Поиск

Почвообразовательные процессы в гидроморфных ландшафтах аридных областей
18.11.2015

Как ухе отмечалось, для всех аридных стран мира характерны активные процессы соленакопления, обусловленные климатической и гидрологической бессточностью. Процессы движения и накопления солей - важнейшая особенность почвообразования в пустынях. Образование засоленных почв и минерализованных грунтовых вод в аридных областях обусловлено современными и древними процессами, которые развертываются на фоне более древних геохимических циклов миграции легкорастворимых солей. Эти циклы охватывает горше сооружения и окаймляемые ими низменности, включая осадочные толщи в сотни и тысячи метров. В течение миллионов лет поддерживается геохимический поток соляных растворов из областей поднятий в области опусканий путем механической и химической денудации, стока наземных и подземных вод с постоянным их концентрированием под влиянием векового господства испарения.
Наиболее яркое проявляются процессы засоления почв в гидроморфных ландшафтах низменностей аридных областей, где на почву воздействует интенсивно испаряющиеся почвенно-грунтовые или поверхностные воды, которые ежегодно вносят в нее все ноше и новые массы солей. Концентрация природных подземных и наземных вод особенно высока в условиях экстрааридного климата и достигает поразительных величин - 100-300 г/л; в составе солей участвует наиболее растворимые KNO3, NaHO3, NaCl, Na3SO4, MgCl2, MgSO4, CaSO4.
Солончаковый процесс. Процессы современного соленакопления в почвах и солевой баланс территории определяются балансом грунтовых вод. Простейшими разновидностями баланса грунтовых вод являются следующие:
- приход компенсирован их расходом на испарение (или на отток)
- приход превышает расход;
- расход превышает приход.
В первом случае зеркало грунтовых вод держится примерно на одном и том же уровне, во втором случае их уровень поднимается, в третьем - опускается. Солевой баланс почв контролируется не только общим балансом грунтовых вод, но в еще большей степени тем, каковы составляющие элементы прихода и расхода. В аридных ландшафтах определяющее значение в расходе грунтовых вод принадлежит соотношению величин оттока, транспирации и испарения.
Отток грунтовых вод сопровождается выносом солей и поэтому во всех случаях понижает соленакопление. Расход грунтовых вод на испарение является основным фактором соленакопления. Если приходные статьи баланса грунтовых вод компенсируются испарением, происходит резко выраженное нарастающее засоление почвы, водоносного горизонта и увеличение минерализации самих грунтовых вод. Если при этом капиллярная кайма доходит до поверхности, соленакопление происходит с образованием наиболее резко выраженной формы засоленных почв (солончаков), имеющих корку или пухлый слой солей на поверхности.
В экстрааридных областях расход грунтовых вод на испарение при глубине их залегания 0,5-1,0 м достигает 1,5-2 тыс. мм в год. При глубине 2 м эта величина уменьшается до 100 мм, а при глубине 3-4 м испарение грунтовых вод на поверхности почвы практически прекращается. При этом возможно лишь внутрипочвенное испарение, при котором интенсивность расхода грунтовых вод несравненно ниже, при испарении с поверхности. В этой случае засоление почвенной толщи идет очень медленно. Расход грунтовых вод на транспирацию -это продуктивный процесс, обусловливающий создание растительной массы. Однако транспирация при малом гравитационном оттоке грунтовых вод усиливает общий процесс концентрирования вод и накопления солей, но не на поверхности, а во всей корнеобитаемой толще, главным образом в капиллярной кайме, откуда растения потребляют влагу.
Таким образом, наиболее распространенным и непосредственным фактором образования современных засоленных почв в аридных областях является процесс испарения и транспирации застойных грунтовых вод. Поэтому существенным условием соленакопления является геохимическая бессточность территории или замедленный отток почвенно-грунтовых вод. Современное соленакопление монет быть обязано также испарению поверхностных, делювиально-пролювиальных, морских, межпластовых и поливных вод.
В процессе испарения возрастает минерализация и меняется состав солей грунтовых вод. По мере концентрирования наименее растворимые компоненты выпадают в осадок, содержание наиболее растворимых веществ увеличивается. Первыми насыщают раствор полуторные окислы и кремнезем, соединения которых аккумулируются при испарении почвенно-грунтовых вод в почвогрунтах всех климатических зон, особенно в аридных областях. Затем грунтовые воды и почвенные растворы насыщаются углекислыми солями кальция и магния. Они могут переходить в осадок уже в водовмещающей толще и капиллярной кайме над грунтовой водой. Выпадению углекислых солей кальция и магния способствует повышение температуры по мере приближения растворов к поверхности, вследствие чего они переходят из двууглекислой форм в углекислую. В некоторых почвах в результате этой реакции возникает цементированный известью и кремнеземом плотный горизонт (hardpan) или кора.
Продолжающееся испарение растворов приводит к насыщению их гипсом. Гипс выпадает в осадок выше зоны карбонатов или совместно, образуя гипсовый солевой горизонт. Поверхности почвы достигают растворы, обогащенные наиболее растворимыми соединениями: сульфатами натрия, хлоридами и нитратами. Подобный процесс дифференциации растворенных веществ наблюдается и при горизонтальном передвижении растворов от повышенных мест к низменным, причем в более значительном масштабе - сверху вниз по склонам внутриматериковых впадин. Природные воды постепенно обогащаются высокорастворимыми солями, относительно обедняясь слаборастворимыми. Самых низких участков депрессии достигают растворы хлоридов и нитратов.
Перераспределение солей между элементами микрорельефа в аридных областях носит обратный характер. Наибольшая аккумуляция легкоподвижных соединений наблюдается на микроповышениях, которые быстрее прогреваются, просыхают и больше испаряют, играя роль фитилей, всасывающих растворы с окружающих территорий. Charley и McGarity установлен интересный факт значительного накопления нитратов в почвах микроповышений гильгаев.
Примерно тем же закономерностям, что при распределении солей во внутриматериковых впадинах, подчиняется распределение солей в природных водах материков в связи с усилением аридности климата. Чем суше климат местности, тем более растворимыми соединениями обогащаются грунты, почвы и почвенно-грунтовые воды. В почвенногрунтовых водах и солевых корах аридных стран обычно накапливаются такие соли,как карбонаты, сульфаты, хлориды, нитраты и бораты щелочей и щелочных земель в различных соотношениях (табл. 6).

Почвообразовательные процессы в гидроморфных ландшафтах аридных областей

В гидроморфных почвах аридных стран метеорологические условия года, состав и режим почвенно-грунтовых вод определяют состав и динамику почвенных растворов верхних горизонтов почв. Чем выше минерализация грунтовой веды, тем выше и концентрация почвенных растворов. В наиболее крайних случаях концентрация солей достигает в них 400-500 г/л. При этой концентрации многие соли насыщают почвенный раствор и их большая часть находится в твердой фазе в виде осадка. Состав почвенного раствора существенно колеблется во времени. В период выпадения осадков или при поливах часть солей из твердой фазы переходит в. раствор. Понижение температуры ведет к выпадению в осадок солей, растворимость которых снижается при низких температурах (сульфаты, карбонаты натрия).
В твердой фазе почв накапливаются малорастворимые компоненты (вторичные глинные минералы, соединения кремния, полуторные окислы, углекислый кальций, гипс), образующие конкреции или цементированные слои. В условиях аридного климата накопившиеся массы вторичных соединений и- солей имеют тенденцию к длительному сохранению после ухода грунтовых вод и прекращения процессов активного соленакопления. Этим обусловлено широкое распространение реликтовых кор и реликтовых засоленных почв на древних террасах и аллювиальных равнинах аридных областей.
В перераспределении и аккумуляции солей в почвах аридных областей большую роль, кроме подземных вод, играют поверхностный и речной стоки. В абсолютных пустынях, где осадки выпадают не каждый год, особое значение имеют перенос и перераспределение солей с делювиальными водами малого местного стока (пустыни Западного Китая, Малого Кавказа, Аравии, Ирана, Чили и др.). После эпизодических ливней временные потоки, размывая осадочные соленосные породы на склонах, захватывают при своей движении вместе с илом легкорастворимые соли.
В течение длительного геологического времени приток и испарение делювиальных растворов вызывает развитие солончаков на периферии делювиальных шлейфов. Содержание солей в верхних горизонтах солончаковых почв экстрааридных районов достигает 10-20, а иногда и 30-75%. Почвы пустынь Западного Китая и Чили покрыты солевой корой мощностью 30-80 см, а иногда и 3-5 и. Эти соли состоят главным образом из хлоридов, сульфатов и часто нитратов. Иногда пылевидные формы этих солей образуют гигантские дюны и барханы высотою 10 м (псевдопесок).
Там, где современное соленакопление происходит под влиянием испаряющихся почвенно-грунтошх вод, роль растительного опада в притоке солей незначительна. Так, при залегании грунтовых вод на глубине 0,5-1 м испарение их достигает 10 000 м3/га,в результате чего почва может получить 50-100 т/га солей в год. Биогенный же приток солей на солончаках при урожае гадостной растительности 5-12 ц/га не превышает 200-500 кг/га.
Низкий урожай галофитной растительности на солончаках, разреженность растительного покрова, грубое строение корней обусловливают слабое накопление органического вещества и биофильных элементов. Солончаки бедны органическими соединениями углерода, азотом и фосфором.
Почвообразовательный процесс в депрессиях - вадях и руслах стока. Кроме почв, получающих дополнительное количество влаги и веществ за счет грунтового увлажнения, в аридных областях формируются почвы, существование которых обусловлено дополнительным поверхностным стоком. Некоторые процессы, характеризующие эти почвы, изучены Хиллелом и Тадмором в пустыне Негов.
Изучались гравелистые лессовидные почвы вадей (русел временных потоков). Благодаря поверхностному стоку с окружающих пространств почвы вадей получают в несколько раз больше веды по сравнению с количеством выпадающих осадков. Глубина проникновения влаги в почвах гравелистых вадей достигает нескольких метров. Однако в почвах грубого механического состава запасы влаги, накапливаемой в корнеобитаемых горизонтах, очень малы. Поэтому гравелистые вади представляют собой сухие местообитания. Значительно более благоприятен водный режим в вадях с почвами, развитыми на лессах. Глубина промачивания здесь также достигает нескольких метров, а запас влаги в период выпадения дождей составляет 400 мм и более. Из них около 160 мм - доступная влага. Так как промачивание осуществляется нередко несколько раз в течение вегетационного периода, общий запас доступной влаги за год достигает 250-500 мм. Благодаря столь значительному оводнению почвы вадей покрываются ковром пышной злаково-бобовой растительности, многочисленными кустарниками, глубокие корни которых способны использовать весенние запасы влаги вплоть до поздней осени. Почвы носят явно луговой характер.
Сходные луговые темноцветные почвы депрессий (падин) известны в полупустынях юга и юго-востока России. Они дополнительно увлажняются снеговой, талой и ливневой водой, имеют развитый гумусовый горизонт и пышную разнотравно-злаковую растительность на общем фоне полупустынь.
Процесс такырообразования. Такыры - это голая паркетообразная поверхность глинистых пустынь Азии, разбитая сетью трещин на многочисленные полигональные отдельности. Они являются типичным элементом ландшафта пустынь Азии и отчасти Африки. Образования, подобные такырам, - "claypan" встречаются в Австралии.
Такыры лишены высшей растительности. С поверхности они имеют плотный корковый горизонт мощностью 1-8 см, пористо-ячеистого строения, с чешуйчатым горизонтом под ним. Глубже залегает горизонт остаточного соленакопления.
Такыры приурочены к пониженным частям подгорных равнин, древним дельтам и аллювиальным равнинам, котловинам среди песков и понижениям на плато. Для образования такыров необходимо сезонное затопление территории поверхностными водами, несущими взвешенный илистый материал и слабые растворы солей. Необходим также глубокий уровень почвенно-грунтовых вод. При отсутствии этого условия образуются солончаки.
Процессы такырообразования изучались многими исследователями в России.
Водный режим такыров резко контрастный. При выпадении осадков не менее 8-9 мм в горах Средней Азии формируется поверхностный сток, который поступает на подгорные равнины пустынь. Коэффициент стока при шпадении осадков менее 20 мм равен 0,5; при осадках более 20 мм - 0,8. Объем стока - 25 тыс.м3/км2. Весной массы веды на такырах Азии образуют временные очень мелкие озера с запасом воды в несколько миллионов км3. Концентрация вод не выше 1-2 г/л, соли представлены главным образом хлоридами и сульфатами натрия. Водный режим такыров в значительной степени зависит от их низкой фильтрационной способности. Ранней весной, когда поверхность такыра заливается водой, почва промачивается на глубину 5-10-30 см. Впитывается не более 30-35% осадков, остальное испаряется. Глубже 40 см осадки не проникают, и на этой глубине доступной для растений влаги нет. В верхней части профиля доступная влага сохраняется лишь до апреля-мая. Далее почти непрерывно почва иссушается вплоть до осени, когда осадки вызывают новое сезонное увлажнение такыра. В наиболее благоприятное время запас доступной влаги в такыре не превышает 20-30 мм. Летом поверхность почвы находится в воздушносухом состоянии.
Солевой режим такыров коррелирует с режимом влажности. Ранней весной происходит сезонное рассоление почвы на глубину 10-18 см (остается не более 0,2-0,4% солей, преимущественно соды), сильно возрастает щелочность (pH повышается до 8,5-9). Летом происходит сезонное засоление поверхностного горизонта; с капиллярно-подвешенной влагой соли, вмытые на некоторую глубину, вновь возвращаются к поверхности. Содержание солей возрастает в 2-3 раза по сравнению с весенним уровнем, среди солей преобладают хлориды. Повторяемость процессов засоления и рассоления вызывает развитие осолонцевания и осолодения почвы. В корочке идет разрушение коллоидов, содержание их снижается в 2-3 раза по сравнению с нижележащими горизонтами. Гумус достигает высокой дисперсности, более половины его переходит в коллоидную фракцию, он активно вмывается в подкорковый горизонт. В коллоидной фракции иллювиального горизонта накапливаются Al2O3, MgO, SiO2; здесь их в 2-5 раз больше, чем в корковеян горизонте.
В формировании такыров большая роль принадлежит водорослям, главным образом синезеленым и диатомовым, образующим на поверхности такыров пленку толщиной 2-5 мм. В процессе жизнедеятельности водоросли значительно подщелачивают среду. Экспериментально установлено, что в течение 5 суток деятельность водорослей на поверхности такыров привела к возрастанию общей щелочности поверхностных вод с 0,2 до 2,52 мг-экв/л; в дневное время при высокой фотосинтетической активности водоросли повышали pH поверхностных вод с 7,3 до 9 и содержание нормальных карбонатов более, чем на 2 мг-экв/л.
Водоросли активно разрушают алюмосиликатную часть почвы своими прижизненными выделениями. После полугодового культивирования сине-зеленых и диатомовых водоростей на различных горизонтах такыра количество SiO2 и R2O3, переходящее в водную вытяжку, увеличилось в сотни раз по сравнению с контролем.
Водоросли оказывают влияние и на формирование пористой корки такыров; потребляя в процессе фотосинтеза CO2, они способствуют переводу бикарбонатов кальция в карбонаты и цементации корки. Выделяя кислород, водоросли способствуют возникновению пористого сложения корочки. Возможно, именно водоросли обусловливают высокое содержание азота в гумусе такыров.
Роль высших растений в процессе накопления гумуса и минеральных элементов на такырах невелика. Запас биомассы этих растений на такырах не превышает 1-3 ц/га, что обусловливает ежегодное поступление не более 10-20 кг/га минеральных элементов. Принос солей с поверхностным стоком достигает 1 т/га и более.
Основная часть гумуса такыров не является продуктом собственно такырного почвообразования, а принесена с окружающих пространств водами поверхностного стока. Характерные черты этого гумуса - преобладание фульвокислот над гуминовыми (в 1,5-5 раз), упрощенное строение гуминовых и фульвокислот (содержание углерода в первых 50%, во вторых - 40%), обогащенность гумуса азотом (C:N = 4-7). Общее содержание гумуса не превышает 1% в корке, постепенно убывая с глубиной, вниз по профилю соотношение гуминовых и фульвокислот расширяется, C:N сужается.
Осолонцевание почв. Тектоническое поднятие и эрозионное расчленение низменностей приводит к опусканию уровня грунтовых вод. Грунтовые воды (или поверхностные воды) исключаются как фактор соленакопления, и процессы засоления прекращаются. Однако в аридных областях накопившиеся массы солей очень долго сохраняются в почвах, грунтах и грунтовых водах. Процессы рассоления идут очень медленно, но все же тем быстрее, чем больше количество осадков и лучше естественная дренированность местности. Поэтому процессы рассоления значительно эффективнее в более увлажненных областях полупустыни, где они сопровождаются солонцовым процессом (алькалинизацией) и затем процессом остепнения. Здесь формируются каштановые и бурые солонцеватые почвы в комплексе с солонцами. Классическим примером таких полупустынь служат Прикаспийская низменность и Южная Украина в Европе, Северный Казахстан в Азии, Большой Бассейн в Северной Америке, аридные области Австралии. Значительно менее ярко осалонцевание почв проявляется в экстра-аридных условиях пустынь, но и здесь многие почвы носят признаки солонцеватости (такыры).
Процесс формирования солонцов из натриевых солончаков был изучен в свое время К.К. Гедройцем, А. Зигмондом, В. Келли, а также многими другими исследователями разных стран мира.
В начале рассоления солончаков выносятся наиболее растворимые хлориды, затем сульфаты и наконец карбонаты щелочей и щелочных земель. С момента выноса более или менее значительных масс хлоридов и сульфата натрия в результате щелочного гидролиза солей и насыщенных натрием органических и минеральных коллоидов почвы реакция среды сильно подщелачивается (pH достигает 9-9,5). Щелочная реакция, насыщенность коллоидов натрием (до 20-30% емкости обмена), снижение содержания электролитов в почвенном растворе и щелочность среды вызывают пептизацию коллоидов, их вынос из верхней части профиля и закрепление в нижележащих горизонтах. Происходит разрушение первичных и вторичных алюмосиликатов. Кремний, железо и алюминий переходят в подвижные соединения и мигрируют по профилю, образуя иллювиальный горизонт В. Особенно активна миграция кремнекислоты. Содержание SiO2 в форме коллоидных соединений в почвенном растворе наиболее щелочных горизонтов солонцов (pH 9-10) достигает нескольких сотен миллиграммов в литре. При переходе золя кремнекислоты в гель она цементирует почвенную массу, обусловливая водонепроницаемость подсолонцовых горизонтов. В таких условиях происходит неосинтез монтмориллонита и других минералов с подвижной кристаллической решеткой. Профиль почвы резко дифференцируется. В рассоляющейся части профиля обособляется надсолонцовый дерновый горизонт (10-15-20 см), а под ним - солонцовый горизонт В (мощностью 15-30 см). В остальной части профиля сохраняется засоленность с максимумом солей в подсолонцовом горизонте. Остаточная засоленность в солонцах держится очень долго. Даже при значительно опущенных грунтовых водах (глубже 6-7 м) в профиле солонцов в зоне полупустыни существует градиент всасывающего давления, нарастающий от середины третьего к середине первого метрового слоя. Это обусловливает постоянный восходящий ток жидкой влаги, который, начинаясь в капиллярной кайме, несет с собой соли. Лишь при дальнейшем опускании уровня почвенно-грунтовых вод засоление постепенно прекращается; во всяком случае,оно перестает затрагивать корнеобитаемый слой.
Остепнение. Прекращение восходящих капиллярных токов, подающих соли, поселение в связи с этим разнотравно-злаковой и злаковой растительности на месте галофитов поводит к потере почвой солончаковатости и солонцеватости, к замене обменного натрия на биогенный кальций, магний и калий, к гумусонакоплению, т.е. к остепнению такыров и солонцов и превращению их в зональные почвы аридных областей (сероземы, каштановые и т.д.).
Растительность влажных солончаков - ассоциации мясистых солянок - вовлекает в биологический круговорот большое количество растворимых солей при сравнительно низком содержании биогенных элементов. Зольность этих растений достигает 45-50%, основная часть золы представлена хлоридами и в меньшей степени сульфатом натрия. Поэтому мясистые солянки на солончаках поддерживают процесс соленакопления, хотя и не являются основным фактором соленакопления.
При понижении уровня грунтовых вод на место мясистых солянок приходят полусухие солянки. Их зольность составляет 20-30%, в золе сульфаты преобладают над хлоридами, по сравнению с мясистыми солянками увеличивается содержание Ca, Mg, К. Ho несмотря на то, что количество солей, ежегодно вовлекаемых в круговорот сообществами полусухих солянок, меньше по сравнению с количеством солей, вовлекаемых мясистыми галофитами, их роль в поддержании засоления почв выше, так как при отсутствии засоляющего влияния грунтовых вод,они становятся основным фактором, поддерживающим засоление.
При последующем развитии рассоления, при более глубоком опускании грунтовых вод (на глубину 10-20 м) в растительном покрове начинают преобладать злаки, бобовые, сложноцветные и другие степные растения. В этих группах растений содержание минеральных веществ составляет 5-7%, из них на долю хлоридов и сульфатов приходится до 0,5%. Суша Ca, Mg, К в 5-20 раз превышает содержание натрия. Резко возрастает по сравнению с солянками содержание Si, R2O3, P. Биологический круговорот под покровом разнотравно-злаковой растительности не способствует процессам засоления и осолонцевания. Наоборот, высокое содержание Ca, Mg, К в составе этой растительности способствует постепенному вытеснению обменного натрия из почвенного поглощающего комплекса и исчезновению солонцеватости.
Кроме того, разветвленная, преимущественно поверхностная корневая система злаков является значительно более мощным фактором гумусонакопления по сравнению с корневыми системами солянок. Под влиянием этой растительности солонцы и такыры превращаются в развитые неоавтоморфные почвы: бурые полупустынные и серо-бурые пустынные.
Опустынивание почв. В тех аридных странах, где атмосферное увлажнение измеряется лишь немногими миллиметрами в год (и при том не каждый), почвы, прошедшие гидроморфную стадию или подвергшиеся засолению,охватываются процессом опустынивания. Изреживается растительность, обедняется дернина и фауна. Окисляется гумус, утрачивается структурность. Дефляция уносит мелкозем. Биологическая продуктивность снижается до нескольких центнеров и менее. Солевые и глинистые такыровые коры достигают почти полной безжизненности. Пески и мелкокристаллическая пылеподобная масса солей образуют подвижные дюны и барханы. Камни, щебень и известково-железистые иди кремниевые конкреции на дефлированных почвах образуют пустынный панцирь и "мостовую". В естественных пустынях - это редкое явление, свойственное лишь наиболее аридному климату Центральной Азии, Чили, Сахары. Ho человек может значительно ускорить и усилить процесс опустынивания.