Почвоведение, 2021, № 6, стр. 657-674

ВВЕДЕНИЕ

Одной из особенностей почвообразования в аридных и семиаридных условиях является аккумуляция карбонатов кальция (CaCO₃). В руководствах по описанию почв ФАО (1979–2015 гг.) выделяется группа слабокарбонатных почв, содержащих от следовых количеств до 2% карбонатов; карбонатные – при аккумуляции CaCO₃ до 15%, далее выделяются почвы средне- (15–25%) и сильнокарбонатные (>25%). Отмечается, что карбонатные почвы создают проблемы для сельскохозяйственного использования. Кальцисоли (Сalcisols) (почвы с содержанием карбонатов >15%) отличаются низким содержанием органического вещества и доступного азота. Высокие значения pH создают условия, ограничивающие подвижность и доступность для растений соединений фосфора из-за образования нерастворимого фосфата кальция. Чем мельче кристаллы карбонатов, тем активнее они влияют на свойства почвы. Наиболее активная фракция карбонатов размером ≤0.02 мм. При содержании CaCO₃ до 10–15% считается, что они положительно влияют на свойства почв: способствуют образованию стабильных крупнопористых агрегатов, улучшают водно-физические свойства. При увеличении содержания CaCO₃ до 25% карбонаты могут осаждаться в порах, снижая водопроницаемость почв. При содержании карбонатов >25% в почвах увеличивается плотность (до 1.6 г/см³ и больше); при высыхании орошаемых карбонатных почв образуется плотная корка. Карбонатные горизонты, даже оставаясь проницаемыми для воды, могут препятствовать росту корней [36].

Донер, Линн [27] выделили основные источники и механизмы поступления карбонатов в почвы: 1) наследование от материнской породы; 2) осаждение из растворов, образованных в результате выветривания содержащих кальций минералов; 3) осаждение карбонатов, вызванное увеличением концентрации Са²⁺ при дегазации за счет эмиссии СО₂; 4) отложение карбонатной пыли на поверхность почвы с последующим перемещением карбонатов вглубь профиля в составе растворов; 5) осаждение в результате объединения Са²⁺, поступающего с атмосферными осадками, с ${\text{HCO}}_{3}^{ - },$ находящимся в составе почвенных растворов; 6) принос с грунтовыми водами.

Наиболее широко распространено явление, когда аккумуляция CaCO₃ обусловлена привносом их с грунтовыми водами [10, 14, 22 ]. По мнению Ковды [15], обилие и разнообразие карбонатных новообразований зависит от характера почвообразующих пород и карбонатов больше в почвах, сформированных на лёссовидных отложениях, чем на глинистых, за исключением почв гильгайного комплекса. Кроме того, карбонатные новообразования (нодули) могут отличаться разновременностью формирования в почвах единого почвенного комплекса.

В зарубежной литературе одни ученые объясняют присутствие карбонатов переотложением их в качестве материала, сформированного вне данного почвенного профиля [35]. Другие считают, что источниками карбоната и гипса в аридных почвах являются атмосферные выпадения в виде пыли или карбоната, растворенного в дождевой воде [29, 31]. Есть работы, где отмечается, что в формировании горизонтов calcic и gypsic участвуют биологические процессы, когда за счет минерализации мертвого растительного материала в почву вносится значительное количество карбонатов и гипса [30]. Амит, Харрисон [24] показали, что кальциевые горизонты почв Израиля часто связаны с волокнистой структурой некоторых грибов, привносящих кальций в почву при отмирании.

Карбонатные почвы с содержанием CaCO₃ > 15% (calcareous soils) встречаются во многих странах с засушливым климатом [25].

Каври [33] подчеркивает, что основными проблемами землепользования в Ближневосточном регионе являются: образование поверхностной корки, цементация горизонтов, низкая доступность фосфора, нарушение калиевого и магниевого питания растений, низкая доступность микроэлементов. В статье Диксона [28] дается характеристика почв аридных условий и отмечается, что увеличению концентрации карбонатов и гипса сопутствует уплотнение почв и формирование горизонтов petrocalcic и petrogypsic.

Впервые подробно процесс ирригационного окарбоначивания почв в сухостепной зоне России описан Барановской и Азовцевым [1, 2]. По результатам их исследований, практически за 40‑летний период орошения произошло накопление массы карбонатов более чем в 3 раза в верхнем 0.5 м слое. Причем происходило это независимо от глубины залегания грунтовых вод и при промыве легкорастворимых солей на значительную глубину. По мнению авторов, своеобразный ритм миграции СаСО₃ в профиле обеспечивает ему устойчивость к выщелачиванию. При этом они не исключают частичный привнос СаСО₃ с поливными водами (из р. Волги), хотя они являются пресными гидрокарбонатно-кальциевого состава.

Ву с соавт. [37] также считают возможным поступление карбонатов в почвы вместе с поливной водой в орошаемых районах Калифорнии. де Сало с соавт. [26] исследовали распределение карбонатов по гранулометрическим фракциям в пахотном слое (0–20 см) орошаемых сельскохозяйственных угодий Наварры (Испания). В результате эксперимента выяснили, что в песчаной фракции почв количество карбонатов систематически уменьшается, и стабилизировать их количество удается только за счет внесения удобрений и глубокой вспашки.

Процесс подтягивания карбонатов в пахотных почвах сухостепной зоны России отмечался многими исследователями [1, 6, 17, 18]. Считается, что значительное поступление карбонатного материала в почвы происходит в результате распашки и орошения земель, которые помимо положительного влияния создают многочисленные проблемы при сельскохозяйственном использовании земель. Так, большое содержание карбонатов в корнеобитаемом слое каштановых почв, карбонатных черноземах и особенно в почвах, сформированных на продуктах выветривания известняков и мергелей, вызывает нарушение минерального питания виноградников, что выражается в заболевании их хлорозом [20]. Ларби с соавт. [34] напротив, отмечают положительное влияние карбонатов в почвах на произрастание оливковых растений в прибрежных средиземноморских засоленных землях.

Таким образом, причины появления и механизмы распределения карбонатов в почвах зависят от их наличия в почвообразующих породах, зонального и регионального характера почвообразовательных процессов, антропогенного воздействия на почвы, типа использования земель и возделываемых культур, поэтому изучение карбонатных почв должно проводиться с учетом особенностей каждой территории.

Волгоградская область – важный район орошаемого земледелия в России. Орошение на территории области началось еще в конце XIX в., пик ирригационного освоения отмечался во второй половине XX в. В 1989 г. в орошение было вовлечено 345.2 тыс. га [19], к началу 2018 г. – 180.7 тыс. га [4].

Одним из этапов создания оросительных систем под использование поверхностных способов полива являлась планировка территории. Это антропогенный фактор воздействия на почвы при орошении, который чаще всего отсутствует при богарном использовании земель. Повышения микро- и мезорельефа срезают, а понижения заполняют материалом срезанных почв. Неоднородность почвенного покрова резко возрастает после строительных планировок. По данным [16] насыпные слои новых почв могут представлять собой смесь материалов 2–16 генетических горизонтов исходных почв в самых произвольных соотношениях. Новые почвы коренным образом отличаются по строению и свойствам от исходных и представляют собой почвы с особенно сложными профилями.

Поскольку на Светлоярской оросительной системе (ОС) в 1950–1960 гг. проектировалось использовать поверхностные способы полива, при строительстве была выполнена планировка всех участков. Значительная часть выпуклых элементов мезорельефа была срезана, в результате карбонатный горизонт почвенного профиля оказался расположенным ближе к поверхности. О таком явлении упоминалось в работах Зимовца [11] по Кисловской ОС, а позже было отмечено, что поверхностно-карбонатные почвы выделяются на дистанционных материалах Светлоярской ОС [5, 6].

Цель исследования – определить количество и распределение карбонатов (CaCO₃) в почвенном профиле орошаемых почв сухостепной зоны Волгоградской области на примере двух орошаемых участков Светлоярской ОС, находящихся в разных природных районах, и увязать распространение поверхностно-окарбоначенных почв с изображением на космических снимках.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом изучения стали два участка орошения Светлоярской ОС в Волгоградской области, расположенные в разных природных районах. Орошаемый участок (ОУ) Червленое расположен на севере возвышенности Ергени, а Светлоярский ОУ – на Северной Сарпинской низменной равнине (рис. 1).

Представим природные особенности районов исследования и состояние участков орошения в настоящее время.

Ергенинская возвышенность, служащая водоразделом Черного и Каспийского морей, в Волгоградскую область заходит северной частью. Возвышенность Ергени с поверхности покрыта толщей скифских красноцветных пород и лёссовидных суглинков мощностью до 40–60 м, но выходы красноцветных (морских) пород встречаются лишь в самых глубоких балках. Отметки поверхности здесь не превышают 150–180 м, преобладают волнистые водоразделы и плавные склоны речных долин и балок. Грунтовые воды залегают на глубине 30–40 м, но в балках глубина их уменьшается до 1 м.

Для территории Ергенинской возвышенности характерны ландшафты сухостепной зоны. Светло-каштановые почвы сформировались в основном на лёссовидных суглинках и глинах. Среди светло-каштановых почв доминируют солонцеватые разновидности, площадь их распространения значительно превышает площадь других почв. Несолонцеватые светло-каштановые почвы встречаются редко. Солонцы составляют до 50% площади и более, пестроту почвенного покрова дополняют лугово-, луговато-каштановые почвы потяжин и блюдцеобразных западин [8].

ОУ Червленое находится на северном склоне возвышенности Ергени, недалеко от Волго-Донского канала. До орошения на светло-каштановых почвах глубина вскипания от НСl колебалась от 29 до 46 см, в среднем составляла 38 см, выделения карбонатов наблюдались на глубине 39–60 см, в среднем 49 см [8]. В настоящее время вскипание почв часто отмечается с поверхности.

Участок орошался и орошается водами из Волго-Донского канала. Первоначально орошение проводилось поверхностным способом, начиная с 2000-х годов применяется полив дождеванием. В настоящее время орошается группа полей, остальная часть массива используется под богарное земледелие.

Уровень грунтовых вод (УГВ) в начале 90-х годов прошлого столетия на ОУ Червленое доходил до критических значений 3–2.5 м, а на отдельных участках достигал 1.5–2 м. Это привело к вторичному засолению почв на значительной площади массива. Динамика вторичного засоления почв и осолонцевание почв на ОУ Червленое рассмотрена ранее [7]. С середины 1990-х годов массив не орошался, а в 2000-х годах началось постепенное использование отдельных полей. В настоящее время УГВ залегает на глубине более 5 м.

Светлоярский ОУ расположен на Северной Сарпинской низменной равнине Прикаспийской низменности. Северная Сарпинская низменная равнина – это морская равнина раннехвалынской трансгрессии, которая заключена в треугольнике между Волгой и Сарпинской ложбиной. Абсолютная высота колеблется от 50–40 м на севере до 30–15 м в центральной части района. В целом район слабо дренирован. Общий тип ландшафта – суглинистая комплексная равнина, на фоне которой выделяются полосы лиманных и падинных лугов по ложбинам. Увлажнение поверхностными водами скудное и крайне неравномерное. Оно лишь изредка осуществляется за счет ливневых осадков, а основной источник – талые снеговые воды. Почвы – светло-каштановые солонцеватые, в комплексе с солонцами (25–50 и >50%). В депрессиях почвы лугово-степные и луговые, в разной степени опресненные [9].

Почвообразующие породы Сарпинской низменной равнины – это осадки Хвалынского моря, представленные глинами, суглинками с повышенной концентрацией легкорастворимых солей, подстилаемые сильнозасоленными шоколадными глинами. При более близком залегании шоколадных глин они являются почвообразующими породами. Выровненный рельеф, в сочетании с плохой водопроницаемостью шоколадных глин, определяют относительно высокий естественный УГВ: 7–10 м, иногда 5–7 м, в понижениях 1–3 м, с минерализацией от 1–3 до 5–10 и 10–15 г/л. Воды хлоридно-натриевые и хлоридно-сульфатно-натриево-магниевые [8].

Светлоярский ОУ в период строительства оросительной системы прошел жесткую планировку. В бывших светло-каштановых почвах глубина вскипания от HCl варьировала от 18 до 30 см. В настоящее время такие почвы вскипают с поверхности, за счет наличия дисперсных карбонатов по всему профилю.

Участок орошается водами р. Волги гидрокарбонатно-кальциевого состава. Орошение проводится капельным способом и дождеванием, но на отдельных полях сохранился поверхностный полив. УГВ на данном участке не поднимался выше 3 м на протяжении всего периода эксплуатации массива. В настоящее время УГВ около 10 лет составляет более 5 м.

Методы исследований: использование космической информации и современных приемов ее обработки, включая статистические; полевые исследования почв, лабораторные методы определения CaCO₃ в профиле почв.

Полевые исследования проводили в августе 2017 и 2019 гг. на ОУ Червленое и в июне–июле 2015–2016 гг. на Светлоярском ОУ. На ОУ Червленое сделано 38 (2017 г.) и 19 (2019 г.) почвенных прикопок глубиной 50–60 см, углубленных бурением до 100 см, отобрано более 300 образцов. На Светлоярском ОУ сделано 28 аналогичных точек опробования на глубину 0–100 и 0–200 см и отобрано 168 образцов. Дополнительно было взято по трансектам (1Т, 3Т) 77 образцов на глубину 0–25 см (рис. 2).

Название почв давали по трем классификациям: СССР [13] (далее К-1977), России [12, 21] (далее РК-2004(8)) и международной WRB [32] (далее WRB-2014). Содержание карбонатов определяли ацидометрически по Козловскому с пересчетом CO₂ карбонатов в CaCO₃ [23].

Построение интерполяционных карт и двумерных профилей распределения карбонатов в почве выполняли в пакете программ Surfer-13 методом интерполяции kriging, учитывая координаты на местности и анизотропию расположения точек по вертикали и горизонтали. Классификацию космического изображения проводили в программе ENVI 5.1 классификатором ISODATA.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В настоящей статье рассматривается пятнистость полей, вызванная окарбоначиванием орошаемых почв. Такая пятнистость не зависит от УГВ. Пятна хорошо проявляются на космических снимках с открытой поверхностью почвы, а также на полях под пологом озимых зерновых культур. Они достигают размеров 10–20 тыс. м².

На полях с люцерной на поверхностно-окарбоначенных почвах из-за недостатка влаги возникают выпады культуры площадью до 2–3 тыс. м². Аккумуляция дисперсных карбонатов возле поверхности способствует образованию корки на отдельных участках. При поверхностном способе полива вода обтекает такие участки за счет большей плотности пахотного слоя и чуть приподнятой поверхности. В результате покров люцерны становится сильно изреженным.

Мелиоративные мероприятия, выполненные при строительстве Светлоярской ОС, такие как срезка повышений микро- и мезорельефа на глубину 30–70 см и насыпка в понижения срезанного материала мощностью 20–30 см, гипсование солонцов, плантажная вспашка (40–45 см), последующая ежегодная вспашка (25–30 см) и орошение в течение 60 лет существенно изменили почвенный покров, в том числе перераспределение карбонатов в почвах.

Встречается два варианта формирования карбонатного профиля. В первом из них вторичное окарбоначивание поверхностных горизонтов происходит за счет восходящего подтягивания почвенных растворов к поверхности в корнеобитаемый слой. Второй вариант окарбоначивания почв – срезка гумусового горизонта с последующей насыпкой смеси разных горизонтов во время производства планировки полей. Насыпанный материал обычно становится карбонатным. В некоторых случаях при планировке была срезана большая часть почвенного профиля почв, включая горизонт с белоглазкой (ВСАnc).

Срезка повышенных участков почв, помимо выравнивания поверхности, была направлена на удаление солонцовых горизонтов у корковых и мелких солонцов, которые занимали, как правило, повышенные формы микро- и мезорельефа. В результате солонцы на орошаемых полях практически не встречаются, иногда встречаются фрагменты солонцовых горизонтов.

Ключевой участок на ОУ Червленое Светлоярской ОС имеет пятнисто-полосчатый рисунок на космическом снимке (рис. 2). Рассмотрим строение почвенного покрова и современное распределение карбонатов в нем по трем трансектам: одной вдоль светлого сильно вытянутого пятна и двум поперечным к нему (рис. 3).

Наземные исследования ключевого участка Червленое. По результатам обследования 24 разрезов, расположенных тремя трансектами, на поле ОУ Червленое не обнаружены солонцы. Согласно классификации К-1977, на участке вскрыты светло-каштановые пахотные карбонатные солонцеватые и несолонцеватые солончаковатые и глубокосолончаковатые среднесуглинистые почвы на лёссовидных суглинках, луговато-каштановые и лугово-каштановые почвы пахотные не вскипающие с поверхности и с насыпанным карбонатным пахотным горизонтом. По субстантивным классификациям те же почвы представляются более разнообразными (рис. 3, табл. 1).

В семи из девяти точек опробования (разр. Ч-1, Ч-2, Ч-4, Ч-5, Ч-6, Ч-10, Ч-11), расположенных в пределах вытянутого широкого светлого пятна на космическом снимке, строение почвенного профиля однотипное: Pca–BCAnc,th–BCca–BCca,cs. Почва – агрозем аккумулятивно-карбонатный сегрегационный солонцеватый солончаковатый гипссодержащий среднесуглинистый на лёссовидных суглинках, или по WRB-2014 Luvic Gypsic Kastanozem (Loamic, Aric, Densic, Endoprotosalic, Sodic). Пахотный горизонт Pca с дисперсными карбонатами, пропитывающими его целиком, имеет мощность от 23 до 31 см (в среднем 27 см) и обычно разделен на две части: верхнюю P1ca мощностью 12–20 см (в среднем 18 см) и нижнюю P2ca мощностью 6–11 см (в среднем 9.5 см). Под ним непосредственно начинается аккумулятивно-карбонатный горизонт BCAnc,th с белоглазкой и бурыми и серовато-бурыми гумусово-глинистыми кутанами на вертикальных гранях призмовидных отдельностей высшего порядка, собранных из ореховато-призматических агрегатов. Нижняя его граница залегает на глубине 50–70 см (в среднем 58 см). Глубже горизонта BCAnc,th расположен переходный к породе горизонт BCca с дисперсными карбонатами, не содержащий карбонатных новообразований, а в нижней его части с глубины 63–110 см (в среднем 86 см) наблюдаются прожилки и скопления мелкокристаллического гипса (BCca,cs).

Наличие хорошо выраженных кутан (признак th) свидетельствует об активном иллювиировании илистого вещества в щелочных условиях, что позволяет утверждать о развитии солонцового процесса, по крайней мере, в период орошения почв. Следует отметить, что гумусово-глинистые кутаны наблюдались и в нижней части пахотного горизонта P2ca,th в разр. Ч-4, Ч-5 и Ч-6, расположенных в северной половине вытянутого светлого пятна. Это означает, что солонцовый процесс сохраняется в современных условиях. Здесь (в P2ca) в разр. Ч-5 и Ч-6 встречались сохранившиеся редкие мелкие (до 1–2 см) фрагменты солонцового горизонта.

Сочетание морфологических признаков строения профиля, включающее резкую границу между Pca и BCAnc,th, наличие редких фрагментов солонцового горизонта в нижней части пахотного слоя, расположение нижней границы горизонта BCAnc на 20–30 см выше по сравнению с таковой в профилях солонцов, позволяет утверждать, что светлая полоса на космическом снимке соответствует ареалу срезанных почв во время строительной планировки поля перед началом орошения.

В пользу этого утверждения свидетельствуют и два других разреза (Ч-3 и Ч-105), расположенных в центре рассматриваемого светлого пятна. В них профиль почвы еще проще: Pca–BCca,th–BCca,cs. Мощность пахотного горизонта на краю пятна (разр. Ч-105) равна 30 см, в центре полосы (разр. Ч-3) – всего 18 см. Аккумулятивно-карбонатный горизонт BCA отсутствует полностью. Непосредственно под горизонтом Pca залегает преобразованная часть переходного горизонта к породе BCca,th, в которой на боковых гранях призматических отдельностей обнаружены хорошо выраженные гумусово-глинистые кутаны. Следовательно, почвенный профиль был срезан до горизонта BC. Название почв по РК-2004(8) – агрозем солонцоватый карбонатный глубокосолончаковатый гипссодержащий среднесуглинистый на лёссовидных суглинках, или по WRB-2014 – Calcaric Protosodic Cambisol (Loamic, Aric, Ochric).

До планировки на месте светлого вытянутого пятна на космическом снимке был комплекс солонцов каштановых и светло-каштановых солонцеватых почв.

На поперечной трансекте по центральной диагонали поля (разр. Ч-101–Ч-106) в терминах РК-2004(8) в каждой точке опробования отмечались особенности строения почвенного профиля.

Основные различия между почвами наблюдаются в верхней части почвенного профиля. Во-первых, агрогумусовый (пахотный) горизонт P в пяти из шести разрезов имел сплошное бурное вскипание от HCl (индекс ca), а в одном – локальное (индекс ca в круглых скобках).

Во-вторых, этот же горизонт P в трех разрезах (Ч-103…Ч-105) имел признаки частично или полностью насыпанного материала (индекс r – стратифицированный), подвергавшегося ежегодному перемешиванию вспашкой в течение почти 60 лет. Это следует из соотнесения свойств горизонта P с нижележащими горизонтами AJ(ca) или BCca.

В-третьих, почвенный профиль разр. Ч-105 срезан при строительной планировке – сразу под горизонтом Pca,r обнаружен переходный к почвообразующей породе горизонт BCca.

В-четвертых, два разреза (Ч-103 и Ч-104) вскрыли бывшую луговато-каштановую почву ложбины, засыпанную сверху при строительной планировке поверхности поля. Под горизонтом Pca,r или P(ca),r найден светлогумусовый горизонт AJ(ca), имеющий не сплошное, а локальное вскипание от HCl, ниже которого расположены структурно-метаморфический горизонт BMca с пропиткой дисперсными карбонатами и аккумулятивно-карбонатный горизонт BCAnc с белоглазкой (индекс nc – сегрегационные карбонаты).

В-пятых, в разр. Ч-101, Ч-102 и Ч-106 в средней части почвенного профиля наблюдались вариации карбонатных новообразований. В разр. Ч-106 под структурно-метаморфическим горизонтом BMca сразу начинался аккумулятивно-карбонатный горизонт BCAnc с белоглазкой. В разр. Ч-102 между ними вклинился аккумулятивно-карбонатный горизонт BCAdc с диффузными пятнами карбонатов при отсутствии более компактно сегрегированных форм. А в разр. Ч-101 совсем не обнаружена сегрегация карбонатов в виде белоглазки, но ближе к поверхности в горизонте BMca наблюдались несколько прерывистых горизонтальных вытянутых на 10–15 см и узких (0.5–1.5 см) неровных светлых полосок карбонатов. Очевидно, это результат гидрогенного накопления карбонатов при высоком УГВ.

Нижняя часть профиля постепенного перехода к почвообразующей породе (лёссовидным суглинкам) всех точек опробования имеет общие черты: горизонты BCca и Cca,cs. Наблюдалась лишь вариация глубины проявления признаков и обилия скоплений мелкокристаллического гипса. В частности, глубина верхней границы появления гипсовых скоплений изменялась от 100 до 168 см, что в названии почв отмечено, как “глубокогипссодержащие”. Карбонатные новообразования в этих горизонтах не зафиксированы.

Другая поперечная трансекта (рис. 3, Д), проложенная в северной, самой возвышенной части поля, расположенном на пологом склоне, вскрыла более контрастные изменения почв. На четырех отрезках обнаружены луговато- и лугово-каштановые почвы с выщелоченным от карбонатов срединным горизонтом, который по РК-2004(8) соответствует глинисто-иллювиальному горизонту BI. В пределах этих ареалов пахотные горизонты качественно отличаются по вскипанию от HCl. В разр. Ч-13 вскипание отсутствует в горизонте P. В разр. Ч-14 верхняя часть пахотного горизонт P1ca содержит дисперсные карбонаты, а нижняя P2 не имеет вскипания от HCl. В разр. Ч-16 по всему пахотному горизонту P(ca) наблюдается только локальное вскипание. В разр. Ч-18, наоборот, пахотный горизонт полностью имеет бурное вскипание от HCl. Эти почвы чередуются с ареалами агроземов аккумулятивно-карбонатных, имеющих сплошное вскипание от HCl по всему профилю.

Согласно международной классификации WRB-2014 (update 2015), большинство почв участка относятся к реферативной почвенной группе Kastanozems, два разреза – к Cambisols, один – к Phaeozems. Группа Kastanozems диагностирована по сочетанию горизонта mollic и карбонатного горизонта с белоглазкой (protocalcic properties). Горизонт mollic соответствуют пахотные горизонты, содержащие 1.4–1.6% гумуса (С_орг 0.8–0.9%).

Наличие пахотного горизонта P во всех почвах является критерием использования квалификатора Aric, а наличие хорошо выраженных гумусово-глинистых кутан на боковых гранях агрегатов – квалификатора Luvic. Все почвы средне- и тяжелосуглинистые, что соответствует квалификатору Loamic. Наличие насыпанного материала в разрезах позволяет применить квалификатор Novic. Содержание обменного натрия более 15% от емкости катионного обмена в засоленных горизонтах в пределах первого метра является основанием для использования квалификатора Sodic. В нескольких разрезах, в которых доля обменного натрия составляет 5–14%, используется квалификатор Protosodic. Солончаковатые почвы с засоленными горизонтами на глубине 30–100 см имеют признаки, удовлетворяющие квалификатору Endoprotosalic, глубокосолончаковатые c засоленными горизонтами на глубине 100–150 см – Bathyprotosalic. Наличие белоглазки в аккумулятивно-карбонатном горизонте BCAnc соответствует квалификатору Protocalcic. Содержание CaCO₃ более 15% в горизонтах BMca и BCAnc в разр. Ч-104 и Ч-106 на глубине от 30 до 80 см является признаком горизонта calcic. Полностью карбонатный почвенный профиль при отсутствии свойств protocalcic или горизонта calcic позволяет применить квалификатор Calcaric. Присутствие гипсовых новообразований только глубже 100 см соответствует квалификатору Bathygypsic, а в разрезах с появлением гипса в пределах 64–90 см – квалификатору Gypsic.

В общей выборке (82 образца) переходных к почвообразующей породе (лёссовидным суглинкам) горизонтах (BCca и BCca,cs) содержание C-aCO₃ в 88% случаев изменяется в диапазоне от 4 до 9% с медианой 6.6, минимумом 3.4 и максимумом 14.3%. Сегрегаций карбонатов не наблюдается. Только в сильновыщелоченной лугово-каштановой почве (разр. Ч-7) не удалось достигнуть горизонта BCca, до глубины 200 см вскипание от HCl отсутствовало.

Аккумулятивно-карбонатные горизонты (BCAnc) рассматриваемых почв отличаются наличием карбонатных сегрегаций в виде мягкой округлой или иногда вертикально вытянутой белоглазки. Статистическое распределение карбонатов в BCAnc смещено в область больших значений по сравнению с таковым для горизонта BC. В 89% случаев (объем выборки – 62 образца) содержание CaCO₃ варьирует от 5 до 11% с медианой 7.8, минимумом 4.2 и максимумом 16.4%. В большинстве разрезов максимум карбонатов в почвенном профиле отмечался именно в горизонте BCAnc.

Пахотные горизонты отличаются наибольшим варьированием содержания карбонатов. Статистическое распределение этого показателя (объем выборки 57 образцов) имеет два максимума: один в области малых значений (56% случаев с содержанием CaCO₃ < 3%, в том числе 33% случаев с CaCO₃ < 1%), второй в области больших значений (28% случаев с CaCO₃ 6–13%). Диапазон промежуточных значений содержания карбонатов (3–6%) отмечался только в 16% случаев.

Полученные результаты свидетельствуют, что наибольшее содержание CaCO₃ (7–13%) в поверхностном горизонте приурочено к светлым полосам (разр. Ч-105, Ч-1, Ч-2, Ч-3). Сильное осветление поверхности отчетливо проявлялось в полевых условиях при визуальном наблюдении. Почвы более темных участков поля (и на снимке) характеризовались содержанием CaCO₃ в пределах от 0 до 3–4%. Контраст по содержанию карбонатов между темными и светлой полосами представлен 5–10-кратным увеличением показателя в пахотном слое светлой полосы.

Дистанционные исследования ключевого участка Червленое. Содержание карбонатов в верхних горизонтах почвы (0–25 см) может оказывать существенное влияние на всхожесть сельскохозяйственных культур из-за образования плотной корки, поэтому желательно знать их количество в пахотном слое. Обнаружив, что изображение орошаемых полей на космических снимках имеет пятнистый рисунок в виде чередования светлых и темных пятен, встала задача определить в какой мере пятнистость связана с количеством CaCO₃ в верхних горизонтах почвы, увязав ее с полевыми исследованиями. Для этого была проведена классификация изображения ключевого участка Червленое на спектрозональном космическом снимке высокого разрешения Канопус-В (август, 2015).

Предварительно, для исследования возможностей распознавания и картографирования по спутниковым изображениям почв с разным количеством карбонатов, а также для подбора нужного алгоритма классификации космического снимка, рассматривалась информативность спектральных каналов мультиспектрального изображения. Были составлены диаграммы рассеяния яркости пикселов (0–255) поверхности почв в четырех каналах: Blue (B1), Green (B2), Red (B3), NIR (B4).

На рис. S1 представлены диаграммы рассеяния, по которым видно, как распределились точки почв с разным количеством карбонатов по значениям яркости пикселов и относительно друг друга. По диаграммам можно выделить следующее: во всех каналах с увеличением яркости отмечается увеличение содержания карбонатов в почвах; почвы с одинаковым количеством карбонатов группируются, и такие группы имеют свои диапазоны яркостей, а значит могут быть классифицированы, но вместе с тем они пересекаются друг с другом. Поскольку группы почв пересекаются, необходимо использовать метод минимального расстояния. Так как выявленные тенденции характерны для всех каналов, для классификации может быть выбран любой из них. В итоге для классификации изображения был выбран каналах Blue (B1) и определен оптимальный для обработки данного снимка алгоритм ISODATA, основанный на кластерном анализе. Данный алгоритм отвечает следующим существующим условиям: 1) объекты (кластеры, группы, классы) классифицируются на основе их различий без какой-либо точной предварительной информации о количестве и составе классов; 2) области значений яркости пикселов объектов пересекаются.

ISODATA (Iteretive Self-Organizing Data Analysis Technique – итерационная самоорганизующаяся методика анализа данных) – алгоритм, основанный на статистическом кластерном анализе k‑means (k-среднее). Задача кластерного анализа – выделение “сгущений” точек и разбиение совокупности на однородные подмножества объектов (кластеров, классов). К одному классу относятся пикселы, значения яркости которых наиболее близки в пространстве спектральных признаков. Производится расчет статистических параметров распределения яркостей выделенного фрагмента снимка (в нашем случае ключевого участка) в одной из спектральных зон. При этом каждый пиксел относится к тому классу, к центру (центроиду) которого он ближе всего. В качестве меры близости используется Евклидово расстояние. Классификатор ISODATA осуществляет разделение по классам, используя максимальное, среднее и минимальное значения яркости и стандартное отклонение в первой итерации, затем классификация проводится по средним значениям и минимальному евклидову расстоянию до получения оптимального разделения классов. Оценкой качества кластеризации выбран предел сходимости (convergence threshold) 95%, при котором процесс кластеризации заканчивается и количество пикселей, не поменявших свой класс между итерациями, достигает 95%. Всего при обработке изображения ключевого участка на снимке проведено 15 итераций с заданным количеством классов 3–10, максимальным стандартным отклонением от среднего 1 (в яркостных значениях, DN) и максимальной ошибкой расстояния 5 DN, что позволило провести статистически значимую кластеризацию и выделить 4 класса. Выявлено, что каждый выделенный класс соответствует определенной группе почв, с определенным количеством карбонатов в слое 0–25 см (табл. 2).

Для первой группы почв характерно отсутствие карбонатов в пахотном горизонте (Р) или присутствие небольшого количества карбонатов (Рca) за счет насыпного горизонта на профиль с темногумусовым (AU) или глинисто-иллювиальным (BI) горизонтами без карбонатов.

Для второй группы почв характерно присутствие карбонатов в пахотном горизонте (Рса) у светло-каштановых почв или небольшого количества карбонатов (Рca) за счет насыпного горизонта на глинисто-иллювиальный (BI) профиль луговато-каштановых почв.

Для третьей группы почв характерно присутствие карбонатов в пахотном горизонте (Рса) и наличие признаков солонцеватости в виде гумусово-глинистых кутан на боковых гранях агрегатов (th) в горизонтах Р и ВСА.

Для четвертой группы почв характерно наличие в горизонте ВСА признаков солонцеватости (th) или полное отсутствие горизонта ВСА.

Определенное несоответствие (25–30%) названия почвы (разр. Ч-7) и количества карбонатов в почвах (разр. Ч-9, Ч-103) с выделенными на снимке классами (2, 3) связано преимущественно с луговато-каштановыми почвами, которые не всегда классифицируются самостоятельно из-за малых размеров, и у почв, находящихся на границе классов, или близко к краю поля (разр. Ч-10, Ч-7).

В целом неоднородное изображение почв на космическом снимке в виде чередующихся более темных и более светлых пятен и полос на исследуемом участке и обусловленное разным содержанием карбонатов кальция в пахотном горизонте (0–25 см), может быть классифицировано с выделением следующих групп почв: некарбонатные и слабокарбонатные (0–1%); слабокарбонатные и карбонатные (1–4%); карбонатные с CaCO₃ 4–6%; карбонатные с CaCO₃ > 6%.

На рис. 4 представлена поэтапная обработка космического снимка в программе ENVI 5.1 классификатором ISODATA.

На Светлоярском ОУ до строительства ОС почвенный покров был представлен светло-каштановыми солонцовыми комплексами, включавшими преимущественно светло-каштановые солонцеватые и несолонцеватые, солонцы солончаковатые, луговато- и лугово-каштановые почвы.

Наземные исследования ключевого участка Светлоярский. Солонцы занимали повышенные участки мезорельефа, солонцовые горизонты которых были практически полностью срезаны во время строительной планировки. В результате в настоящее время почвы имеют пахотный карбонатный горизонт, лежащий на оставшейся после срезки части профиля, начиная с аккумулятивно-карбонатного горизонта (формула профиля Pr,ca–BCA–BCAcs). По К-1977 – почва бывший солонец глубокий, со срезанным солонцовым и гумусовым горизонтом (до BCA), с насыпным пахотным карбонатным горизонтом, орошаемый, среднесуглинистый на среднехвалынских отложениях. По РК-2004(8) – агрозем стратифицированный карбонатный аккумулятивно-карбонатный гипссодержащий среднесуглинистый на морских отложениях. По WRB-2014: Eutric Cambisol (Loamic, Aric, Novic, Protocalcic, Bathygypsic) (разр. 2Т-50).

Современный почвенный профиль бывших светло-каштановых почв в большинстве случаев имеет вид: Pca–BCA–BCAnc–BCca,nc (разр. 2Т16, 2Т20). Отличается от разр. 2T-50 отсутствием гипсовых новообразований. По РК-2004(8) название почвы – агрозем аккумулятивно-карбонатный сегрегационный, по WRB-2014 – Eutric Cambisol (Siltic, Aric, Protocalcic). Иногда на светло-каштановых почвах с насыпанным в ходе планировок карбонатным материалом профиль почв становится следующим: Pr,ca–AJca–BCA–BCAnc–BCca,nc. Название почвы по РК-2004(8) – агросветлогумусовая аккумулятивно-карбонатная стратифицированная сегрегационная среднесуглинистая на среднехвалынских суглинках, по WRB-2014 – добавляется квалификатор Novic: Eutric Cambisol (Siltic, Aric, Novic, Protocalcic) (разр. 2Т-11).

Наименьшие изменения претерпели бывшие лугово-каштановые почвы, которые не подвергались срезке, но после планировки были засыпаны карбонатным материалом смеси срезанных горизонтов разных почв. В результате сейчас имеются ареалы почв с профилем Pr,ca (насыпанный карбонатный пахотный горизонт)–AUq–BIq–BCA–BCAnc–BCca,nc – агрозем карбонатный стратифицированный на погребенной темногумусовой глинисто-иллювиальной квазиглееватой почве по РК-2004(8) или Luvic Kastanozem (Siltic, Aric, Novic) (разр. 2Т-1, 2Т-100).

Рассмотрим распределение содержания CaCO₃ на Светлоярском ОУ в почвах трансекты 2Т, которая пересекала светлое пятно, соответствующее срезке мезорельефа (рис. 5). С поверхности (0–25 см) содержание карбонатов в центре профиля, в районе срезки почвы, составляет 4–18% (2Т20…2Т-80), а за пределами ареала срезки почв (по окраинам профиля) уменьшается до 1–4% (2Т1…2Т16, 2Т95…2Т100). Последнее связано с ареалами луговых почв c глинисто-иллювиальным (BI) горизонтом, выщелоченном от карбонатов. В целом по трансекте в пахотном горизонте средняя величина составляет 9.1%, медиана 11.0%, минимум 1.2 и максимум 14.6% (n = 24).

Наибольшее содержание CaCO₃ (8–16%) отмечено на глубине 25–80 см в аккумулятивно-карбонатных горизонтах BCAnc, BCAnc,th (среднее 10.5%, медиана 10.4%, минимум 4.2%, максимум 18.2% при объеме выборки n = 42). Глубже, в горизонте BCca, BCca,cs, при переходе к почвообразующей породе, представленной преимущественно хвалынскими суглинками, содержание карбонатов варьирует от 4.4 до 15.0%, в среднем составляя 10.4% (медиана 10.4%) (n = 12).

Дистанционные исследования ключевого участка Светлоярский. Для создания карты распределения поверхностно-карбонатных почв на Светлоярский ОУ использовались два подхода – метод интерполяции kriging и классификация мультиспектрального космического снимка высокого разрешения Pleiades (20.05.2015) в канале Blue (B1) методом ISODATA.

На рис. 6 представлены вариаграмма и карта (kriging), привязанная к космическому снимку, где отражено распределение содержания карбонатов (CaCO₃) в поверхностном слое (0–25 см) почв. Анализ карты показывает, что больше всего карбонатов (5–10 и >10%) встречается в местах срезок мезорельефа, которые выделяются на снимке яркими светлыми пятнами на открытой поверхности почв и светлыми пятнами выпадов люцерны на общем темном фоне возделываемых полей, а за пределами светлых пятен содержание карбонатов уменьшается до <5%. Однако метод интерполяции kriging не позволяет четко выделить все пятна поверхностно-окарбоначенных почв, что заметнее всего проявляется на полях с люцерной, где пятна плохо дифференцированы, несмотря на использование при картографировании большого количество наземных данных (n = 105).

На рис. S2 даны диаграммы рассеяния яркости пикселов (0–255) изображения поверхности почв, а на рис. 6, В представлен результат классификации космического снимка Pleiades, проведенный аналогично классификации ОУ Червленое, который описан выше. В отличие от ОУ Червленое на рис. 6, В отражено два вида поверхности почв – поля с люцерной и открытая поверхность почв, что привело к делению изображения по цвету отдельно для каждой поверхности. В процессе анализа наземных данных и яркостной классификации снимка были выделены следующие классы: 1 – слабокарбонатные и карбонатные (0–4%) почвы на участках с люцерной без пятен и характерные для лугово-, луговато- и светло-каштановых насыпных почв; 2 – карбонатные с количеством C-aCO₃ > 4% на пятнах разреживания и выпадов культуры на полях с люцерной у светло-каштановых насыпных почв; 3 – слабокарбонатные и карбонатные (1–2%) почвы на открытой поверхности, характерные для лугово-, луговато- и светло-каштановых насыпных почв; 4 – карбонатные с количеством CaCO₃ 2–4% на открытой поверхности также у лугово-, луговато- и светло-каштановых насыпных почв; 5 – карбонатные с количеством CaCO₃ > 4% на светлых пятнах у светло-каштановых насыпных, светло-каштановых солонцеватых почв и солонцов срезанных. Классификация снимка на открытой поверхности почв проходит более дифференцированно, чем на полях с люцерной, где почвы скрыты под пологом возделываемой культуры.

Доля (%) не совпадающих по классам значений CaCO₃, выделенных на снимке и наземным данным, составила 4.5% для первого класса (n = 44), 2.4% для второго (n = 41), 0% – для третьего (n = 1), 25% для четвертого (n = 4) и 6.5% для пятого (n = 15) классов. Отсутствие ошибки в третьем и значительная ошибка в четвертом классах связаны с малым количеством имеющихся наземных данных.

Таким образом, при сравнении разных методов картографирования поверхностно-карбонатных (0–25 см) почв на территории Светлоярского ОУ, следует выделить, что метод интерполяции kriging, базирующийся только на наземных данных, является менее четким, чем оптимально подобранный метод классификации мультиспектрального космического снимка, основанный на спектральной яркости изображения почв и наземных данных о почвах.

Сравнение орошаемых ключевых участков. Несмотря на то, что орошаемые участки Червленое (31 разрез) и Светлоярский (28 разрезов) расположены в природных районах с разными литолого-геоморфологическими условиями, они имеют общие черты почвенного покрова, обусловленные принадлежностью к единой природной зоне и подходами к проектированию ОС: ареалы со срезкой почв наблюдаются как непосредственно в поле, так и на космических снимках, их площадь составляет от 10–20 м² и более; большая часть почв вскипает с поверхности; в почвенном покрове преобладают светло-каштановые (48 и 57%), затем светло-каштановые солонцеватые (29 и 21%), луговые (9.7 и 17.8%), луговато-каштановые (12.9 и 7.1%) почвы.

В пахотном горизонте (Р, Рса, P(ca),r) наибольшие значения содержания CaCO₃ (преимущественно 6–9%, максимум 12–13%) характерны, в первую очередь, для светло-каштановых солонцеватых почв, расположенных на срезках микро- и мезорельефа. В пахотных горизонтах, насыпанных на лугово- и луговато-каштановые почвы, содержание CaCO₃ чаще всего составляет 0.5–2.5% (максимум 3.4%).

Для горизонтов BCAnc, BCAnc,dc, BCAnc,th всех исследованных почв характерно максимальное содержание карбонатов, которое может составлять 7–10%, достигая максимума 14–17%. В переходных к породе горизонтах BCca,nc, BCca,cs оно уменьшается до 6–9% с максимумом 10–13% (табл. 3).

Особенности литолого-геоморфологических условий двух участков проявились в тенденции бóльшого содержания карбонатов на 0.7–4.9% в одинаковых почвенных горизонтах сопоставимых почв на ОУ Светлоярский по сравнению с ОУ Червленое.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлены количество и пространственное распределение CaCO₃ в почвенном профиле орошаемых почв сухостепной зоны Волгоградской области, на примере двух орошаемых участков Светлоярской оросительной системы, находящихся в разных природных районах (возвышенность Ергени и Сарпинская низменная равнина).

Подтверждено, что для региона характерно два варианта формирования карбонатного профиля. В первом из них вторичное окарбоначивание поверхностных горизонтов происходит за счет восходящего подтягивания почвенных растворов к поверхности почв, второй – это срезка гумусового горизонта с последующей насыпкой смеси разных горизонтов во время планировки полей. Срезка повышенных участков почв, помимо выравнивания поверхности, была направлена на удаление солонцовых горизонтов, в результате чего солонцы на орошаемых полях практически не встречаются, или встречаются отдельные фрагменты солонцовых горизонтов.

На ключевых участках Червленое и Светлоярский больше всего карбонатов 7–10% содержится в аккумулятивно-карбонатном горизонте BCAnc, BCAnc,dc, BCAnc,th, достигая максимума 14–17%.

В пахотном горизонте (Р, Pca, Рr,са) количество карбонатов сильно варьирует в зависимости от типа почв: меньше всего их в лугово-каштановых почвах (0.5–2.5%), а больше всего в светло-каштановых солонцеватых почвах (6–9%).

На основе результатов полевых исследований установлено, что неоднородное изображение почв на космических снимках в виде чередующихся более темных и более светлых пятен и полос обусловлено разным содержанием карбонатов кальция в пахотном горизонте (0–25 см). При почвенном картографировании по результатам классификации космического снимка Канопус-В (канал B1) на территории ОУ Червленое выделены четыре группы почв по содержанию карбонатов: 0–1, 1–4, 4–6, >6%. При создании карты распределения поверхностно-карбонатных почв на территории Светлоярского ОУ использовались два варианта картографирования: метод интерполяции kriging, который хорошо выделяет крупные ареалы, но не различает мелкие пятна, и классификация космического снимка Pleiades (канал B1), по которому выделено 5 групп почв для разных видов поверхностей с содержанием карбонатов: 0–4 и > 4% для полей с люцерной и 1–2, 2–4 и >4% для открытой поверхности почв. При сравнении разных вариантов карт выявлено, что метод интерполяции kriging, базирующийся только на наземных данных, является менее точным, чем оптимально подобранный метод классификации мультиспектрального космического снимка, основанный на спектральной яркости изображения почв и наземных данных о почвах.

Установлено, что положение ареалов с пятнистостью, обусловленной присутствием карбонатов в поверхностном слое почв, не связано с глубиной УГВ. Пятна хорошо проявляются на космических снимках открытой поверхности почвы и полей, занятых озимыми зерновыми культурами. На полях с люцерной при поверхностном способе полива в ареалах поверхностно-окарбоначенных почв возникают выпады культуры за счет образования корки и, как результат, уменьшение впитывания воды и препятствие появлению всходов. Таким образом, используя спутниковую информацию, возможно дистанционно определять участки почв с повышенным содержанием карбонатов и количество карбонатов в пахотном горизонте почв, которые особо нуждаются в мелиоративных мероприятиях.