книги из ГПНТБ / Количественные методы в мелиорации засоленных почв

чему резко увеличивается их минерализация. В. В. Егоров и Г. В. Захарьина (1956) выделяют наряду с критической «оптимальную» глубину засоляющих почву грунтовых вод, при которой засоление верхних горизонтов почвы достигает

Таблица 4

Зависимость величины критических глубин залегания грунтовых вод от их минерализации

максимальных величин. Вернее, эту глубину следует назы­ вать не «оптимальной», а наиболее опасной. И. Н. АнтиповКаратаев (1940) на основе изучения капиллярных свойств грунтов и степени минерализации грунтовых вод Вахшской долины различает абсолютную и относительную критиче­ ские глубины грунтовых вод. Абсолютная глубина та, при которой граница капиллярно-пленочного подъема в орошае­ мых условиях достигает поверхности почвы. Величину абсолютной критической глубины грунтовых вод для усло­ вий Вахшской долины он устанавливает в пределах 3,5— 4,0 м. Относительная глубина та, при которой при правиль­ ном орошении вторичное засоление только что начинает проявляться.

61

A. Н. Костяков (1951) считает, что критическая глуби­ на грунтовых вод зависит от степени минерализации, ме­ ханического состава почв и их структурности. Приведенные в таблице 4 данные показывают, что чем слабее минера­ лизованы воды, тем ближе к поверхности они могут зале­ гать, не оказывая засоляющего действия на почвы. В том же направлении влияет и структура. Чем структурнее почва, тем критические уровни меньше. Установлено, что критическая глубина зависит от многих факторов, напри­ мер, от концентрации солей в грунтовых водах, скорости капиллярного подъема, явления диффузии, промывного действия осадков и оросительной воды, а также от измене­ ний, возникающих в капиллярной кайме при испарении.

Б. И. Философов (1948) показал, что в дополнение ко всем перечисленным факторам уровень грунтовых вод сам по себе колеблется от сезона к сезону и что было бы пра­ вильнее заменить понятие «критическая глубина» понятием «критическое состояние» почвы, что соответствует услови­ ям , при которых поступление солей несколько превышает их удаление. Однако в последних работах сохраняется преж­ ний термин (Ковда, 1960; Аверьянов, 1957). В. Р. Волобуев (1945) для суглинистых грунтов Мугани выделяет три вида критических глубин (среднекритические за период соленакопления):

I) гибельный для сельскохозяйственных растений, около

1,75—2,25 м.

B. Р. Волобуевым (1946) вводится понятие эффективного критического уровня грунтовых вод, засоляющих почву, представляющего среднюю арифметическую глубину грун­ товых вод в вегетационный период. Б. И. Философов (1948) отмечает, что шкала В. Р. Волобуева учитывает постоянное изменение уровня грунтовых вод в орошаемых условиях, и в связи с этим отвечает понятиям теории «критического режима» засоляющих почву грунтовых вод, которая была выдвинута Н. А. Беседновым (1958). Под «критическим ре­ жимом» Н. А. Беседнов понимал такой режим, которому соответствует близкий к равновесному солевой баланс почвы.

Основным отличием теории критического режима явля­ ется учет не только процесса соленакопления в верхних слоях почвы, но и учет интенсивности соленакопления во времени. Большое методологическое значение для выясне­

62

ния рассматриваемого вопроса имели почвенно-мелиоратив­ ные исследования в Кура-Араксинской низменности. Этими исследованиями была выявлена необходимость замены «критической глубины» понятием «критического режима» грунтовых вод, засоляющих почву, отразив динамичность уровня, свойственную поливным землям. Теоретические проработки и опытные данные вышеуказанных авторов и многих других исследователей показывают, что при пони­ жении уровня грунтовых вод резко уменьшается испарение с поверхности почвы и транспирация воды растениями. При определенной критической глубине залегания уровня грунтовых вод испарение их, а в связи с этим и засоление почвенного покрова, практически прекращается.

А. Г. Владимиров (1960) критической глубиной грун­ товых вод считает такую глубину, ниже которой грунтовые воды при всех условиях не могут вызвать засоление актив­ ного слоя почвы. Он считает критическую глубину для каждого района постоянной. Им так же вводится понятие о допустимой глубине, которая может отличаться от крити­ ческой. Допустимой глубиной называется такая наимень­ шая глубина до грунтовых вод, при которой, если соблюда­ ются дополнительные условия (например, если грунтовые воды пресные или если выполняются предусмотренные про­ ектом агротехнические и другие мероприятия), заболачива­ ния или засоления активного слоя почвы может не возник­ нуть.

П. А. Летунов (1958) предлагает считать критической глубиной такую глубину, при которой скорость капилляр­ ной подачи к поверхности почвы не будет превышать опре­ деленной заданной величины. Последняя должна быть мень­ ше скорости испарения влаги поверхностью почвы или культурной растительностью.

Скорость капиллярного поднятия раствора имеет решаю­ щее значение для определения критической глубины и зави­ сит лишь от свойств почвогрунтов и свойств восходящего раствора и не зависит от величины испарения. Испарение будет лишь обуславливать тот или иной расход воды через капилляры и, следовательно, интенсивность капиллярного засоления.

Обширный материал, накопленный при изучении режи­ ма грунтовых вод, его минерализации, водно-физических свойств почвогрунтов и другие материалы, полученные Д. М. Кацем (1963), позволили ему дать определение крити­ ческой глубины грунтовых вод. Под критической глубиной он понимает ту средневегетационную глубину, при которой накопление хлоридов в течение одного вегетационного пери­

63

ода не достигает опасной для хлопчатника величины. Как отмечает Д. М. Кац (1963), накопление хлоридов, очевидно, будет соответствовать динамике их баланса, определенной, с одной стороны, испарением грунтовых вод, с другой — вы­ мыванием солей вегетационными водами.

Б. В. Федоров (1953) для орошаемых земель Узбекистана указывает, что по имеющимся исследовательским данным для современного агротехнического уровня обработки паш­ ни критическая глубина залегания грунтовых вод лежит в следующих пределах в зависимости от природных условий:

а) в сазовых равнинах — 1,0—1,2 ж на конусах выносов и около 1,5 ж на нижних террасах;

б) в сазово-солончаковых равнинах — около 2 ж на ко­ нусах выносов и около 2,5 ж на нижних террасах;

в) в солончаковых равнинах — около 1 ж на песчаных почвах, около 2 ж на супесчаных и тяжелоглинистых поч­ вах и около 3 ж на пылевато-суглинистых однородных почвах.

Б. В. Федоров не указывает, какие природные условия создают различия в критической глубине. Он называет «критической» такую глубину, при которой на данном уров­

личина изменчивая. Она в конкретных условиях колеблется в довольно широких пределах. Поэтому для определения «критической» глубины надо принимать во внимание все водно-физические, физико-химические, биологические осо­ бенности, а также и механический состав почвогрунтов.

П. А. Керзум (1957) провел анализ по рассматриваемо­ му вопросу на основе экспериментальных работ, проведен­ ных в Вахшской долине рядом исследователей. Он показал, что в определении критической глубины Б. Б. Полыновым есть слабая сторона, которая заключается в том, что Б. Б. Полыновым испарение грунтовых вод рассматривает­ ся как фактор уменьшения критической глубины. В то же время известно, что основные площади засоленных почв приурочены к областям с большими величинами испарения. Такое противоречие Б. Б. Полынов объясняет тем, что в сухих областях грунтовые воды более минерализованы и при условии достижения критического уровня будут засо­ лять почвы более сильно и энергично, нежели это делают грунтовые воды при тех же условиях в областях с более влажным климатом. Из этого замечания следует, что ин­ тенсивность засоления почвы (или количество солей, накап­ ливающихся в почве за определенный промежуток време-

64

ни) при критической глубине уровня грунтовых вод нахо­ дится в зависимости от минерализации последних. При уменьшении минерализации грунтовых вод интенсивность засоления почв также будет уменьшаться. Можно предста­ вить, что при каком-то минимальном значении ее засоление почв не достигнет величин токсичных для культурных ра­ стений, т. е. почва останется практически незасоленной. Следовательно, глубина залегания уровня грунтовых вод при этом уже не будет являться критической, хотя осталь­ ные факторы, определяющие ее по уравнению Б. Б. Полынова, остались теми же. Как видно, критическая глубина залегания уровня грунтовых вод зависит также от их мине­ рализации, а не только от свойств почвы (грунта) и клима­ та. Таким образом, уравнение критической глубины залега­ ния уровня грунтовых вод, данное Б. Б. Полыновым, не отражает количественную сторону процесса засоления почв.

В. А. Ковда (1947) определил критическую глубину за­ легания уровня грунтовых вод как функцию среднегодовой температуры по уравнению

J= 170 + 8i+ 15,

где J — критическая глубина (см ); t — среднегодовая тем­ пература воздуха (°С). Формула В. А. Ковды отражает при­ родную зональность, но не учитывает конкретных физиче­ ских свойств почв. Поэтому величины критической глуби­ ны, вычисленные по этой формуле, и величины, которые определены экспериментально, могут не совпадать для не­ которых районов орошения.

б. К рит ическая м и н ерал и зац и я грунтовых вод.

Это понятие было предложено О. А. Грабовской (1954). Критической считается та степень минерализации грунто­ вых вод при данной их глубине, выше которой к концу вегетационного периода происходит начальная стадия засо­ ления почв.

Понятие «критическая минерализация», употребляемое в последнее время в литературе, отражает величину мине­ рализации, при которой происходит образование сильноза­ соленной почвы. Эта величина неодинакова при разных ти­ пах соленакопления, что объясняется различной токсич­ ностью солей для растений. По данным Н. И. Базилевич (1952), для Барабинской низменности, критическая минера­

(1954) приводят различные величины «критической мине­ рализации», например для Азербайджана — 5—6 г/л, для Туркмении и Кара-Калпакии — 3 г/л. Для Южного За­ волжья, по данным А. П. Бирюковой (1962), критическая минерализация колеблется от 3 до 4,6 г/л. В условиях Мильской равнины при содовом типе засоления критическая ми­ нерализация состаляет около 1 г/л, при сульфатно-хлорид- ном или хлоридном типе засоления — 5—6 г/л, а при хло- ридно-сульфатном или сульфатном — около 9—10 г/л.

В. М. Легостаев (1951) вывел формулу нарастания мине­ рализации грунтовых вод по пути их движения. Этой фор­ мулой учитывается повышение концентрации солей в грун­ товой воде только в результате испарения и транспирации растениями. Связи же формирования минерализации грун­ товых вод с засолением почв она не дает.

в. Критический со л ево й реж им почв.

На процесс засоления влияет много факторов и выделе­ ние одного из них, который является критическим в опре­ делении направленности перехода от засоления к рассоле­ нию, не совсем верно. В связи с этим исследователями было предложено рассматривать «критический солевой режим», при котором начинается накопление солей выше порога токсичности. Эта мысль высказана в работах Б. И. Философова (1948), Н. А. Беседнова (1958) и особенно П. А. Кер-

зума (1957).

Н. Г. Минашина (1970) развивает эти идеи на основе расчета баланса солей для определенного слоя почв, уточ­ няет понятие критической минерализации грунтовых вод

ошибкам. Во-первых, при описании изменения концентра­ ции почвенного раствора и грунтовых вод не учитывается механизм диффузии солей. Во-вторых, предположение о том, что все соли при поливах остаются в почве является очень грубым допущением. Вообще любые попытки показать количественные закономерности процесса без учета меха­ низма его протекания ведут к метафизичной оценке явле­ ния. Однако принципиальная постановка задачи о «крити­ ческом солевом режиме» верна и требует тщательного рас­ смотрения. Физико-математическое описание процесса засо­ ления почв позволяет дать более четкие определения крити­ ческих констант и определить их количественные взаимо­ связи.

66

§ 3. Физико-математическое обоснование критических мелиоративных констант

В мелиоративной практике встречаются два основных типа солевого режима: 1) в ландшафте формируется такое взаимодействие гидрологических, климатических, почвен­ ных факторов, которое не приводит к накоплению солей в почве выше порога токсичности; 2) действие природных факторов отражается на почву таким образом, что в ней происходит процесс прогрессирующего соленакопления. Соли аккумулируются в пределах, превышающих порог токсичности. Диффузия солей вниз, атмосферные осадки и поливы не в состоянии вывести соли из почвенных горизон­ тов в грунтовые воды. Переход от первого режима ко второ­ му и будет означать «критический солевой режим почв» в том понимании, которое трактовалось в предыдущем па­ раграфе.

Таблица В

Результаты численных значений отношения входной минерализации грунтовых вод

кконцентрации солей в почвенном растворе, полученных но точной и приближенной

Используя математические модели солепереноса, приве­ денные выше, можно приближенно оценить при каких зна­ чениях факторов и их сочетаний будет наблюдаться «крити­

67

Для удобства дальнейших вычислений в исходной формуле (1.4.16) множитель (1+ erf|)exp|2 заменен на функцию ео.704q-+o,oo5i _ Указанная аппроксимация сделана на основе

таблицы 5.

Формула П.3.1 охватывает практически всю область из­ менений концентраций, в которой приходится работать ме­

почвенного раствора, при которой начинается угнетение растений, для различных культур различна. Приблизи­ тельно она изменяется в пределах от 10 до 30 г/л и зависит от типа химизма засоления. Следовательно, для каждой конкретной культуры в зависимости от ее солеустойчивости необходимо проектировать водно-солевой ре­ жим так, чтобы максимальная: концентрация почвенного раствора не превышала критическую. Математически ука-

68:

занное выше положение можно выразить в виде неравен­ ства

констант», описанных в §2. Следует понимать, что крити­ ческим значением параметра называется такая его величи­ на, при которой достигается критический солевой режим, в то время как остальные параметры системы «почва —- грун­ товая вода» являются неизменными. Следовательно, можно не допустить возникновения солевого режима выше крити­ ческого изменением не только критического параметра, но и других параметров, влияющих на данный режим.

а. К рит ическое испарен и е.

Очевидно, при постоянстве остальных факторов водно­ солевого режима испарение грунтовых вод может достиг­ нуть такого значения, когда соли будут накапливаться в почве выше допустимого предела. Таким образом, существу­ ет и критический предел величины испарения— qKp. Из формулы (11.3.1) вытекает, что испарение является самым существенным фактором засоления, так как входит в пока­ затель экспоненты; критическая величина испарения мо­ жет быть вычислина по формуле

Величина критического испарения будет различна для разных почвенно-географических зон, разных гидрогеологи­ ческих условий.

б. К рит ическая гл уби н а за л ега н и я грунтовых вод.

Анализ физического механизма процессов солепереноса

впочвах и грунтовых водах позволяет сделать вывод, что

вмелиорации следует пользоваться двумя понятиями кри­

тической глубины: 1) к р и т и ч е с к а я г л у б и н а и с п а ­ р е н и я , при которой испарение грунтовых вод практиче­ ски равно нулю; 2) к р и т и ч е с к а я г л у б и н а з а с о л е ­ н и я , та минимально возможная глубина уровня грунто­ вых вод, при которой максимальная концентрация солей в почве при данных природных условиях не превышает поро­ га токсичности солей для данной культуры. Критическая

69

глубина испарения может быть найдена по эксперименталь­ ной кривой, отражающей интенсивность испарения от глу­ бины залегания грунтовых вод, т. е. функцию д(А). Сопо­ ставление кривых q(А), которые были получены исследова­ телями для различных природных условий (Керзум, 1957; Крылов, 1959), показало, что эти кривые аналитически можно представить в виде зависимости

Здесь д0— максимальная величина суммарного испарения (эвапотранспирация) с единицы площади поля, определенная в данном районе. В первом приближении до можно прини­ мать как величину испарения с открытой водной поверх­ ности.

Рис. 6. Зависимость скорости испарения от глубины залегания грунтовых вод.

Для поливных районов Средней Азии и юга Казахстана величина п изменяется приблизительно в пределах от 1 до 3, а а от 5 до 30 и зависят от физических свойств почв и типа культур.

Кривая, показывающая зависимость д(Д) и представ­ ленная на рис. 6, приближенно описывается уравнением

_Д!

д(Д)=д0е 5.

Если принять, что 1% от максимально определенного в

70