением; засоление почв начинается в условиях более близкого залегания грунтовых вод по сравнению с критическим (2.5 м в Крыму);

• -    увеличение минерализации грунтовых вод во времени;

• -    возникновение гидравлического напора соленых морских вод в сторону берега, в результате которого будет происходить постепенное замещение грунтовых вод морской водой;

• -    в условиях сульфатно-натриевого состава грунтовых вод появление в почвах горизонтов с мучнистым гипсом в пределах первого метра – это индикатор восходящего движения растворов за счет капиллярного поднятия от грунтовых вод, постепенного замещения обменного кальция натрием раствора с последующим осаждением вытесненного кальция в виде гипса – сульфата кальция;

• -    увеличение содержания хлоридов в верхней части капиллярной каймы;

• -    увеличение содержания водорастворимого натрия в породах зоны аэрации и тем более в почвенных горизонтах;

• -    собственно накопление легкорастворимых солей в почвенных горизонтах в количестве, соответствующем слабой или более высокой степени засоления по действующей классификации.

Указанные выше критерии оценки перечислены в порядке потенциального развития во времени процесса накопления солей в грунтовых водах, грунтах зоны аэрации и затем в почвах.

Цель статьи – представить данные о положении грунтовых вод и солевом состоянии почв бывших рисовых систем в береговой полосе оз. Сиваш через 4–5 лет после прекращения орошения.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования послужили почвы и грунтовые воды Азовской рисовой системы, расположенной на Присивашской низменности в Нижнегорском и частично в Джанкойском р-нах Республики Крым.

В 2017 г. было заложено четыре трансекты разной длины от берега Сиваша вглубь территории на бывших рисовых системах, питавшихся из Азовской ветви Северо-Крымского канала (рис. 1).

Рис. 1. Схема объектов исследования на рисовой системе.

Fig. 1. The scheme of study objects at the rice irrigated system.

Работы на трансектах включали ручное бурение до грунтовой воды, отбор образцов почв, грунтов и грунтовых вод для полевых и лабораторных измерений содержания солей и нивелирный ход. Исключением являлась трансекта 1 от с. Сливянка до с. Заливное, для которой высотные отметки скважин получены по материалам дистанционного зондирования с портала Google Earth.

Названия почв даны по классификации почв России (2004) в ее более поздней версии (Полевой определитель почв России, 2008) и по международной классификации почв WRB-2014 (IUSS, 2015) , используя диагностические критерии, принятые в каждой классификации.

По исследованиям 2015–2017 гг., почвенный покров бывших рисовых чеков представлен пятнистостью двух типов агрозе-мов. На месте бывших солонцов возникли агроземы поверхностно-глеевые текстурно-дифференцированные аккумулятивно-карбонатные окисленно-глеевые глубокосолончаковатые глубоко гипс-содержащие тяжелосуглинистые на желто-бурых суглинках и глинах с формулой профиля PU/Gox – BTg,ox – BCAq,g,th – BCAnc,q – BCca,cs,g, по WRB (IUSS, 2015) – Eutric Oxigleyic Hydragric Gleysol (Luvic, Loamic, Aric, Drainic, Protocalcic, Bathygypsic). На месте лугово-каштановых почв сформировались агроземы поверхностно-глеевые ксерометаморфические окисленно-глеевые тяжелосуглинистые на желто-бурых суглинках и глинах с формулой профиля PU/Gox – BMKg, ox – BCAq,g,th – BCAnc,q – BCca,g, по WRB (IUSS, 2015) – Eutric Oxigleyic Hydragric Gleysol (Loamic, Aric, Drainic, Protocalcic). С 2018 г. пахотный горизонт в ходе 4-летнего окислительного режима богарного использования потерял признаки глеевого горизонта, сохранились лишь окисленно-глееватые признаки – PUox – в обеих почвах. По этой причине термин “поверхностно-глеевые” в названиях обеих почв по классификации почв России следует удалить. В классификации WRB-2014 изменяются даже реферативные почвенные группы: Luvic Kastanozem (Loamic, Aric, Protosodic, Stag-nic, Bathygypsic) и Haplic Kastanozem (Loamic, Aric, Stagnic).

Обратим внимание на важный методический аспект исследования оценки тренда начала восстановления засоленности рас-соленных почв рисовых систем. Традиционная водная вытяжка с соотношением почва : вода 1 : 5 имеет низкую чувствительность в области очень низкого содержания легкорастворимых солей, когда по формальным критериям почва или грунт считаются незасоленными. Она становится пригодна лишь на поздних этапах процесса накопления солей, когда констатируем уже свершившийся факт – наличие засоления почв.

Альтернативой является измерение активности ионов в пасте с влажностью, приблизительно соответствующей полной вла-гоемкости почвы. Этот подход имеет заметное преимущество за счет возможности дифференцировать формально незасоленные горизонты на несколько более дробных градаций по содержанию и концентрации ионов в почвенных растворах. А измерение активности нескольких ионов (Na+, Cl- и Ca2+) позволяет оценивать начальные признаки вторичного засоления по соотношению ионов.

В 2017 г. трансекты представляли собой преимущественно серию одиночных скважин для оценки общего состояния и выбора динамических площадок последующего мониторинга. С 2018 г. работы продолжались на выбранных динамических площадках вдоль трансекты 2, удлиненной вдаль от берега Сиваша до 2 км.

Для оценки пространственного варьирования засоленности почв и грунтов на динамической площадке в пределах участка 30 х 30 м закладывали пять скважин методом конверта с разносом четырех угловых точек на 15 м относительно центральной. Одна из диагоналей конверта была направлена в сторону береговой линии Сиваша. Две крайние точки по этой диагонали бурили до грунтовой воды с таким расчетом, чтобы можно было измерить установившийся уровень грунтовой воды (УГВ) и произвести отбор воды для анализа состава солей. Три оставшиеся точки бурили до глубины 2 м. Отбор образцов почв, грунтов зоны аэрации и водоносного горизонта делали послойно через 10 см, на глубине более 200 см, как правило, через 20 см. Бурение сопровождалось кратким морфологическим описанием извлекаемого слоя с допустимой интерпретацией почвенного горизонта и общей полевой характеристикой цвета, влажности, класса гранулометрического состава, наличия вскипания от HCl, карбонатных и гипсовых новообразований.

Установившийся УГВ определяли через 5–6 часов после вскрытия скважины с контролем на следующий день. Измерение УГВ производили мерной лентой с хлопушкой, погрешность 1 см. Отбор грунтовой воды выполняли с помощью желонки. В извлеченной пробе измеряли удельную электропроводность (EC) и тем- пературу полевым кондуктометром КП-001 с последующим расчетом значения удельной электропроводности воды, приведенной к температуре 25°C (ЕС25) путем умножения на поправочный температурный коэффициент (Richards, 1954). В лаборатории определяли ионный состав, рН традиционными методами (Руководство..., 1990) и ЕС25 лабораторным кондуктометром.

Из высушенных и растертых (< 1 мм) образцов готовили пасты с влажностью 50% (мас.) путем увлажнения дистиллированной водой. На следующий день после перемешивания пасты измеряли активности ионов Na⁺, Cl^- и Ca²⁺ с помощью ионоселективных электродов серии ЭЛИС. Регистрирующий прибор – иономер Экотест-120. Для каждого образца по каждому показателю получено среднее арифметическое значение pX = - lga x из 2–3 повторных измерений. Среднее значение pX преобразовывали в активность иона с размерностью [ммоль/л].

Таким образом, получены две группы рядов послойных измерений с сериями из 5 и 2 средних значений активности иона в индивидуальных образцах. Для серии из 5 образцов рассчитывали частные оценки среднего арифметического ( M i ) и среднеквадратического отклонения ( s i ) в серии. На основе точечного графика M i = f (s i ) оценивали изменение разброса значений s i в зависимости от M i , выделив несколько диапазонов значений M i , для каждого из которых рассчитали усредненную оценку среднеквадратического отклонения ( s ср ) (Дмитриев, 1995) .

Долю обменного натрия (Y) оценивали на основе соотношения активности ионов натрия (aNa) и кальция (aCa), измеренных в пасте (Х =        ), по регрессионной модели, состоящей из си- aNa aCa стемы двух уравнений:

'если Х < 10, то Y = 1.15 + 1.02 - X,

" если 10 < Х < 50, то Y = 3.840 + 0.899 - X - 0.0072 - X².

В части образцов определили состав водной вытяжки 1 : 5.

Статистическая обработка данных выполнена в Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Уровень, минерализация и состав грунтовых вод

На трансекте 1, расположенной на рисовых чеках между с. Сливянка и с. Заливное на высоте от 4.5 до 5.7 м над уровнем моря, более чем в 3.5 км от берега Сиваша, грунтовые воды были вскрыты на глубине от 3.4 до 5.3 м. Их глубина залегания увеличивалась по мере удаления от берега и увеличения высоты поверхности. При этом высота зеркала грунтовых вод практически не зависела от точки опробования, колеблясь в интервале 0.2–1.4 м выше уровня моря (рис. 2). В 2017 г. грунтовые воды имели минерализацию от 1.9 до 5.8 г/л. Состав преимущественно хлоридно-сульфатный по анионам и смешанный натриево-магниево-кальциевый, натриево-кальциево-магниевый или кальциево-магниево-натриевый по катионам (табл. 1).

Расстояние от берега Сиваша, км

Рис. 2. Изменение высоты грунтовых вод на трансекте 1 в июле 2017 г.

Обозначения: 1 – дневная поверхность, 2 – уровень грунтовых вод.

Fig. 2. The altitude of ground water table at the transect 1 in July 2017.

Legend: 1 – surface; 2 – ground water table.

Таблица 1. Глубина залегания и ионный состав грунтовых вод

Table 1. Depth and ion composition of ground waters

№ скв.	УГВ, см	рН	HCO 3	Cl	SO 4	Ca	Mg	Na	K	S*, г/л	EC 25 , дСм/м
			ммоль(экв)/л
Вода оз. Сиваш
б/н	0	7.19	2.6	932.7	146.9	61.5	186.4	785.8	13.7	61.86	76.76
Трансекта 1, рисовые чеки, 2017 г.
КР-142	483	7.22	8.1	2.5	51.8	21.2	15.3	24.1	0.03	4.23	4.28
КР-145	341	7.19	7.7	12.3	9.9	7.6	6.2	14.2	0.03	1.94	2.78
КР-146	388	7.25	5.9	4.9	55.0	21.8	26.5	13.8	0.02	4.24	4.34
КР-147	379	7.18	6.7	4.2	77.1	23.8	27.2	33.5	0.02	5.83	5.63
КР-148	369	7.44	5.0	11.0	43.4	25.5	21.2	15.0	0.01	3.89	3.84
Трансекта 2, рисовые чеки, 2017 г.
КР-149	231	7.21	5.7	14.2	11.7	11.4	11.5	6.9	0.04	1.94	2.88
КР-150	330	7.23	5.4	55.0	53.6	31.6	36.7	42.5	0.03	6.91	8.62
КР-151	332	7.30	5.5	19.3	55.0	25.9	25.2	27.9	0.02	5.12	5.44
КР-152	311	7.22	5.2	6.0	30.2	24.0	8.6	6.0	0.02	2.70	3.01
Целинный солонцовый комплекс между оз. Сиваш и рисовой системой, 2018 г.
КР-301	282	7.17	5.4	116.9	54.2	41	61.0	74.9	0.02	10.36	14.01

№ скв.	УГВ,	рН	HCO 3	Cl	SO 4	Ca	Mg	Na	K	S*, г/л	EC 25 ,
	см		ммоль(экв)/л								дСм/м
Трансекта 2, рисовые чеки, 2018 г.
КР-302	331	7.19	5.8	8.3	29.4	24.8	11.0	7.8	0.02	2.87	3.33
КР-303	336	7.30	5.8	7.6	37.5	23.3	17.2	10.4	0.02	3.33	3.75
КР-307	393	7.19	6.1	28.7	59.0	25.2	28.6	40.0	0.02	5.99	7.27
КР-308	383	7.36	6.2	18.6	60.4	23.3	26.2	35.6	0.02	5.54	6.44
КР-312	425	7.43	7.9	17.3	50.2	18.6	24.3	32.6	0.02	4.92	5.88
КР-315	425	7.32	7.8	21.1	51.0	22.4	25.7	31.8	0.02	5.16	6.40
КР-317	402	7.24	5.4	61.7	55.1	32.4	43.8	46.1	0.02	7.40	9.57
КР-318	402	7.30	6.6	45.6	54.1	29.5	37.2	39.5	0.02	6.56	8.06
КР-322	423	7.44	8.8	20.5	39.5	9.3	21.3	38.1	0.02	4.48	5.98
КР-323	433	7.43	7.7	6.6	43.0	16.4	25.5	15.3	0.02	3.75	4.18
Трансекта 3, рисовые чеки, 2017 г.
КР-153	195	6.93	4.7	86.2	27.2	69.1	28.9	19.7	0.02	6.84	9.76
КР-154	251	7.30	5.2	11.0	53.8	24.2	21.5	25.3	0.02	4.62	5.12
КР-155	363	7.22	6.1	55.0	40.0	31.7	30.1	35.3	0.04	6.05	7.84
Трансекта 4, рисовые чеки, 2017 г.
КР-156	305	7.04	4.7	27.0	29.2	36.0	10.8	12.5	0.03	3.78	4.93

Примечание. S^* – сумма ионов, г/л.

— е- - 2

Расстояние, м

Рис. 3. Изменение высоты грунтовых вод на трансекте 3 в июле 2017 г. Обозначения: 1 – дневная поверхность, 2 – уровень грунтовых вод. Отрицательные значения расстояния соответствуют водам оз. Сиваш. Fig. 3. The altitude of ground water table at the transect 3 in July 2017. Legend: 1 – surface; 2 – ground water table. Negative values of distance correspond to sea water in Sivash.

Три других трансекты были заложены в береговой полосе на чеках, организованных на 1-й и 2-й террасах Сиваша.

Трансекта 3, расположенная к востоку от с. Пшеничное, пересекла узкую 1-ю террасу, имеющую высоту около 1.5 м, и закончилась на 2-й террасе на высоте 2.5 м над уровнем воды в Сиваше (рис. 3). УГВ на трансекте 3 быстро понижался по мере удаления от берега, залегая на глубине 1.9–2.5 м на чеке первой террасы и 3.6 м на чеке второй террасы, демонстрируя образование депрессионной воронки, углубляющейся по мере удаления от берега на расстояние около 700 м и более. В результате в 2017 г. на четвертом году после прекращения орошения на этом участке возник гидравлический напор солевых вод Сиваша в сторону прибрежных грунтовых вод. Его величина возрастала от 0.5 м на расстоянии около 100 м от берега до 1.2 м на расстоянии 600 м.

Грунтовая вода под первой террасой вблизи от берега (скв. КР-153) имела наибольшую минерализацию (9.8 г/л) и сульфатно- хлоридный натриево-магниево-кальциевый состав (табл. 1). По мере удаления от берега общая минерализация уменьшалась до 5.1–7.8 г/л, а в ионном составе уменьшалась доля хлоридов и возрастала доля сульфатов и натрия.

На трансекте 4 недалеко от с. Стефановка нижние чеки расположены на высоте 2.3 м на второй террасе. Глубина грунтовых вод составляла 305 см, здесь тоже сформировалась депрессионная воронка грунтовых вод с гидравлическим напором 0.77 м на расстоянии 170 м от берега Сиваша.

Динамические площадки были выбраны на трансекте 2 юго-восточнее с. Сливянка (рис. 4). Здесь все чеки находятся на второй террасе. Высота их дневной поверхности изменяется в узких пределах от 2.4 до 2.8 м над уровнем Сиваша. В 2017 г. депрессион-ная воронка грунтовых вод распространялась по меньшей мере более чем на 1 км от берега (дальше не было измерений) с гидравлическим напором до 0.88 м. В 2018 г. воронка углубилась. Ее простирание вглубь террасы превысило 2 км, а гидравлический напор увеличился до 1.6 м.

Расстояние, м

Рис. 4. Изменение высоты грунтовых вод на трансекте 2 в июле 2017 и 2018 гг. Обозначения: 1 – дневная поверхность (чеки, валики, подающий и отводящий каналы в насыпях); 2 – УГВ 2017 г.; 3 – УГВ 2018 г.; ∆H – гидравлический напор морских вод над грунтовыми водами.

Fig. 4. The altitude of ground water table at the transect 2 in July 2017 and 2018. Legend: 1 – surface (ponds, rolls, channels); 2 – ground water table in 2017; 3 – ground water table in 2018; ∆H – the bottom water drive – height between sea water and ground water levels.

Наиболее минерализованные (10.4 г/л) сульфатно-хлоридные магниево-натриевые грунтовые воды отмечены в узкой полосе (около 180 м) целинного солонцового комплекса между береговым обрывом к оз. Сиваш и сбросным каналом, отгораживающим чеки рисовой системы (табл. 1, скв. КР-301). Под рисовыми чеками минерализация грунтовых вод варьировала в 2017 и 2018 гг. в диапазоне от 1.9 до 7.4 г/л с тенденцией увеличения минерализации по мере увеличения глубины грунтовой воды на фоне пространственной мозаичности ее распределения. По анионному составу грунтовые воды преимущественно хлоридно-сульфатные. Исключением является чек 4 (скв. КР-150 и КР-317), в котором концентрация хлоридов выше, чем концентрация сульфатов, на фоне наиболее высоких значений минерализации грунтовой воды (6.9 и 7.4 г/л). В катионном составе вод с минерализацией более 4 г/л доминирует натрий (32 – 46 ммоль/л) при сравнительно высоком уровне концентраций магния (21 – 44 ммоль(экв)/л) и кальция (9 – 32 ммоль(экв)/л).

Таким образом, на всех участках в береговой полосе Сиваша шириной до 2 – 3 км на 4-й и 5-й годы после прекращения орошения рисовой системы Нижнегорского р-на сформировалась де-прессионная воронка грунтовых вод с гидравлическим напором до 0.8 – 1.2 м в 2017 г. и до 1.6 м в 2018 г. На расстоянии 4 км и более от берега на чеках, расположенных на водораздельной поверхности между долиной реки и балкой, уровень грунтовых вод сохранился на положительных высотных отметках, залегая глубже критического уровня.

Оценка пространственного варьирования активности ионов в исследуемых почвах и грунтах бывшей рисовой системы на Присивашской низменности в Нижнегорском р-не Республики Крым представлена в таблице 2.

Общая тенденция для трех ионов – увеличение минимальных, максимальных значений s i и s ср по мере увеличения среднего значения активности иона в слое. Исключением является только диапазон активности хлорид-ионов 2 – 3 ммоль/л, в котором эта тенденция нарушается.

Таблица 2. Усредненные оценки среднеквадратического отклонения ( s ср ) в зависимости от диапазона средних значений активности ионов в слое

Table 2. Mean estimation of standart deviation ( s ср ) for different ranges of mean values of ion activity in the layer

Ион	Диапазон значений активности иона, ммоль/л	Ориентировочное содержание иона в жидкой фазе пасты, смоль(экв)/кг	Разброс значений s i ,	s ср	Число степеней свободы	Коэффициент вариации, %
			ммоль/л
Na+	0–2.00	0–0.11	0.05–0.68	0.31	204	31
	2.01–3.00	0.11–0.16	0.17–0.90	0.56	160	22
	3.01–4.00	0.16–0.21	0.47–1.62	1.07	168	31
	4.01–6.00	0.21–0.33	0.57–2.38	1.43	104	29
	6.01–8.00	0.33–0.44	0.94–4.19	2.52	76	36
	8.01–22.00	0.44–1.27	1.00–6.09	3.12	332	21
Cl-	0–1.00	0–0.05	0.07–0.97	0.36	216	72
	1.01–2.00	0.05–0.11	0.19–2.52	0.84	212	56
	2.01–3.00	0.11–0.16	0.45–2.09	0.55	620	22
	3.01–4.00	0.16–0.21	0.28–2.99	1.70	176	49
	4.01–8.00	0.21–0.44	0.87–5.39	2.46	112	41
	8.01–20.00	0.44–1.15	0.87–8.93	4.66	164	33
Ca2+	0–1.00	0–0.06	0.19–0.81	0.41	56	82
	1.01–2.00	0.06–0.12	0.23–1.50	0.66	312	44
	2.01–5.00	0.12–0.34	0.43–4.74	1.84	632	52
	5.01–14.00	0.34–1.14	5.58–7.55	6.81	24	72

Иными словами, чем больше среднее значение активности иона в слое, тем более широкие пределы пространственного варьирования абсолютных значений активности иона в данном слое на участке.

Сравнение s ср для разных ионов провели по критерию F (Дмитриев, 1995) . В сопоставимых диапазонах средних значений активности иона в слое величины s ср для разных ионов, как правило, образуют ряд Na⁺ ≤ Cl^-< Ca²⁺. Это означает, что активность Ca²⁺ варьирует в пространстве сильнее всего среди трех ионов, а активность Na⁺ – меньше всего. Это проявляется и в относительных величинах – коэффициентах вариации. Для ионов натрия коэффициент вариации в слое самый низкий, изменяющийся от 21 до 36%, и практически не зависит от средней активности иона в слое. Для ионов кальция этот показатель самый высокий. Он изменяется от 44 до 82%. Коэффициент вариации хлорид-ионов имеет промежуточные значения от 22 до 72%.

Солевое состояние почв и грунтов

В 2017 г., на четвертый год после прекращения орошения рисовой системы, на чеках, расположенных на расстоянии 4–12 км от берега Сиваша (трансекта 1) во многих точках опробования почвы и грунты зоны аэрации были незасоленными. Активность ионов натрия и хлоридов изменялась в интервале 1–12 ммоль/л (рис. 5 А, Б, Г, Д). Исключением была скважина КР-145, представленная солонцом солончаковым слабозасоленным (рис. 5 В). В ней активность Na+ на глубине от 20 до 150 см составляла 17–27 ммоль/л с максимумом на глубине 40–80 см в подсолонцовом карбонатном горизонте. Указанный диапазон активности Na+ свидетельствует о содержании 0.9–1.5 смоль(экв)/кг натрия в жидкой фазе почвы при влажности 50%, близкой к полной влагоемкости, что соответствует слабой степени засоления. Уровень активности Ca2+ (2–5 ммоль/л) и Cl- (3–7 ммоль/л) в сочетании с указанным диапазоном активности Na+ позволяет утверждать, что горизонты имеют сульфатное натриевое засоление. Присутствие натриевых солей обеспечило накопление обменного натрия в указанных горизонтах до 12–17% от емкости катионного обмена (ЕКО) (рис. 5 Е).

Рис. 5. Профильное распределение активности хлоридов (Cl), ионов натрия (Na), кальция (Ca), измеренных в пастах с влажностью 50% (мас.), и доли обменного натрия (Е) в почвах и грунтах трансекты 1: А – скв. КР-141; Б – скв. КР-142; В – скв. КР-145; Г – скв. КР-146; Д – скв. КР-148; Е – обменный натрий: 1 – скв. КР-141; 2 – скв. КР-142; 3 – скв. КР-145; 4 – скв. КР-146; 5 – скв. КР-148.

Fig. 5. Profile distribution of chloride (Cl), sodium (Na) and calcium (Ca) ion activity measured in pastes with moisture 50% (w) and sodium exchange percentage (E) in soils and grounds of transect 1: А – bore КР-141; Б – КР-142; В – КР-145; Г – КР-146; Д – КР-148; Е – exchangeable sodium: 1 – КР-141; 2 – КР-142; 3 – КР-145; 4 – КР-146; 5 – КР-148.

Обратим внимание на распределение активности ионов по профилю скв. КР-148 (рис. 5 Д), расположенной на самой низкой гипсометрической отметке в пределах трансекты 1 и ближе всего к берегу Сиваша. В ней активность Na+ не превышает 4–6 ммоль/л по всему профилю до грунтовой воды, тогда как активность хлоридов имеет максимум 12–14 ммоль/л на глубине 100–160 см. По формальным критериям почва и грунты зоны аэрации считаются незасоленными. Вместе с тем превышение активности хлоридов над активностью Na+ в 2.5–3 раза означает, что в растворе хлориды компенсируются ионами кальция и/или магния. Измеренные значения активности Ca2+ 2–4 ммоль/л в горизонте с максимумом хлоридов позволяют утверждать, что компенсация связана преимущественно ионами кальция. Ориентировочная концентрация хлорида магния не превышает 1–2 ммоль/л. Наличие хлоридов кальция и магния в почвенных растворах еще незасоленных горизонтов на глубине верхней границы капиллярной каймы свидетельствует о признаках начала вторичного засоления.

Их возникновение обусловлено капиллярным подъемом хлоридно-сульфатных натриевых растворов через рассоленную толщу грунтов зоны аэрации, насыщенных обменными кальцием и магнием. Доля обменного натрия пока незначительная (менее 5% от ЕКО). По мере движения солевых натриевых растворов через незасоленную толщу происходят реакции обмена катионов раствора и почвенно-поглощающего комплекса. Натрий раствора замещает обменные кальций и магний, что приводит к постепенному накоплению обменного натрия в грунтах зоны аэрации и увеличению концентрации ионов кальция и магния в движущихся вверх растворах. При достижении произведения растворимости гипса в растворе, равного произведению активностей ионов кальция и сульфат-ионов, происходит осаждение гипса с образованием его скоплений в виде мелких кристаллов, фиксируемых морфологически при бурении.

В береговой полосе Сиваша ситуация сложнее (рис. 6).

Начнем с сохранившегося участка целинного солонцового комплекса на узкой полосе между береговым обрывом второй террасы и рисовыми чеками (рис. 1, трансекта 2, скв. КР-301).

Рис. 6. Профильное распределение активности хлоридов (Cl), ионов натрия (Na), кальция (Ca), измеренных в пастах с влажностью 50% (мас.), в почвах и грунтах береговой полосы Сиваша: А – скв. КР-301 (целинный солонец между берегом Сиваша и рисовыми чеками); Б – скв. КР-149; В – скв. КР-156; Г – скв. КР-153; Д – скв. КР-154; Е – скв. КР-155.

Fig. 6. Profile distribution of chloride (Cl), sodium (Na) and calcium (Ca) ion activity measured in pastes with moisture 50% (w) in soils and grounds of Sivash seashore: А – bore КР-301 (virgin solonetz between seaside and rice ponds); Б – КР-149; В – КР-156; Г – КР-153; Д – КР-154; Е – КР-155.

Рис. 7. Распределение солей по профилю целинного солонца на второй террасе Сиваша (скв. КР-301, данные водной вытяжки 1 : 5): А – двусторонний солевой график; Б – содержание общей суммы (1) и суммы токсичных солей (2); В – содержание общей токсичной щелочности (HCO 3 токс.) и токсической щелочности, связанной с натрием (NaHCO 3 ).

Fig. 7. Profile distribution of salts in virgin solonetz at the second terrace of Sivash (bore KP-301, data of water extract 1 :5 ): A – two-side salinity diagram; Б – total dissolved salts (1) and sum of toxic salts (2); B – total toxic alkalinity (HCO 3 toxic) and sodium toxic alkalinity (NaHCO 3 ).

Целинный солонец лугово-каштановый средний солончако-ватый тяжелосуглинистый на лёссовидных глинах (Salic Gypsic Solonetz (Albic, Loamic, Columnic, Cutanic, Differentic, Ochric)) имеет типичное строение почвенного профиля: SEL – BSN – BCAnc,q – BCAnc,cs,q – BCca,cs,q – Cca,cs,q. Содержание обменного натрия в солонцовом горизонте составляет 15–19% от ЕКО. Распределение солей по профилю имеет срединноаккумулятивный вид с максимумом легкорастворимых солей на глубине 45–200 см как по данным активностей ионов в пастах с влажностью 50% (рис. 6 А), так и по данным водной вытяжки 1 : 5 (рис. 7).

Обратим внимание, что два метода оценки засоленности почвы дают сходную информацию об общем характере распределения солей по профилю почвы и грунтов зоны аэрации, но различающуюся информацию о химизме солей. Последнее обусловлено разной влажностью (50 и 500%, соответственно), при которой оценивают содержание ионов в жидкой фазе, влияющей на ионносолевые равновесия между жидкой, твердой фазами и ионообменной частью почвенно-поглощающего комплекса. По данным традиционной водной вытяжки 1 : 5, в надсолонцовом (SEL), солонцовом (BSN) и верхней части аккумулятивно-карбонатного (BCA) горизонтов до глубины около 60 см имеется токсическая щелочность 0.35–1.0 смоль(экв)/кг (рис. 7 В) – типичное явление для солонцов. В горизонтах солевого максимума химизм засоления сульфатно-хлоридный магниево-натриевый с гипсом (рис. 7 А, Б). Существенная разница между общей суммой солей и суммой токсичных солей обусловлена растворением гипса из твердой фазы в водной вытяжке (рис. 7 Б). По данным измерения активностей ионов в пастах с влажностью 50% картина иная. В горизонтах солевого максимума активность хлоридов в 1.5 раза выше активности Na+ (рис. 6 А). Это означает, что в почвенных растворах помимо хлоридов натрия содержатся хлориды кальция и магния. Наличие последних является признаком развития вторичного засоления. Водная вытяжка 1 : 5 этот факт камуфлирует за счет дополнительного растворения гипса из твердой фазы и ионообменных реакций, в результате которых обменный натрий вытесняется в раствор и рассматривается как хлорид и сульфат натрия.

В трех скважинах, заложенных сравнительно близко от берега (КР-149, КР-153, КР-156) на разных участках рисовой системы (трансекты 2, 3 и 4), также характерно превышение активности хлоридов над активностью Na+ (рис. 6 Б, В, Г). Скв. КР-149 в 2017 г. была еще полностью незасоленной до грунтовых вод, минерализация которых не превышала 2 г/л. В двух других скважинах горизонты с максимумом активности хлоридов уже имели слабую степень засоления. Во всех трех случаях глубина расположения максимума хлоридов приблизительно одинаковая – 120–160 см, что соответствует верхней части капиллярной каймы. На трансекте 3 признаки начальной стадии вторичного засоления проявляются не только на первой, но и на второй террасе в зоне аэрации на глубине 150–420 см (рис. 6 Е).

Как отмечалось выше, на рисовых чеках, удаляющихся от берега Сиваша (трансекта 2), были выбраны динамические площадки. В 2017–2018 гг. на них установлена депрессионная воронка грунтовых вод, которая углубилась и расширилась в 2018 г. по сравнению с 2017 г. (рис. 4). Понижение УГВ сопровождалось некоторым накоплением легкорастворимых солей в грунтах зоны аэрации (рис. 8).

Наиболее ярко этот процесс заметен на ближайшем к берегу чеке 1. Почвы и грунты этого чека отличаются отсутствием засоления по формальным признакам по всему профилю до грунтовой воды (рис. 8 А, Б). Активности Na+ и Cl- не превышают 4– 6 ммоль/л. Вместе с тем в грунтах зоны аэрации на глубине 120– 250 см, капиллярно увлажняемых от грунтовых вод, в 2018 г. отмечались более высокие значения активности Na+ и Cl- по сравнению с 2017 г. Увеличение активности пока небольшое 0.8– 1.2 ммоль/л, что в пересчете на массу грунта составляет 0.04– 0.06 смоль(экв)/кг, и формально грунт остался незасоленным. Тем не менее это явление сопровождалось формированием скоплений мелкокристаллического гипса в трех из пяти скважин в 2018 г. при полном их отсутствии в 2017 г. по данным морфологического описания образцов при бурении.

Рис. 8. Изменение профильного распределения активности ионов натрия (А, В, Д) и хлорид-ионов (Б, Г, Е) в 2017–2018 гг. на динамических площадках трансекты 2: А, Б – чек 1, 220 м от берега Сиваша; В, Г – чек 2, 525 м от берега Сиваша; Д, Е – чек 4, 920 м от берега Сиваша; Обозначения: 1, 3 – медиана, 2, 4 – пределы варьирования в слое; 1, 2 – июль 2017 г.; 3, 4 – июль 2018 г.

Fig. 8. Change of profile distribution of soduim (А, В, Д) and chloride (Б, Г, Е) ion activity at the transect 2 dynamic plots in 2017–2018: А, Б – rice pond 1, 220 m from Sivash seaside; В, Г – rice pond 2, 525 m from Sivash seaside; Д, Е – rice pond 4, 920 m from Sivash seaside; Legend: 1, 3 – median; 2, 4 – variation limits in a layer; 1, 2 – July 2017; 3, 4 – July 2018.

На чеке 2 динамическая площадка удалена от берега Сиваша на 510–540 м. Здесь в 2017 г. почвы и грунты являлись незасоленными до глубины 350 см. Понижение УГВ в 2018 г. до 400–402 см вскрыло более глубокий слабозасоленный горизонт и сопровождалось тенденцией увеличения активности Na+ на 3–5 ммоль/л и Cl- на 2–3 ммоль/л в слое 220–300 см (рис. 8 В, Г).

На чеке 4, удаленном от берега на 900–940 м, ситуация заметно отличалась. Незасоленными в 2017 и 2018 гг. были только почвенные горизонты от дневной поверхности до глубины 90–100 см (рис. 8 Д, Е). Глубже грунты зоны аэрации имели слабое засоление до грунтовой воды, в которой минерализация варьировала в интервале 6.6–7.4 г/л (табл. 1, скв. КР-150, КР-317, КР-318). В засоленных горизонтах активность Cl- (15–30 ммоль/л) была выше активности Na+ (10–22 ммоль/л), что означает присутствие хлоридов кальция и магния – признаков вторичного засоления. По морфологическому описанию в четырех из пяти скважин на этой динамической площадке отмечались скопления мелкокристаллического гипса. Учитывая довольно широкий интервал варьирования активностей, отметим, что солевое состояние почв и грунтов этой площадки в 2017 и 2018 гг. было одинаковым.

По данным водной вытяжки 1 : 5, в незасоленных горизонтах средней части почвенного профиля отмечается высокая токсическая щелочность, связанная с натрием (рис. 9). Хотя по измерениям активности ионов натрия и кальция в пастах, доля обменного натрия не превышает 5% от ЕКО до глубины 200 см. В слабозасоленных горизонтах зоны аэрации химизм солей сульфатный натриево-магниевый с гипсом. Для этой скважины также невозможно по данным водной вытяжки 1 : 5 дать заключение о признаках вторичного засоления за счет трансформации ионносолевого состава жидкой фазы вытяжки в условиях растворения гипса и ионообменных реакций.

Рис. 9. Распределение солей по профилю агрозема текстурно-дифференцированного аккумулятивно-карбонатного окисленно-глееватого глубокозасоленного, бывший рисовый чек 4 на второй террасе (скв. КР-317, данные водной вытяжки 1 : 5): А – двусторонний солевой график; Б – содержание общей суммы (1) и суммы токсичных солей (2); В – содержание общей токсичной щелочности (HCO 3 токс.) и токсической щелочности, связанной с натрием (NaHCO 3 ).

Fig. 9. Profile distribution of salts in agrozem textural-differentiated accumulative-carbonate oxic-gleyic deeply saline, the rice pond 4 at the second terrace (bore KP-317, data of water extract 1 : 5): A – two-side salinity diagram; Б – total dissolved salts (1) and sum of toxic salts (2); B – total toxic alkalinity (HCO 3 toxic) and sodium toxic alkalinity (NaHCO 3 ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    Почвы лугово-каштановых солонцовых комплексов При-сивашской низменности в Нижнегорском р-не республики Крым, преобразованные на рисовых системах в агроземы аккумулятивно-карбонатные окисленно-глееватые с остаточными текстурным или ксерометаморфическим горизонтами, на значительной площади рисовой системы были рассолены до 3–3.5 м в течение полувекового орошения затоплением чеков.

• 2.    В 2017 г., на четвертый год после прекращения орошения, во-первых, более 90% точек опробования были представлены незасоленными почвами до глубины 1.5–2 м, во-вторых, в 80% случаев – незасоленными грунтами зоны аэрации, в-третьих, грунтовые воды вскрывались преимущественно на глубине 3.3–5.3 м.

• 3.    В береговой полосе Сиваша шириной до 1–2.5 км в 2017 г. и 2018 г. под бывшими рисовыми чеками образовалась де-прессионная воронка грунтовых вод с гидравлическим напором морских вод до 0.8–1.6 м. На расстоянии 4 км и более от берега на чеках, расположенных на водораздельной поверхности между долиной реки и балкой, уровень грунтовых вод сохранился на положительных высотных отметках, залегая глубже критического уровня.

• 4.    Углубление и расширение депрессионной воронки грунтовых вод в 2018 г. по сравнению с 2017 г. сопровождалось образованием скоплений мелкокристаллического гипса и небольшим накоплением натрия и хлоридов в поровых растворах грунтов зоны аэрации на глубине 150–300 см.

• 5.    Во многих точках опробования на рисовых чеках в береговой полосе исследуемой системы на четвертый и пятый годы после прекращения орошения отмечались признаки вторичного засоления – появление в поровых растворах хлоридов кальция и магния, присутствие которых фиксируется по более высокой активности хлорид-ионов по сравнению с активностью ионов натрия, измеренных в пастах с влажностью 50% (мас.). Данные водной вытяжки 1 : 5 не позволяют выявлять эти признаки за счет растворения гипса из твердой фазы и трансформации ионного состава солей в жидкой фазе при производстве вытяжки.