Особенности химического состава почвенно-грунтовых вод поймы и определяющих его факторах

Водный режим пойменных почв теснейшим образом связан с различными сторонами жизни пойменного ландшафта: мощностью отлагающихся наилков, их механическим и химическим составом, рельефом поймы, гидрологическими особенностями реки, состоянием растительного покрова поймы и т. д.
Проведенные в 1954—1955 гг. наблюдения за сезонными изменениями уровней и химического состава почвенно-грунтовых вод поймы в нижнем течении р. Москвы показали, что водный режим пойменных почв, наряду с характером отлагающихся наилков, имеет важнейшее значение для высокого плодородия пойменных почв.
Особенности режима почвенно-грунтовых вод поймы в нижнем течении р. Москвы могут быть правильно поняты при учете: 1) погодных особенностей года; 2) химизма речной воды р. Москвы; 3) качественной характеристики наилков и 4) особенностей почвообразовательного процесса в годовом цикле. Остановимся на характеристике этих факторов.
Погодные особенности 1954 г. характеризовались медленным таянием снега весной, что привело к тому, что пойма р. Москвы не затоплялась паводковыми водами и на ней не отложились свежие наилки. Лето 1954 г. было сравнительно сухим, а осень холодной и дождливой. Весна 1955 г. отличалась продолжительным (около месяца) половодьем и отложением на пойме наилков относительно большой мощности. Лето и осень 1955 г. были теплые и засушливые. В период половодья пойма затопляется делювиальными и главным образом речными водами. В этот период состав,, свойства и количества речных и делювиальных вод оказывают прямое влияние на состав, свойства и высоту залегания уровня почвенно-грунтовых вод поймы.
Как показывают данные табл. 1, в составе речной воды преобладают ионы щелочных земель и бикарбонат-ион. Следует отметить, что в период половодья вода р. Москвы имеет наиболее слабую минерализацию. Летом минерализация речной воды возрастает вследствие увеличения доли глубоких грунтовых вод и уменьшения доли поверхностных вод в питании реки. Вследствие того, что в межень река дренирует почвенно-грунтовые воды поймы, прямого влияния речной воды на свойства почвенно-
грунтовых вод не наблюдается. Косвенное влияние проявляется через опускание уровня почвенно-грунтовых вод поймы и связанное с этим изменение минерализации этих вод.
Ознакомление с материалами треста «Мосочиствод» показало, что в черте Москвы в реку поступают большие количества хлор-иона и ионов щелочей. Несмотря на сильную загрязненность р. Москвы растворенными веществами, почвенно-грунтовые воды и почвы поймы не испытывают на себе вредного действия речных вод. Почвы поймы низовьев р. Москвы могут рассматриваться как своеобразный фильтр, в котором весной происходит очищение речной воды. Летом питание почвенно-грунтовых вод поймы происходит за счет просачивания атмосферных осадков, а также за счет фильтрации воды из стариц и других поемных водоемов, уровень воды в которых лежит выше уровня воды в реке.
Все вышеизложенное о влиянии речной воды на характер почвенно-грунтовых вод поймы показывает, что это влияние не является определяющим.
Отлагающиеся в пойме р. Москвы наилки являются главным образом продуктами эрозии почв и пород на водосборе реки. В составе наилков значительную роль играют продукты эрозии коренных пород каменноугольного, юрского и мелового возраста. Эти породы содержат большое количество соединений кальция, магния (известняки, мергели и доломиты каменноугольного возраста), фосфора и серы (фосфориты и сульфидные минералы пород юрского и мелового возраста), а также калия, входящего в состав слюдистых минералов. Это приводит к тому ,что наилки и почвы Москворецкой поймы содержат необычно высокие для дерново-подзолистой зоны валовые количества кальция, магния, фосфора, серы, калия.
В центральной пойме наблюдения проводились на луговой почве, приуроченной к неглубокой межгривной западине и на дерново-луговой почве, приуроченной к гриве поймы. Гривисто-логовый рельеф центральной поймы определяет комплексность почвенного покрова, причем основными компонентами его являются луговые и дерново-луговые почвы.
Луговые почвы формируются под покровом хорошо развитых злаковых ассоциаций; количество элементов разнотравья невелико; почти полностью отсутствуют бобовые. Содержание перегноя в верхнем горизонте луговых почв составляет около 7%, общего азота до 0,6%- Эти почвы имеют слабокислую или нейтральную реакцию (рН6—7). Водный режим луговых почв складывается благоприятно для развития растительности. В течение всего вегетационного периода не прерывается питание верхних горизонтов луговой почвы влагой из горизонта почвенно-грунтовой воды. В табл. 2 приведено валовое содержание ряда элементов, показывающее богатство луговой почвы элементами зольного питания растений.
Дерново-луговые почвы формируются под покровом злаково-разнотравной растительности, причем в травостое заметную роль играют бобовые. Для дерново-луговых почв характерно двучленное строение профиля: на глубине 40—150 см тяжелые по механическому составу пойменные наносы подстилаются рыхлыми песками — плывунами.
Двучленное строение профиля ограничивает в значительной степени водное питание почвы из горизонта почвенно-грунтовой воды, так как способствует разрыву капиллярной каймы.
Дерново-луговые почвы характеризуются высоким содержанием перегноя (до 6%) и общего азота— (до 0,5%), а также близкой к нейтральной реакцией среды (рН^6,4—6,7). Большой разницы в характере наилков (материнских пород) луговой и дерново-луговой почвы не наблюдается. Резкие различия в характере луговой и дерново-луговой почв, а также в характере растительного покрова обусловливаются водным, солевым и биологическим режимами этих почв в летний период, когда на дерноволуговых почвах прекращается питание поверхностных слоев влагой из горизонта почвенно-грунтовой воды.
Разрез и скважина дерново-луговой почвы на гриве были заложены в 15 ж от разреза луговой почвы западины. Сезонная динамика уровней и химического состава почвенно-грунтовой воды луговой почвы западины отличается большим своеобразием. Весной уровень почвенно-грунтовой воды располагается у поверхности почвы и в свеже-отложенном наилке. Поэтому в этот период верхний горизонт почвенно-грунтовой воды представляет собой иловый раствор, т. е. жидкую фазу свеже-отложенного наилка; химический состав и свойства илового раствора отражают химизм иловой стадии пойменного почвообразования.
В течение вегетационного периода 1955 г. уровень почвенно-грунтовой воды в луговой почве постепенно опускался от весны к осени и 1.Х1 достиг глубины 124 см. Одночленное строение профиля этой почвы определило непрерывность питания поверхностных горизонтов почвы влагой из горизонта почвенно-грунтовой воды, несмотря на засушливую осень.
В течение 1955 г. рН почвенно-грунтовой воды понижался от весны к осени от 7,0 до 6,7, при одновременном возрастании величины окислительно-восстановительного потенциала от 190 весной до 302 осенью. Это объясняется тем, что летом и осенью уровень воды вышел из сферы, где окислительно-восстановительные процессы превращения веществ выражены наиболее ярко. Такой сферой является свежеотложенный наилок и верхний горизонт почвы, где сосредоточена основная масса живого и мертвого органического вещества — основной причины изменения окислительно-восстановительных условий в почве.
Весной в иловом растворе луговой почвы была обнаружена значительная концентрация иона двухвалентного железа (7,85 мг-экв в I л, см. табл. 3), причем в отдельных пробах его содержание достигало 800 мг/л, что составляет около 29 мг-экв/л воды. Летом и осенью концентрация в почвенно-грунтовой воде иона двухвалентного железа резко упала. В иловом растворе ион двухвалентного железа связан, по-видимому, с бикарбонат-ионом, концентрация которого весной также значительна (21 мг-экв в 1 л).
Появление в иловом растворе больших количеств бикарбонат-иона двухвалентного железа связано с повышенной биологической активностью микронаселения ила, воды и верхнего горизонта почвы. Сложные превращения органического вещества приводят к поступлению в раствор больших количеств углекислоты, а также к превращению железа из трехвалентного в двухвалентное, растворимое состояние.
Содержание в иловом растворе иона кальция весной составило 20,2 мг-экв в 1 л воды, к осени оно упало до 8,5 мг-экв в 1 л; содержание иона магния в растворе в эти сезоны составило соответственно 5,5 и 2,7 мг-экв в 1 л. Такая высокая концентрация этих ионов в иловом растворе объясняется растворением тонкораздробленных обломков карбонатных пород под влиянием больших количеств углекислоты, продуцируемых в это время микрофлорой.
Снижение концентраций ионов кальция и магния в почвенно-грунтовой воде в летний и осенний периоды объясняется главным образом ослаблением биологической активности в более глубоких горизонтах почвы, а следовательно, уменьшением количеств углекислоты, продуцируемой микрофлорой и поступающей в раствор. Следует отметить, что иловый раствор весной нагревался сильнее, чем почвенно-грунтовая вода летом и осенью. Средняя величина из многочисленных определений температуры почвенно-грунтовой воды составила 14° в весенний период и 13°— в летний.
Интенсивность биологических процессов в период прохождения иловой стадии пойменного почвообразования проявляется в резком увеличении в иловом растворе концентрации иона аммония. Концентрация его весной составила 8,6 мг-экв в 1 л, что превышает концентрацию таких катионов, как магний и двухвалентное железо. Это обстоятельство указывает на необходимость систематического определения иона аммония в почвенно-грунтовых водах поймы. Ион аммония появляется в растворе как продукт дезаминирования органического вещества ила и почвы микроорганизмами в анаэробной среде. В глубоких горизонтах почвы запасы органического вещества уменьшаются, что приводит к ослаблению процессов анаэробного распада, в том числе и процессов дезаминирования. Уменьшение концентрации иона аммония в летний период сопровождается усиленным потреблением азота высшими растениями. Отсутствие бобовых в составе травостоя межгривных понижений объясняется богатством луговых почв соединениями азота. Такое объяснение впервые дал В. Р. Вильямс. Не был найден в луговых почвах Аго1оЬас1ег. В весеннее время в иловом растворе был обнаружен и нитрат-ион, но его содержание было невелико (0,07 мг-экв/л).
В течение 1955 г. в почвенно-грунтовой воде не был обнаружен фосфат-ион, а хлор-ион — только весной. Причина появления хлор-иона в иловом растворе лежит в неспособности очистительных установок и полей фильтрации удержать этот легко подвижный ион, который поступает с паводковой водой на пойму.
Высокая концентрация в иловом растворе сульфат-иона объясняется тем, что в отложившемся весной 1955 г. наилке в большом количестве содержатся сульфидные и частично сульфатные минералы — продукты разрушения юрских, меловых и каменноугольных пород на водосборе р. Москвы. В период прохождения иловой стадии пойменного почвообразования происходит окисление сульфидных форм. В условиях рН = 7,0 и ЕЬ 200 шУ при значительном содержании в растворе углекислоты, возникающей при разрушении органического вещества, сульфиды не устойчивы и окисляются до сульфатов. Окисление сульфидов идет двояким путем: химическим или абиогенным и биологическим. Биологическое окисление сульфидов протекает при активном участии серобактерий. Количество этих форм в на'илках Москворецкой поймы велико. Идущий одновременно процесс биологического восстановления серы (десульфатирующие бактерии) не может компенсировать окислительный характер процесса превращения сульфидов. Возникший при окислении сульфат-ион поступает в почвенно-грунтовую воду — иловый раствор. Впоследствие этот ион либо переходит в твердую фазу пойменных почв, либо выносится с почвенно-грунтовыми водами в реку. В пойме р. Москвы весной 1955 г. химическое окисление сульфидов наилка преобладало над биологическим, но тем не менее последнее, особенно в луговых почвах, шло достаточно сильно и возрастало пропорционально продолжительности иловой стадии почвообразования. С наступлением лета и осени содержание сульфат-иона в почвенно-грунтовой воде луговой почвы падает, но «темп» падения иной, чем у биогенных ионов — аммония и бикарбонат-иона. Если концентрация иона аммония упала от весны к лету примерно на 96%, а бикарбонат-иона на 79%, то концентрация сульфат-иона снизилась за тот же период всего лишь на 50%. Это объясняется, по-видимому, тем, что для поддержания высокой концентрации в воде иона аммония и бикарбонат-иона необходимы интенсивные биологические процессы, продуцирующие большое количество аммиака и углекислоты. Затухание этих процессов приводит к резкому уменьшению концентрации указанных ионов в растворе, на концентрации же сульфат- иона оно отразится меньше.
Содержание в почвенно-грунтовой воде ионов калия и натрия определялось по разности, поэтому можно отметить лишь общую тенденцию падения их суммарной концентрации от весны к лету и осени.
Химический состав почвенно-грунтовой воды дерново-луговой пойменной почвы изменяется в известной мере аналогично изменению состава воды луговой почвы. Колебания высоты залегания уровня почвенно-грунтовой воды хорошо отражают погодные особенности 1954—1955 гг. После сухого лета 1954 г. и с наступлением холодной и дождливой осени уровень воды поднялся со 160 до 127 см. Весной 1955 г. он достиг 55 см (ЗО.У.), а затем в течение сухого лета и особенно засушливой осени постепенно понизился до 183 см. (1.Х1).
Систематических наблюдений за изменениями рН и ЕЬ почвенно-грунтовой воды дерново-луговой почвы не проводилось, но имеющиеся данные позволяют отметить более высокие значения окислительно-восстановительного потенциала (ЕЬ — 310—360 гпУ) и более низкие значения рН по сравнению с водой луговой почвы.
Данные по содержанию иона двухвалентного железа указывают на сравнительно небольшие количества его, но тем не менее изменение концентраций этого иона по сезонам заметно, причем ее максимум наблюдался весной 1955 г.
Весной 1955 г. в почвенно-грунтовой воде дерново-луговой почвы возросли концентрации ионов магния, кальция, сульфат-иона и суммы концентраций ионов калия и натрия. Причины этого были разобраны выше
для луговой почвы. Здесь мы лишь отметим, что окисление сульфидов в дерново-луговой почве идет более интенсивно, чем в луговой, о чем можно судить по более высокой концентрации сульфат-иона (43,3 мг-экв в 1 л воды). В почвенно-грунтовой воде дерново-луговой почвы весной был обнаружен ион аммония (1,1 мг-экв в 1 л), но нитрат-ион был найден в ничтожном количестве.
Придавая большое значение пространственной дифференциации почв в зависимости от режима почвенно-грунтовых вод, мы изучили распределение растворенного в этих водах кислорода по профилю через долину р. Москвы в районе фаустовского расширения долины. Определение растворенного кислорода проводилось по методу Винклера с трехкратной повторностью во второй половине июля, характеризовавшейся теплой погодой и отсутствием осадков. Одновременно производились измерения температуры, рН и ЕЬ почвенно-грунтовой воды.
Данные табл. 4 позволяют выделить три резко различающиеся группы скважин, приуроченные: 1) к области надпойменных песчаных террас; 2) к области притеррасной поймы и 3) к области центральной и прирусловой поймы.
Содержание растворенного кислорода в почвенно-грунтовых водах надпойменных песчаных террас (скв. 1 и 4) достигает большой абсолютной величины (6,8; 8,25 мг/л), при высоком относительном содержании (65 и 83% от насыщения). Это объясняется тем, что песчаные горизонты подзолистых почв, с одной стороны, характеризуются пониженной биологической активностью, а следовательно, малым поглощением кислорода из атмосферных осадков, просачивающихся через почву. С другой стороны, хорошая проницаемость песков для атмосферных осадков и воздуха
способствует увеличению концентрации растворенного кислорода в почвенно-грунтовой воде. Почвенно-грунтовые воды террасы характеризуются кислой реакцией (рН^5,2—5,5) и величиной окислительно-восстановительного потенциала свыше 385 тУ. Глубокие грунтовые воды на третьей террасе (скв. 11) имеют пониженное содержание растворенного кислорода (3,2 мг/л).
В области контакта поймы и первой надпойменной террасы почвенногрунтовые воды подходят близко к поверхности. Это приводит к развитию здесь болотной растительности и образованию болотных и заболоченных почв. Биологические процессы в этой зоне идут чрезвычайно интенсивно (об этом свидетельствует пышное развитие болотной растительности).
В почвенно-грунтовых водах резко снижается содержание растворенного кислорода. Наши определения давали возожность установить содержание кислорода с точностью до десятых долей процента, но, кроме одного случая (скв. 5), растворенный кислород в воде не был обнаружен. Таким образом, несмотря на приближение уровня грунтовой воды к поверхности, содержание растворенного кислорода в воде не только не увеличилось, а, наоборот, резко уменьшилось. Введение поправки на содержание в воде двухвалентного железа не изменило общей картины; количество растворенного кислорода в этом случае составило 0,1—0,2 мг/л. Следовательно, в почвенно-грунтовых водах притеррасной поймы содержится некоторое количество растворенного кислорода.
Из полученных результатов вытекает, что зона притеррасной поймы — это зона резкого поглощения кислорода, связанного в первую очередь с энергичными биологическими процессами. Проведенное дополнительное бурение скважин и определение содержания растворенного кислорода в водах показало, что резкое падение содержания кислорода произошло на коротком отрезке профиля, составляющем всего 10—20 ж, причем в заболоченных почвах не наблюдался процесс торфообразования.
Почвенно-грунтовые воды области прирусловой и центральной поймы характеризовались довольно устойчивым содержанием растворенного кислорода в воде в летний период (около 25—30% от насыщения), близкой к нейтральной реакции среды (рН~6,1—6,4), несколько пониженным значением окисл ительно-восстановительного потенциала      (ЕЬ « 320—350 гпУ). Таким образом, области прирусловой и центральной поймы отличаются от областей надпойменных террас и притеррасной поймы по содержанию растворенного кислорода в почвенно-грунтовых водах.
Рассмотренные данные указывают на специфичность различных элементов долинного ландшафта, обусловленную характером почвенно-грунтовых вод. Область надпойменных террас характеризуется высоким содержанием растворенного кислорода в почвенно-грунтовых водах, несмотря на относительно глубокое залегание их уровня (160—210 см). В области притеррасной поймы происходит резкое падение концентрации растворенного кислорода, что позволяет сделать вывод о том, что притеррасная пойма является рубежом, ограничивающим влияние почвенно-грунтовых вод надпойменных террас на пойменные пространства. Это подтверждается и тем, что в области притеррасной поймы образуются скопления болотной руды, вивианита, известкового туфа, выпадающие из растворов при выклинивании почвенно-грунтовых вод. Область центральной и прирусловой поймы выделяется самостоятельным режимом почвенно-грунтовых вод, мало связанным с режимом почвенно-грунтовых вод на надпойменных террасах.
Для установления более полной картины изменений содержания растворенного кислорода была предпринята попытка изучения сезонной динамики растворенного кислорода в водах различных почв.
Содержание растворенного кислорода в воде слабоподзолистой песчаной почвы в различные сезоны было высоким (свыше 80% от насыщения), а летом 1955 г. оно достигло состояния пересыщения (106% от насыщения). Характерно, что наименьшее содержание растворенного кислорода в воде пришлось на весну 1955 г., т. е. на то время, когда уровень воды стоял наиболее высоко и в почве протекали довольно интенсивные биологические процессы.
Почвенно-грунтовая вода лугово-болотной ожелезненной почвы характеризовалась пониженным содержанием растворенного кислорода.
В дерново-луговой и луговой почвах центральной поймы в течение всех сезонов содержание растворенного кислорода колебалось от 25 до 56%, что подтверждает ранее отмеченный факт слабо выраженной зависимости состава почвенно-грунтовых вод центральной поймы от состава почвенно-грунтовых вод надпойменных террас.
Приведенные факты указывают на особую роль притеррасной поймы, являющейся серьезным препятствием на пути движения почвенно-грунтовых вод надпойменных террас, лишающей эти воды растворенного кислорода, и, следовательно, изменяющей состав выклинивающихся вод.
Рассмотренные данные позволяют сделать вывод о необходимости дальнейшего изучения сезонной динамики химического состава почвенно-грунтовых вод поймы, так как он довольно ярко отражает особенности пойменного почвообразования. Особый интерес представляет состав почвенно-грунтовых вод поймы в период паводка, т. е. в период прохождения иловой стадии пойменного почвообразования.