книги из ГПНТБ / Количественные методы в мелиорации засоленных почв

теория стремится выяснить, чего можно достичь благодаря некоторой степени разнообразия.

Мелиорацию интересует как первый, так и второй ас­ пекты разнообразия, т. е. как его полезность (теория ин­ формации), так и вредность (статистика).

В этой главе коротко перечислены вопросы, которые не­ обходимо решить по количественной оценке засоленности почв по данным экспериментальных исследований, прове­ денных по инициативе В. М. Боровского по вероятностной оценке засоленности почв юга Казахстана. Для решения вопросов о типе распределения, о необходимой повторности образцов для получения заданной достоверности и т. д. бы­ ло отобрано и проанализировано более 5000 почвенных проб. Однако ниже приводятся в основном логические выво­ ды, полученные в результате обработки экспериментального материала. Сделано это для того, чтобы не нарушать общей теоретической направленности данной монографии.

§ 1. Неоднородность почв по засолению

Наличие неоднородности по засолению связано с измен­ чивостью условий почвообразования. Влияние всех природ­ ных факторов на засоление почв специально не изучалось. Эти факторы или компоненты почвенной неоднородности можно разделить на внутренние и внешние.

1.Основные внутренние факторы (статические): механи­ ческий состав почвы, объемный и удельный вес, кинетиче­ ская удельная поверхность почвы, полная удельная поверх­ ность почвы, статическая удельная поверхность, коэффици­ ент фильтрации почвы, полная влагоемкость, полевая влагоемкость почвы, влажность замедленного роста растений, влажность устойчивого завядания растений, максимальная гигроскопичность.

2.Основные внутренние динамические факторы: влаж­ ность почвы, содержание солей в водной вытяжке почвы,

концентрация почвенных растворов, уровень грунтовых вод и их минерализация, скорость движения грунтовых вод, температура почвы и грунтовых вод, поглощенные основа­ ния, микроагрегированность почвы, pH почвенного раство­ ра и грунтовых вод.

3. Основные внешние динамические факторы: режим осадков (и поливов), температура воздуха в приземном слое и на уровне, соответствующем высоте травостоя, температу­ ра воздуха метеорологическая, скорость ветра в приземном слое и на уровне, соответствующем высоте травостоя, ско­ рость ветра метеорологическая, влажность воздуха в при­

141

земном слое и на уровне, соответствующем высоте траво­ стоя, влажность воздуха метеорологическая, атмосферное давление, испарение с поверхности почвы, транспирация, проективное покрытие почвы растительностью, высота тра­ востоя (сельскохозяйственных культур), урожайность траво­ стоя, радиационный баланс.

В ходе процесса почвообразования совокупные действия статических и динамических факторов водно-солевого ре­ жима почв влияют на количественные и качественные из­ менения засоленности почв. Эти изменения могут быть в пределах: а) микропорядка — изменчивости содержания в почве различных веществ в результате воздействия резосферы растений. Под влиянием захвата корнями растений тех или иных веществ их содержание в почве вблизи корней и в удалении от них может быть различно. Такие же изме­ нения вызывает выделение корнями в почву различных про­ дуктов жизнедеятельности. К этому же порядку относится и микроморфологическая природа почвы; б) мезопорядка — вариабельности свойств почвы в пределах одного элементар­ ного почвенного ареала или почвенного индивидуума; в) макропорядка — вариабельность свойств, которые приво­ дят к формированию почвенных компонентов и сочетаний; г) геопорядка — неоднородности признаков, связанных с из­ менением сочетания факторов почвообразования в зональ­ ном аспекте и проявлением интразональных процессов.

Пространственное варьирование содержания солей в пределах от микродо геопорядков отличается несуществен­ но, коэффициенты вариации данных возрастают с увеличе­ нием размеров площадок незначительно. Таким образом, ни климатические факторы, ни геолого-геоморфологические (изменчивость в пределах макро- и геопорядков) не могут быть основной причиной пестроты засоления, так как неод­ нородность засоления почв проявляется значительно рань­ ше. Первой причиной такой неоднородности, по мнению мно­ гих исследователей, является пятнистое распределение ра­ стительности. Существует и иная точка зрения. «В биогеоценотической системе «почва — растительность» последняя яв­ ляется наиболее чуткой к условиям местообитания. И ее пят­ нистое распределение может возникнуть в большинстве слу­ чаев лишь в результате пятнистости условий хотя бы в наибо­ лее критические моменты вегетации: прорастания семян и ускорения всходов, закладки репродукционных органов, цветения и т. п. Кратковременная пятнистость условий мо­ жет^ проявлятся в неоднородности наиболее динамичных свойств почвы: ее влажности, температуры (в частности за­ мерзания и оттаивания), концентрации почвенного раство­

142

ра, наличия доступных питательных веществ и т. п.» (Кремер, 1970). В данном случае причиной первичной неустой­ чивой неоднородности различных признаков почв является действие случайных факторов, которое потом проявляется в пятнистости растительного покрова и при последующем этапе почвообразования может переходить в устойчивую неоднородность признаков, содержащих контрастность поч­ венного покрова. Саморазвитие факторов или компонентов почвенной неоднородности в дальнейшем своем проявлении уже не связано с действием первопричины случайных фак­ торов изменчивости свойств, т. е. слабовыраженной фактор­ ной неоднородности.

Количественное взаимодействие факторов почвообразо­ вания приводит в одних случаях к усилению процесса неоднородности засоления почв, в других — к ослаблению этого процесса. Для выполнения условий, при которых про­ исходит формирование неоднородности почвенных свойств, и наиболее динамичного показателя — засоления, приведем ряд примеров по вариабельности солей в почвах дельтово­ аккумулятивных равнин Южного Казахстана.

В настоящее время в связи с зарегулированием стока рек происходят изменения в структуре почвенного покрова. В одних случаях массивы, в прошлом хорошо обводняемые, переходят в стадию опустынивания с ослабленной солевой динамикой в сезонном аспекте; в других — на массивах периодического затопления увеличиваются площади гидроморфных почв, наиболее перспективных в сельскохозяйст­ венном отношении, с высокой активностью всех почвенных процессов и с наиболее выраженной сезонной динамикой засоления почвенного профиля.

Исследования вариабельности почв по засолению мето­ дом простой случайной выборки выполнялись в низовьях Сырдарьи (Казалинский и Кзыл-Ординский массивы оро­ шения), в низовьях Или (Акдалинский массив орошения, современная дельта Или), в низовьях рек Чу, Таласа, Ассы, Урала. Каждая из дельтовых областей обладает своим не­ повторимым своеобразием проявления природных факто­ ров. Вместе с тем, все эти факторы в совокупном действии способствуют высокой изменчивости свойств почв по засо­ лению, при этом гидрологические условия формирования почв являются главным и определяющим фактором при оценке степени засоленности почв, ее сезонной и годовой изменчивости, а так же степени дисперсности показателя засоления почв.

Наибольшей вариабельностью почвенных свойств харак­ теризуются гидроморфные почвы современных дельт, неза­

143

висимо от концентрации солей в почвенном профиле. Как видно из результатов статистической обработки показате­ лей засоленности почв при сезонных наблюдениях за водно­ солевым режимом в современной дельте Или (данные 1968 г.), природные условия коренным образом влияют на характер соленакопления. В головной области современной дельты Или гидрологический режим определяется ежегод­ ными ранневесенними разливами по всей территории. Соот­ ветственно этим условиям формирование комплексов и со­ четаний почвенного покрова характеризуется наименьшей контрастностью по степени засоления и определяется пре­ имущественно луговым и болотным рядом почв незасолен­ ных и слабозасоленных. Изучение степени вариабельности содержания солей в пределах элементарного почвенного ареала в данном случае может характеризовать изменчи­ вость свойств не только в пределах мезопорядка, но и в известной степени в пределах макропорядка, характеризуя всю область головной дельты в целом.

Таблица 6

Результаты вариационно-статистической обработки суммарного содержания солей (в %) в лугово-болотных почвах головной области современной дельты Или по данным десятикратного отбора проб 1968 г. (площадка 1, разрез 1)

По данным таблиц 6 и 7, лугово-болотные почвы харак­ теризуются слабовыраженным процессом соленакопления. Разница солевых запасов в метровом слое почв весеннего и осеннего сроков наблюдений достоверна с вероятностью

144

Таблица 7

Результаты статистической обработки данных запасов солей (в т/га)

для метрового слоя лугово-болотных почв (площадка 1, разрез 1, 1968 г.)

0,982. Естественное варьирование показателей при общем низком солевом запасе довольно высокое. На массивах луго­ во-болотных почв центральной области современной дельты Или, характеризуемых разрезом 5, площадки 2, в отличие от лугово-болотных почв головной области дельты создается другой гидрологический режим увлажнения. Разрез 5 рас­ положен в межрусловом понижении, ограниченном со всех сторон грядами выположенных песков. Они изолируют межрусловое понижение от влияния паводковых вод про­ токи. В 1968 г. средневариационные величины запасов солей

вт/га для метрового слоя почв составляли 65,55+5,12 т/га

ввесенний период и 74,49+4,35 г/га осенью 1968 г.

Таблица 8

Результаты вариационно-статистической обработки суммарного содержания солей (в %) в лугово-болотных почвах центральной области дельты Или по данным десятикратного отбора проб 1968 г.

(площадка 2, разрез 5)

При сравнении весеннего и осеннего сроков наблюдений изменение запасов солей в метровом слое почв (табл. 8, 9)

Таблица 9

Результаты вариационно-статистической обработки данных запасов солей (в г/га) для метрового слоя лугово-болотных почв (площадка 2, разрез 3, 1968 г.)

характеризует их стабильность с вероятностью 0,78. Вместе с тем по расчетным горизонтам и генетическим ясно выра­ жено уменьшение степени варьирования показателей по коэффициентам вариации к осеннему периоду отбора проб. Изменение характера варьирования почвенных свойств в данном случае объясняется изменениями увлажнения и видового состава солей. В весенний срок 1968 г. при уровне залегания грунтовых вод 2,12 м горизонт капиллярного увлажнения находился на глубине 1 м. Над этим горизон­ том отмечалось максимальное скопление более раствори­ мых солей — до 60% от суммы NaCl, ИаНСОз, Na2S04. К осени при понижении уровня грунтовых вод до 2,7 м наблю­ далось и более резкое иссушение верхней метровой толщи почвенного профиля. Значительно уменьшились запасы вла­ ги в пределах верхнего метрового слоя, распределение солей стало более равномерным. В верхних слоях профиля умень­ шилось содержание NaCl, исчезает почти полностью NaHC03, увеличилось сульфатное засоление. Соответствен­ но уменьшилась степень варьирования свойств засоленных почв.

Центральной области современной дельты Или свойст­ венна хорошо выраженная контрастность почвенного по­ крова по засолению как в почвенных компонентах и сочета­ ниях в пределах макропорядка, так и в пределах элемен­ тарных почвенных ареалов, характеризующих почвы опре­ деленного токсономического уровня. При этом в момент определения неоднородности засоления почвенного профиля гидрологические условия могут быть и одинаковы. Так, например, в широко распространенных болотно-луговых почвах центральных массивов дельты Или, по данным се­ зонных наблюдений водно-солевого режима почв, характер варьирования показателей засоленности существенно отли­ чается. В одном случае (на ключевом участке 3) он имеет низкую степень варьирования показателей, коэффициенты вариации не превышают 20%, в другом (на ключевом уча-

146

стке 6) — коэффициенты вариации выше 25%. Существен­ ную разницу в оценке засоленности болотно-луговых почв нельзя объяснить различными условиями увлажнения, так как и в том и в другом случаях уровень грунтовых вод за­ легал глубже 2,5 м от поверхности; паводковых затоплений в 1968 г. не отмечалось. Более ясный ответ на этот вопрос можно найти при анализе видового состава солей, из кото­ рого складывается суммарная их концентрация, и состава растительного покрова.

На болотно-луговых почвах пологих склонов прирусло­ вых валов меандрирующего действующего протока Или (пло­ щадка 6, разрез 13) во все периоды отбора проб в поверх­ ностном, наиболее засоленном почвенном горизонте отмеча­ ется хлоридно-сульфатный кальций-натриевый тип химиз­ ма, чаще сульфатно-хлоридный кальций-натриевый с актив­ ным участием соды при гидрокарбонатном засолении грунто­ вых вод; растительный покров отличается большим много­ образием видового состава (тростник, солодка, качим и дру­ гие виды лугового разнотравья).

Болотно-луговые почвы ровных обширных понижений с резкими выположенными песчаными буграми, располо­ женные на значительном расстоянии от действующих водо­ токов (площадка 3, разрез 7) вблизи зоны влияния оз. Бал­ хаш, имеют в поверхностном горизонте максимального соленакопления хлоридно-сульфатный магний-натриевый тип химизма. В видовом составе солей отмечаются высокие кон­ центрации Na2SC>4 при слабом участии NaCl. Качественный состав солей устойчив по сезонным периодам. Более одноро­ ден и растительный покров, который не имеет ясно выра­ женной пятнистости и характеризуется однообразием видо­ вого состава. В составе растительного покрова преобладают тростниково-вейниковые сообщества с незначительной при­ месью лугового разнотравья. В данном случае низкая сте­ пень варьирования показателей засоленности и других компонентов, способствующих формированию этой неодно­ родности, характеризует процесс обсыхания этих почв как постепенный и длительный к другой переходной стадии почв — их опустыниванию. На участках, аналогичных клю­ чевому участку 6, процесс обсыхания почв не является очень длительным, в данном случае почва сохраняет высо­ кую активность динамичной системы. При подобных усло­ виях действие гидрологического фактора нужно рассмат­ ривать в многолетнем аспекте.

Приведенные выше примеры являются типичными для естественных условий формирования почв. На территории современной дельты Сырдарьи широкое распространение

147

имеют массивы орошения. При аналогичных условиях поч­ вообразования, даже при высоком естественном засолении почв, до периода освоения при длительном промывном ре­ жиме орошения, вариация свойств по засоленности значи­ тельно уменьшается в пределах почвенного контура и всего массива орошения, при этом степень варьирования показа­ телей засоления различных расчетных слоев по коэффици­ ентам вариации не превышает 20 % ; концентрация солей по профилю довольно равномерная даже при частичной реставрации засоления.

Таблица 10

Результаты вариационно-статистической обработки суммарного содержания солей (в °/о) во вторичном солончаке Казалинского массива орошения по данным десятикратного отбора проб 1968 г.

{площадка 1, разрез 1)

Приведенные выше (табл. 10) показатели характеризу­ ют вторичный солончак, использованный для посева риса

ив какой-то степени видоизмененный орошением. В естест­ венных условиях солончаки имеют различную степень варь­ ирования показателей, наиболее высокую при преобладании в видовом составе легкорастворимых солей и при близком уровне залегания грунтовых вод.

Таким образом, в рассмотренных примерах причины воз­ никновения неоднородностей засоления почв могут быть совершенно различными. В дельтовых областях основным фактором вариабельности является гидрологический режим

иусловия грунтового увлажнения. Поэтому высокая вариа­ бельность засоления отмечается как по генетическим гори­ зонтам, так и по расчетным слоям. Максимальное проявле­ ние неоднородности приурочено к верхней границе капил­ лярной каймы. Сезонные наблюдения по площадкам за вод­ но-солевым режимом почв свидетельствуют о широком диапазоне колебаний залегания горизонта капиллярной каймы, вследствие чего вариабельность засоления наиболее высокая. Следовательно, чем больше динамика факторов засоления независимо от того, в какую сторону направлен

148

процесс, тем выше изменчивость свойств. В большинстве случаев максимум неоднородности отмечается в осенний период максимального соленакопления. На массивах с пе­ риодическим паводковым затоплением максимум неодно­ родности отмечается в весенний период после затопления при частичной реставрации засоления.

При практических рекомендациях, связанных с выпол­ нением мелиоративных работ, оценка неоднородности засо­ ления должна рассматриваться в соответствии с анализом всех природных факторов. Вместе с тем в дельтовых обла­ стях, где почва является очень динамичной системой, ча­ сто не имеет смысла проводить оценку вариабельности за­ соления по генетическим горизонтам, целесообразнее использовать данные по расчетным слоям, в основном верх­ него метрового почвенного слоя.

На незасоленных гидроморфных почвах средневариа­ ционные показатели существенно не отличаются от типич­ ного разреза, а степень дисперсии данных, даже если и яв­ ляется высокой, то находится в пределах точности опреде­ лений. Поэтому оценка вариабельности свойств в подобном случае необязательна. При довольно сильном поверхност­ ном засолении таких почв основное внимание при изучении вариабельности следует обратить на этот горизонт макси­ мального соленакопления.

При аналогичных условиях формирования степень не­ однородности примерно одинакова на ключевых участках различного размера. Это обстоятельство является основным при объективизации мелиоративных исследований с помо­ щью статистических правил как на небольших ключевых участках, так и на более обширных массивах, поэтому воз­ можно использовать полученные показатели для составле­ ния мелиоративного прогноза территории.

§ 2. Засоленность как случайный процесс

При статистическом рассмотрении какого-либо почвен­ ного признака (влажность, содержание гумуса и т. д.) счи­ тается, что данный признак есть случайная величина (Дмит­ риев, 1966; Маргулис, 1971). В действительности почвове­ дам больше приходится иметь дело со случайными функци­ ями или случайными процессами.

С л у ч а й н о й в е л и ч и н о й |(р) в рассматриваемом случае является значение засоления в данной точке почвы в данный момент времени. Поскольку одна из координат точки, а именно глубина, выбирается вполне определенной при проведении исследований, то пространство элементар­

149

законом распределения, соответствующих п уровням глуби­ ны. С другой стороны, можно считать, что мы имеем дело

ния случайной величины в зависимости от глубины. Так как содержание солей изменяется во времени, то распреде­

ление их должно описываться с л у ч а й н ы м п р о ц е с с о м

£(рК,t).

Измеренные значения засоления почвы на одном и том же фиксированном уровне в каждом шурфе можно рассмат­ ривать как случайную выборку значений g(p) из генераль­ ной совокупности, а в каждом уровне в одном и том же шурфе — как реализацию функции £(р, h) или как реализа­ цию процесса £(р, h, t), поскольку время тоже фиксировано. Иначе можно получить реализацию случайного процесса, зафиксировав значения всех неслучайных параметров (а не так, как рассматривалось выше). В нашем случае такими параметрами будут глубина и время. Для каждой фиксиро­ ванной глубины можно рассмотреть совокупность фиксиро­

можно представить в виде множества случайных величин. В теории оценок параметров случайных процессов такая модель является основной.

Случайные процессы могут быть самых различных ти­ пов. Проведенные исследования позволяют предполагать, что рассматриваемый многомерный случайный процесс должен обладать свойствами нестационарности, немарковости. Однако в данной монографии этот вопрос ставится толь­ ко в качестве проблемной задачи, решению которой должна быть посвящена другая сложная и обширная работа.

§ 3. Проблемы получения заданной достоверности при мелиоративных исследованиях

Достоверность исходных почвенно-гидрогеологических данных должна быть не ниже вероятности (обеспеченности) работы оросительной или осушительной систем, принятой в проекте (эта обеспеченность, как известно, обосновывается технико-экономическими расчетами). В связи с интенсив­ ным использованием орошаемых и осушаемых земель наи­ более типичной обеспеченностью в настоящее время можно считать обеспеченность в 90%. Следовательно, можно при­

150