Как почва взаимодействует с гидросферой

ГЛАВА VII ПОЧВА И ГИДРОСФЕРА

Взаимодействие почвы с водами Земли — важная составная часть в развитии и функционировании гидросферы. Гидросфера образована Мировым океаном и акваториями суши и представ­ляет собой прерывистую водную оболочку. На долю океана и морей приходится 1,34 млрд, км 3 воды, или 96% от общего ее количества на земном шаре (табл-. 40), исключая химически и

Запасы воды на Земле (Чеботарев, 1975)

физически связанную воду земной коры и мантии, составляю­щую приблизительно 1,5 млрд, км 3 (Давыдов и др., 1973). Другие виды воды занимают незначительную часть от общего ее объема, однако воды атмосферы, рек, почв являются наи­более подвижными и постоянно возобновляемыми.

В данном разделе рассмотрим основные формы участия почвенного звена в процессах формирования и изменения вод­ной оболочки Земли. Но прежде чем это сделать, кратко оста­новимся на общей оценке роли почв в круговороте воды. Это важно потому, что, как справедливо отмечает М. И. Львович (1974), еще сравнительно недавно многие ученые считали, что главным действующим фактором гидрологического режима яв­ляется климат, в основном атмосферные осадки, а другие фак­торы, особенно литогенное звено, недооценивались. К литоген­ному автор относит также и почвенное звено, поскольку почвен­ная вода связана с самой верхней частью земной коры.

Говоря об общем гидрологическом значении почвы, необхо­димо прежде всего указать на высказывания В. И. Вернадского (1934) по данному вопросу. В своей монографии, посвященной истории и геохимии природных вод, он отмечает, что «огромное значение в истории воды имеют почвенные растворы, облекаю­щие, за исключением пустынь, всю сушу и являющиеся основ­ным субстратом жизни»

Рассматривая связи различных форм природной воды, В. И. Вернадский (1934) подчеркивает, что изучение почвенных растворов вскрывает в истории воды грандиозное явление, свя­зывающее такие разные воды, как морскую, речную и дожде­вую. Схема зависимости почвенных и других вод по В. И. Вер­надскому выражается следующим образом:

Несмотря на такую высокую оценку значения почвенных растворов в жизни водной оболочки Земли, данную В. И. Вер­надским, в гидрологических исследованиях не уделялось долж­ного внимания выявлению всех форм участия почвенного звена

1 Вернадский В. И. История минералов земной коры. Т. 2. История природных вод. Л., 1934, с. 357.

в процессах, происходящих в гидросфере. Это положение во многом сохраняется до сих пор.

Лишь в отдельных работах роль почвы в развитии водной оболочки учитывается в должной мере. Так, М. И. Львович (1974) считает, что после климата почва занимает второе место по своему значению среди гидрологических факторов. Однако часто ее гидрологическая роль недооценивается несмотря на то, что основы гидрологии почв были заложены и развиты еще в прошлом столетии В. И. Воейковым, В. В. Докучаевым, А. А. Измаильским, а в текущем — Г. Н. Высоцким, А. Ф. Ле­бедевым, А. А. Роде, Н. И. Судницыным, А. Д. Ворониным и другими. Почва, согласно исследованиям М. И. Львовича, иг­рает роль посредника между климатом и речным и подземным стоком. Ни одно явление водного баланса не минует почву. Вот почему необходимо самое пристальное внимание к гидрологи­ческой роли почвы, без чего не могут быть правильно поняты многие гидрологические явления и процессы.

Говоря о важности учета почвенных гидрологических функ­ций в современных исследованиях, следует прежде всего иметь в виду большое разнообразие свойств реальных почв и сильное антропогенное изменение многих из них, приводящее к значи­тельной изменчивости гидрологических процессов, контролируе­мых почвой. Поэтому особую актуальность приобретает детали­зация многих гидрологических исследований с учетом данных по динамике почв.

Из числа важных почвенных гидрологических функций прежде всего рассмотрим трансформацию почвой атмосферных осадков в почвенные и грунтовые воды. Данные воды являются важной составной частью подземных вод, среди которых по ус­ловиям залегания выделяются также межпластовые безнапор­ные и межпластовые напорные.

Наибольший интерес представляют грунтовые воды, к кото­рым относят подземные воды, расположенные ниже почвенной толщи и дренируемые реками или вскрываемые эрозионной сетью. В случае если водоупор подземных вод залегает в грун­товой толще, а зеркало постоянно или временно находится в почве, то такие воды можно выделять в отдельную категорию почвенно-грунтовых вод (Чеботарев, 1975). В данной работе эти воды мы не отделяем от грунтовых.

К настоящему времени накопился достаточно обширный ма­териал, который характеризует важную и многогранную роль почв в формировании грунтовых вод, имеющих важное значе­ние в круговороте воды, поскольку они относятся к зоне актив­ного водообмена.

Вопрос 6 происхождении грунтовых вод долгое время оста­вался в стадии повышенной дискуссионности. Наиболее ранняя гипотеза, получившая название инфильтрационной, объясняла их образование процессом просачивания атмосферных осадков в землю. В 1877 г. Фольгером была сделана попытка связать образование грунтовых вод с конденсацией водяных паров, про­никающих в почву и грунты. Конденсационная теория Фольгера опиралась на утверждение, что даже после сильных дождей увлажнение почвогрунтов происходит лишь в самом верхнем, сравнительно маломощном слое, а водоносный горизонт распо­лагается значительно ниже. В результате водонасыщенные грунты оказываются разобщенными с влажными поверхностны­ми слоями, что позволяло говорить об отсутствии связи грун­товых вод с атмосферными осадками.

Вопрос о происхождении грунтовых вод был выведен из со­стояния альтернативной трактовки благодаря эксперименталь­ным работам А. Ф. Лебедева (1936), который показал, что в образовании грунтовых вод принимают участие как конденса­ционные воды, так и осадки благодаря возможности инфиль­трации их в глубину грунта. Инфильтрация же осадков и кон­денсация паров в верхних слоях во многом определяется кон­кретными свойствами почвы (механическим составом, темпера­турой и др.), поэтому можно утверждать, что почвой контроли­руются все основные составляющие механизмы образования грунтовых вод. В связи с этим в зависимости от природных ус­ловий и свойств почвы вклад основных процессов, определяю­щих формирование грунтовых вод, различен.

В условиях равнинных ландшафтов таежной зоны основным фактором образования грунтовых вод является инфильтрация атмосферных осадков. В более южных районах ситуация может оказаться иной.

Г. Н. Высоцким (1899) было выдвинуто получившее широ­кое признание положение о наличии «мертвого» горизонта и не­возможности почвенного питания грунтовых вод в степях. Он считал, что грунт иссушается корнями растений на большую глубину. Количество же просачивающейся на плато и пологих склонах в грунт влаги таково, что ее недостаточно для увлаж­нения всего высушенного корнями слоя. Поэтому влага прони­кает лишь до определенной глубины (в благоприятные годы до 4 м), ниже которой грунт остается обычно более или менее ис­сушенным. Верхний слой почвенно-грунтовой толщи до границы сезонного промачивания назван Г. Н. Высоцким «живым» сло­ем, а нижний, не испытывающий сезонного промачивания, — «мертвым» слоем.

Г. Н. Высоцкий (1900) на основании проведенных исследо­ваний полагал, что «кормителями» грунтовых вод в степи на участках, где отсутствуют замкнутые изолированные углубле­ния, являются вершинные балочные лощины.

А. Ф. Лебедев (1936) не разделял мнение Г. Н. Высоцкого о «мертвом» горизонте в степных плакорных почвах, полагая, что в них просачивание осадков приурочивается к более корот­кому сроку — концу зимы — началу весны. Особенно отчетли­во просачивание влаги наблюдается в случае почв легкого ме­ханического состава. В районах с песчаными или супесчаными

почвами и грунтами происходит просачивание осадков до пер­вого горизонта грунтовых вод независимо от местоположения района, так как максимальная молекулярная влагоемкость та­ких почв очень мала, а просачивание воды в таких грунтах про­исходит сравнительно быстро. И лишь для глинистых пустынь можно предполагать отсутствие просачивания осадков до пер­вого горизонта грунтовых вод (Лебедев, 1936).

Что касается пониженных элементов рельефа, то А. Ф. Ле­бедев полагал, что здесь просачивание осадков до первого го­ризонта грунтовых вод может происходить на всех широтах.

Для большей части районов земного шара, по-видимому, характерен сложный механизм образования грунтовых вод, в котором одновременно или с определенным разрывом во вре­мени действуют две основные его составляющие — инфильтра- ционная и конденсационная, соотношение которых в зависи­мости от конкретных свойств’ почвогрунтов и природных усло­вий может существенно изменяться. Поэтому в настоящее вре­мя возникает настоятельная необходимость более детального 1 исследования динамики грунтовых вод в связи с новыми дан­ными о большой изменчивости во времени и пространстве при­родных условий, почвенного покрова и гидрологических свойств

При изучении образования и режима грунтовых вод необ­ходимо также в полной мере учитывать особенности функцио­нирования почвы как специфической природной системы и ос­новные потоки вещества в ней. Здесь, в частности, немаловаж­ное значение приобретают факты повышенной роли вертикаль­ных трещин в миграции почвенных растворов сверху вниз (Зай- дельман, 1974; Таргульян и др.; 1974; Самойлова, 1980, 1981; и др.).

Трещины в почве в состоянии выполнять роль внутрипро- фильных «магистральных» каналов, по которым значительная часть осадков может форсированно передвигаться в нижние горизонты и за их пределы, не промачивая сколько-нибудь существенно основную массу мелкозема. Если это допущение справедливо, то возникает серьезное ограничение для трактов­ки водного режима почв по данным широко распространенного определения влажности почвы методом отбора усредненных об­разцов. Необходим прямой учет миграции влаги по почвенному профилю и за его пределы.

При выявлении участия почвы в формировании грунтовых вод необходимо также учитывать изменчивость гидрологических свойств почвы в связи с .периодическими колебаниями климати­ческих условий. Известно, что имеет место постоянная ритми­ческая изменчивость климата и отчетливое проявление 2—3-; 5—6-; 11-, 22-, 30—35-, 80—90-летних и других климатических циклов (Калесник, 1970).

При оценке же водного режима почв учитываются средние данные лишь за небольшое число лет — обычно за 2—4 года.

Поэтому выводы, полученные на основе таких данных, нельзя распространять на большие отрезки времени. Например, про­водя обобщающее сопоставление зональных типов водного ре­жима, А.

Рассматривая влияние почв на формирование грунтовых вод, необходимо обратить внимание на изменение химического состава атмосферных осадков при прохождении их через почвенный профиль. О. А. Алекин (1948, 1970) отмечает, что почвенный покров, тесно соприкасающийся с водой, играет зна­чительную роль в трансформации состава выпадающих атмо­сферных осадков. Воздействие почв на химический состав при­родной воды имеет двоякий характер: во-первых, формирующий первичный состав фильтрующихся через нее атмосферных осад­ков, во-вторых, метаморфизирующий, при котором происходит качественное изменение ионного и газового составов воды, со­прикасающейся в дальнейшем своем пути с почвой. При этом в обоих случаях химический состав воды будет всецело зави­сеть от характера почвы. Если вода фильтруется через бедные солями торфянисто-тундровые почвы, то она обогащается боль­шим количеством органических веществ и лишь в очень малой мере солями. Близкую к этому картину дают подзолистые и су­песчаные почвы. Значительно больше обогащают солями воду черноземные и каштановые почвы, не говоря уже о солонцева­тых.

Изменение газового состава атмосферных осадков при про­хождении их через почву связано прежде всего с тем, что в ней идут процессы окисления органических веществ, вызывающих расход кислорода и выделение углекислого газа, содержание которого в почвенном воздухе может достигать нескольких процентов. В связи с этим при фильтрации через почву воды в ней отмечается резкое снижение количества кислорода и силь­ное возрастание содержания углекислоты, что существенно для обогащения растворов карбонатами из подстилающих пород.

Характер изменения атмосферных осадков при прохождении через почвенный профиль определяется не только генетически­ми свойствами почв, возникшими в результате почвообразова­тельного процесса, но и свойствами, унаследованными от мате­ринских пород, разнообразие которых весьма значительно, а влияние на состав воды различно.

Большая часть пород, образованных сложными силикатами и алюмосиликатами, почти не растворима в воде, и только при длительном воздействии воды часть соединений из них перехо­дит в раствор. Это прежде всего СаСОз, MgCCb, NaHCO₃, КНСО₃. Значительно интенсивнее обогащают воду осадочные породы, причем такие, как известняки, доломйты, мергели,, гипс, каменная соль, оказываются важными факторами обога­щения природных вод ионами.

В работах, специально посвященных изучению процессов формирования химического состава грунтовых вод и влиянию на него почвы (Толстихин, 1955; Колодяжная, 1963; Посохов, 1966; Учватов, 1979; и др.), делается ряд конкретных обобще­ний по рассматриваемым вопросам. Так, отмечается, что при взаимодействии подзолистых почв с атмосферными осадками, имеющими кислые значения pH, имеет место обогащение ин- фильтр ационных вод химическими компонентами за счет растворения почвенных солей и катионного обмена. В случае, если осадки характеризуются щелочными значениями pH, может происходить обратный процесс — потеря раствором хи­мических компонентов и накопление их в поглощающем комп­лексе почв.

При взаимодействии осадков с другими почвами результаты могут быть иными. Например, наблюдается дополнительное обогащение щелочных осадков химическими соединениями почв, в случае если для почвенных профилей характерна зна­чительная засоленность или обогащенность солями гуминовых кислот, растворяющихся более интенсивно в щелочной среде.

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что преобра­зование атмосферных осадков в почвенные и грунтовые воды сильно зависит как от первоначального состава самих осадков, так и от конкретных свойств и состава почв. Поэтому большое значение имеет детальный учет пространственно-временной ди­намики данных объектов. Это особенно важно в связи с воз­росшей изменчивостью природных компонентов из-за высоких антропогенных нагрузок на биосферу (Ковда, 1975). Данное обстоятельство приводит к тому, что за относительно короткие сроки могут претерпевать сильное изменение как состав атмо­сферных осадков, так и свойства почвы, что неминуемо должно сказаться на химизме грунтовых вод.

Установлено, что в настоящее время в воздушный океан планеты попадает огромное количество газообразных осадков промышленности, в том числе хлор, соляная и серная кислоты, способные сильно подкислять атмосферные осадки. В результа­те, по данным европейских и скандинавских исследователей, pH атмосферных осадков во многих районах уменьшился с 5,5—6 до 4 и нередко до 3. В связи с этим усилилось вымыва­ние Са, Mg, К и других химических элементов из почвы в про­цессе прохождения через нее подкисленных осадков. Кроме того, произошла активизация и мобилизация Al, Fe, Мп и связыва­ние Р (Ковда, 1978, 1981).

Такие изменения заметно снижают почвенное плодородие и заставляют дополнительно увеличить дозировку удобрений и усилить известкование почв. Всевозрастающее же внесение в почву агрохимикатов заметно трансформирует не только свой­ства почв, но и химический состав подземных вод, изменения которых часто оказываются неблагоприятными. Эти воды,, прежде всего грунтовые, нередко подвергаются загрязнению, в; связи с чем возникла серьезная проблема охраны подземных вод от промышленного, сельскохозяйственного и бытового за­грязнения (Минкин, 1972; Львович, 1977; Пиннекер, 1979; и др.).

Говоря об общей динамике грунтовых вод, необходимо отме­тить, что она определяется взаимодействием всех гидрологиче­ских факторов, среди которых почвенное звено существенно’ влияет как на пространственные, так и временные изменения» вод.

В существующих классификациях грунтовых вод отражены основные показатели их изменчивости и взаимосвязь с окру­жающей средой. В обзорных классификациях на первое место’ выдвигается динамика грунтовых вод, обусловленная действием закона зональности. Некоторые авторы выделяют следующие- гидрохимические зоны с севера на юг европейской части СССР: 1) гидрокарбонатно-кремнеземные воды; 2) гидрокарбонатные кальциевые воды; 3) сульфатные и хлоридные воды; 4) воды континентального засоления, 5) гидрокарбонатные кальциевые- воды горных областей Крыма и Кавказа.

Существуют классификации, учитывающие одновременно­зональные изменения состава и глубины залегания грунтовых вод (Чеботарев, 1975). Например для европейской части СССР* с севера на юг выделяются следующие зоны:

1. Зона тундровых слабоминерализованных вод с повышен­ным содержанием органических веществ, отличающихся близ­ким залеганием и частым переходом в поверхностные и болот­ные воды.

2. Воды Севера, имеющие несколько большую глубину зале­гания (2—6 м, реже 10 м) и отличающиеся более высокой ми­нерализацией и меньшим количеством органических соедине­ний, чем воды первой зоны. На юг эти воды проникают наибо­лее далеко в западной части зоны, где они спускаются в бас­сейны Верхнего Днепра, Западной Двины и Вислы.

3. Воды зоны неглубоких оврагов, располагающиеся южнее и залегающие на междуречьях на глубине до 20—25 м. Мине­рализация их довольно значительна (0,5 г/л и более), примесь органических веществ обнаруживается лишь в случаях близко­го залегания к поверхности.

4. Грунтовые воды глубоких оврагов, залегающие на между­речьях на глубине до 25—30 м и отличающиеся более высокой: минерализацией (0,75 г/л и более).

5. Грунтовые воды овражно-балочной зоны, располагающие- ся на глубине 50—60 м. Минерализация их достигает 1 г/л и более, в связи с чем они могут быть непригодны для питья.

6. Зона причерноморских балок. Грунтовые воды на водо­разделах залегают очень глубоко, п^рой глубже 100 м; обычно они очень жесткие, засолены или солоноваты (минерализация иногда достигает 5 г/л). Ближе всего к дневной поверхности грунтовые воды подходят в балках, водоразделы же обычно ли­шены значительных запасов грунтовых вод.

7. Зона прикаспийских балок с сильно засоленными (мине­рализация может превышать 10—20 г/л) грунтовыми водами, залегающими местами близко к поверхности.

О. К. Ланге дополнительно к изложенной схеме В. И. Ильи­на для всей территории СССР выделил еще три зоны: 1) зону подземных вод вечной мерзлоты; 2) зону полосы равновесия стока и испарения; 3)’ зону предгорных равнин и предгорных шельфов.

Отмечая зональность грунтовых вод в качестве важной осо­бенности их пространственной дифференциации, необходимо об­ратить внимание на сложность зональной структуры подземных вод и наличие частых отклонений от указанной схемы, обуслов­ленных местными особенностями гидрологической обстановки. Например, в районах развития карстовых явлений, болотообра- зования или при выходе через трещины глубинных напорных растворов минерализация и режим грунтовых вод претерпевают значительные изменения.

Рассматривая зональную пространственную динамику грун­товых вод, необходимо отметить, что она обусловлена взаимо­действием многих гидрологических факторов и связана не толь­ко с изменениями климатических условий. Так, кроме климата необходимо в полной мере учитывать историю развития ланд­шафтов. Например то, что при движении с севера на юг Рус­ской равнины, по мере удаления от центров четвертичного оле­денения, рельеф становится более зрелым (овраги и речные до­лины врезаются на большую глубину), имеет немаловажное значение для режима и состава грунтовых вод.

Действительно, в случае более глубокого врезания оврагов и речных русел в водораздельную поверхность создаются благоприятные предпосылки для более глубокого залегания грунтовых вод, поскольку их разгрузка в овраги и реки осу­ществляется при значительно большей удаленности от дневной поверхности. Увеличение же глубины залегания грунтовых вод приводит к тому, что участвующие в их формировании атмо­сферные осадки вынуждены промывать значительно более мощную почвенно-грунтовую толщу. Это приводит к увеличе­нию общего количества вымываемых соединений и к возраста­нию минерализации грунтовых вод.

Приведенный пример свидетельствует о многопричинной обусловленности реальной динамики грунтовых вод и гидроло­гической многогранности почвенного звена. Однако это обстоя­тельство учитывается недостаточно, и в особенности слабо исследуется влияние почв на формирование состава грунтовых вод.

Источник