Суточная динамика диэлектрических и радиоизлучательных характеристик содового солончака при вариациях температуры, влажности и засоленности

Почвенное засоление, происходящее в результате природных или антропогенных процессов, приводит к деградации земель и растительности. Особенно опасным для растений является содовое засоление, при котором в верхнем плодородном слое почвы накапливается в значительных количествах сода, характеризующаяся высокой токсичностью.
К настоящему времени суммарная площадь засоленных почв превысила миллиард гектар. Действенный мониторинг экологической ситуации засоленных почв на таких больших площадях возможен с применением дистанционных методов зондирования. Использование разновременных данных дистанционного зондирования в оптическом и микроволновом диапазонах позволяет оценить временные изменения почвенного засоления [1]. Оценка засоленности почвы возможна на основе измерений комплексной диэлектрической проницаемости [2].
В данной работе приведено сопоставление изменений температуры (T), объемной влажности (W), засоленности (Z) содового солончака с суточной динамикой его диэлектрических и радиоизлучательных характеристик в летний период. Исследования проводились на территории Кулундинской степи, находящейся на юге Западной Сибири. В качестве основного объекта исследования был выбран солончак, представлявший собой высохший участок бессточного содового озера. Во время полевых измерений метеорологические условия характеризовались отсутствием атмосферных осадков. В ходе эксперимента в течение 40 часов с периодичностью 1 час, измерялась температура солончака на глубине 1, 5 и 10 см и отбирались пробы засоленного грунта с поверхностного слоя 0-2 см. Суточные температуры поверхности солончака в слое 0-1 см изменялись от 286 К в ночные часы до 320 К в дневное время. Грунтовые воды залегали на глубине 0.4 м. По гранулометрическому составу почвы относились к легкоглинистым с процентным содержанием физической глины 49%. По данным химического анализа определялся ионный состав водной вытяжки, а также делались предположения о типе почвенного засоления и составе минеральных солей, отложившихся на поверхности солончака. В лабораторных условиях исследовались диэлектрические характеристики засоленных грунтов на частоте 1.41 ГГц.
Пространственные вариации диэлектрических и радиоизлучательных характеристик поверхности солончака изучались путем отбора проб грунта в разных точках солончака в одно и то ж время и определения в лабораторных условиях их диэлектрических характеристик. Диэлектрические параметры образцов грунта, отобранных в разных точках солончака, удаленных друг от друга на расстояние до 500 метров, различались, так как образцы, отобранные в одно и то же время, но в разных точках, имели разные значения W. В то же время вид зависимостей радиояркостной температуры и коэффициента излучения этих образцов от W оказался качественно похожим, что говорит об одинаковом составе солей.
Суточная динамика диэлектрических и радиоизлучательных характеристик исследовалась в течение 40 часов на тестовых участках, разнесенных на расстояние 50-100 м. В разное время суток наблюдались процессы отложения солей на поверхность солончака и их последующего растворения в почвенной влаге. По данным химического анализа в почвенной воде присутствуют в больших количествах анионы (карбонаты, сульфаты, хлориды) и катионы (натрий, магний, кальций), из которых при осаждении на поверхность солончака возможно образование кристаллогидратов соды, мирабилита, эпсомита, кальция хлорида.
Вид зависимостей коэффициентов излучения солончаковой почвы от температуры различен для разных W. Это связано с тем, что при высоких значениях W минеральные соли находятся в растворенном состоянии. При низких значениях W почвенной воды недостаточно для растворения всех солей, соответственно, часть солей будет находиться в состоянии кристаллогидрата, или в обезвоженном состоянии. Однако при повышении температуры выше температуры плавления кристаллогидратов происходит их полное или частичное плавление, сопровождающееся высвобождением кристаллизационной воды с образованием насыщенного раствора. Так как коэффициенты излучения кристаллогидратов, безводной соли и насыщенного раствора заметно различаются, то в зависимости от температуры, одно и то же значение Z/W соответствует двум разным значениям коэффициентов излучения.
Установленные зависимости коэффициентов излучения поверхности солончака от W позволяют определить влажность солончака. На основе зависимостей коэффициента излучения солончака от температуры возможно изучение структурных изменений, происходящих в засоленной почве и связанных с изменением растворимости минеральных солей, а также с образованием или плавлением кристаллогидратов. Зависимость обобщенного параметра S/W от коэффициента излучения позволяет на качественном уровне определить тип почвенного засоления.