Содержание к диссертации
Введение
Глава 1.Состояние проблемы 6
Глава 2. Объекты исследований 32
2.1 Геологическое строение 32
2.2 Гидрогеологическое строение 33
2.3 Растительность 33
2.4 Разработка торфяного месторождения 33
2.5 Классификация почв выработанных торфяных месторождений ...34
2.6 Организация Национального парка «Мещёра» 36
2.7 Состояние объекта в настоящее время 37
Глава 3. Методы исследований 41
Глава 4. Морфология почв 46
Глава 5. Физические свойства почв 51
5.1 Плотность, пористость и воздухоемкость исследованных почв...51
5.2 Водно-физические свойства 54
5.3 Гранулометрический состав минеральных горизонтов 55
Глава 6. Элементы гидрологического режима пирогенно измененных торфяных и дерново-пирогенно-песчаных почв 56
6.1 Гидрологический режим почв в 2004г 58
6.2 Гидрологический режим почв в 2005г 61
6.3 Гидрологический режим почв в 2006г 64
Глава 7. Температурный режим исследованных почв 71
7.1 Вертикальный градиент температуры 71
7.2 Динамика температуры пахотного горизонта 78
Глава 8. Урожай многолетних трав на торфяных пирогенно измененных и дерново-пирогенно-песчаных почвах 81
8.1 Исследование плодородия пирогенно измененных торфяных и дерново-пирогенно-песчаных почв в полевых условиях 81
8.2 Исследование плодородия горизонтов пирогенного происхождения в условиях вегетационного опыта 82
Глава 9. Химические свойства почв и содержание элементов питания 85
9.1 Основные физико-химические показатели почв 85
9.2 Содержание элементов питания в исследованных почвах 86
Глава 10. Биологическая активность пирогенно измененных торфяных и дерново-пирогенно-песчаных почв 91
10.1 Структурные особенности мезофауны как индикатора биологического состояния почв 91
10.2 Анализ ферментативной активности 93
Выводы 99
Практические рекомендации 101
Список литературы 103
Приложения 119
- Классификация почв выработанных торфяных месторождений
- Гранулометрический состав минеральных горизонтов
- Гидрологический режим почв в 2006г
- Исследование плодородия горизонтов пирогенного происхождения в условиях вегетационного опыта
Введение к работе
В последние годы пожары на осушенных торфяных массивах Европейской территории России получили широкое распространение. Негативное влияние пожаров, как правило, не ограничивается деградацией или тотальным уничтожением органогенных почв болотного ландшафта, на месте которых возникают пирогенные образования и иирогенно измененные торфяные почвы. Пожары вызывают длительное задымление городов и поселков, которое препятствует транспортному сообщению, загрязняет атмосферу токсичными продуктами горения торфа, усиливает «парниковый» эффект, являются причиной заболевания людей на территориях, значительно превосходящих площадь возгорания.
Во время пожара на торфянике происходит необратимая потеря углерода, основного элемента, образующего органогенные почвы. Принимая во внимание общую площадь болот и оторфованных земель России (369,1 млн. га) и запасы углерода в торфах (110 000 млн. т, из них 44200 млн.т представлено гумусовыми веществами, 44700 млн.т компонентами нерастворимого остатка и 21100 млн.т полисахаридами в пересчете на абсолютно сухое вещество) (Ефремова, 1997), следует признать, что масштабы экологической катастрофы могут носить глобальный характер.
Пожары вызывают глубокую деградацию почв или их полное уничтожение, резко снижают плодородие, видовое разнообразие и численность биоты. Таким образом, очевидно многофакторное отрицательное влияние пожаров на экологическое состояние значительных территорий.
Продукты термической деградации торфа (зола, угли и спекшийся торф) остаются на поверхности и подвергаются переработке в процессе вторичного почвообразования. В результате с течением времени из бесплодных пирогенных образований возникают пирогенно измененные торфяные и дерново-пирогенные почвы.
Существенно, что процесс пирогенной деградации осушенных торфяников (в том числе и выработанных) имеет явную тенденцию быстрого роста. Так, за последний пятилетний период наблюдений на исследуемом объекте пожары были зафиксированы в 2002 и 2006 годах, в результате которых было безвозвратно потеряно 250 га торфяных почв, что составляет более 10% площади объекта, и около 187,5 тыс. тонн запасов углерода.
Вероятность возникновения пожаров на выработанных торфяниках значительно возрастает по причине малой мощности остаточного торфяного слоя и его подстилания песками с низкой высотой капиллярного поднятия, в результате чего происходит отрыв капиллярной каймы фунтовых вод от органогенных горизонтов, иссушение и беспрепятственное выгорание почв.
В этой связи представляется важным исследование процессов, протекающих в термически деградированных торфяных почвах в постпирогенный период на территории бывших индустриальных торфоразработок в Шатурском районе Московской области.
Классификация почв выработанных торфяных месторождений
Зверковым в 1988г. была предложена схема технической почвенно-мелиоративной классификации почв выработанных торфяников. Он относит почвы торфяников к интразональным техногенным почвам, помещая их в ряд гидроморфных. класс - интразональные ряд - гидроморфные (болотные), по способу добычи (карьерные или поверхностно-послойные) тип - (характер образования почв, положение в рельефе, водное питание, характеристика вод) подтип - (по ботаническому составу, концентрации солей ГВ) род, вид, разновидность - (мощность торфа, степень оглеенности и зольности, подстилающая порода) агромелиоративное состояние - неосвоенная, освоенная, окультуренная Гребенников, Лыткин (2002) разделили торфяные почвы выработок по устойчивости к нарушениям после торфоразработок и способности к повторному торфонакоплению: - нарушения торфяной почвы носят обратимый характер и торфонакопление возможно, если УГВ расположен выше контактного горизонта остаточного торфа; - к слабоустойчивым территориям относят площади, где УГВ не достает торфяной толщи; - к неустойчивым территориям относят площади возвышений, где торфяные горизонты сняты полностью вместе с контактным слоем. Торфонакопление в этом случае невозможно.
Прогнозируется деградация таких площадей эоловыми процессами. На освободившихся после добычи торфа фрезерных полях В.И. Деньгуб (1984) выделил следующие группы почв: 1. торфяные остаточные (зольность менее 50%) а. торфяные остаточные с мощностью торфа 50см б. торфяно-глеевые остаточные с мощностью торфа 50-30см в. торфянисто-глеевые остаточные с мощностью торфа 30см 2. торфяно-минеральные остаточные (зольность 50-85%) 3. минеральные остаточные (зольность 85%) - выход контактного горизонта на поверхность После окончания промышленной добычи торфа территория объекта использовалась в качестве сельскохозяйственных угодий. В 1992г. она была включена в состав национального парка «Мещера». Общая площадь парка составляет 118,9 тыс. га из них 72,7 тыс. га (61,1% площади) - земли Гослесфонда, 46,2 тыс. га (38,9%) доля других собственников, включенных в границы парка без изъятия из хозяйственного использования. Из них сельскохозяйственные угодья составляют 15,7 тыс. га (Немченко, 2002). Территория парка представляет собой заболоченную слаборасчлененную равнину. Сосново-березовые леса на дерново-подзолистых почвах чередуются с водно-болотными природными комплексами. Средний модуль стока 3,5-7 л/сек-км , подземный сток 2-2,5 л/сек-км , гидротермический коэффициент 1,2-1,4. Парк расположен в подзоне европейских хвойно-широколиственных лесов. Лесистость около 70%. Торфоразработки занимают 2378 га. За период с 1986 по 2000г. зафиксировано 440 пожаров на территории парка, охвативших площадь 3888,2га. Пожары на осушенных торфяниках составляют 16% от этой площади. Средняя площадь пожара 8,8га. Пожароопасный период в условиях парка длится 5 месяцев. Распределение пожаров по месяцам в общих чертах согласуется с годовым ходом температур и осадков (максимум горимости достигается в июле). Пожары максимальной интенсивности на территории парка наблюдались в следующие годы: 1972-1992-1996-1999-2002-2006. Из зафиксированных пожаров лишь чуть более 1% произошли по естественным природным причинам (молния), остальные имеют антропогенные причины. Массив Петровское-Кобелевское расположен на территории Шатурского района Московской области. Торфяное месторождение находится в 3 км на северо-восток от г. Шатура. Массив имеет протяженность с севера на юг 6 км, с запада на восток 4 км. Площадь торфяника составляет около 2400 га, 250 га из которых выгорели в результате пожаров 2002 и 2006 гг. (на рис.2 светлыми прямоугольниками выделены участки, подвергавшиеся пожару: верхний - в 2002г., нижний -в 2006г.) Территория массива сразу после пожара представляла открытую незаселенную растительностью поверхность, образованную различными пирогенными образованиями и почвами. Появление пионерной растительности на гарях наблюдается практически сразу после пожара. При выгорании торфа с понижением поверхности на 40 см и более с образованием значительных зольных масс восстановление растительности происходит медленнее, чем в случае беглого поверхностного пожара, но всегда в течение одного сезона. На второй год после пожара видовой состав растительности на почвах пирогенного происхождения значительно расширился (таблица 1). Помимо иван-чая узколистного (Chamaenerion angustifolium L., Scop.,) на пирогенных образованиях были зафиксированы в значительных количествах ива розмаринолистная (Salix rosmarinifolia L.), крапива двудомная (Urtica dioica L.), звездчатка средняя (Stellaria media L., Y\\\.), лапчатка норвежская (Potentilla norvegica L.), ива трехтычинковая (Salix triandra L.). В незначительных количествах присутствует вейник тростниковидный (Calamagrostis phragmitoides Hartm.,), тростник обыкновенный (Phragmites australis Cav., Trin.,), лисохвост луговой (Alopecurus pratensis L.), кипрей болотный (Epilobium palustre L.), дудник лесной (Angelica silvestris L.), пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare L.), осина (Populus tremola L.), мать-и-мачеха (Tussilago farfara L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg., Web.,), пикульник ладанниковый (Galeopsis ladanum L.), марь белая (Chenopodium album L.), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium L.), бодяк полевой (Cirsium arvense L., Scop.,).
Гранулометрический состав минеральных горизонтов
Гранулометрический состав анализировали в горизонтах пирогенно измененной торфяной и дерново-пирогенно-песчаной почв (таблица 3). Изученные песчаные горизонты имеют схожий гранулометрический состав. Преобладает фракция мелкого песка (0,25-0,05 мм). Отличия наблюдаются по фракции крупной пыли 0,05-0,01 мм, содержание которой максимально в зольном горизонте 10,6 % и минимально в подстилающем песке (0,11%). В пахотном горизонте пирогенно-песчаной почвы ее содержание имеет промежуточное значение, так как он представляет собой смесь зольного горизонта и подстилающего песка. Для зольного горизонта характерно повышенное содержание пыли, что, вероятно, связано с наличием железистого мелкодисперсного охристого материала, образующегося в результате полной термической деградации торфа.
В период с 2004 по 2006 год нами были проведены детальные наблюдения за гидрологическим режимом почв (рис.10). Период наблюдений пришелся на годы с различной обеспеченностью осадками (2004г - влажный год; 2005 и 2006 годы близкие к средней обеспеченности осадками), что позволило получить достаточно полное представление о динамике водного режима изученных почв в годы разной влажности.
На графике (рис. 9) построена кривая обеспеченности осадков за период 1949 по 2004 год. Выделены три условные зоны вероятности возникновения пожара. Условные обозначения: 1 - зона высокой вероятности; 2- зона средней вероятности; 3 - зона низкой вероятности возникновения пожара.
Распределение атмосферных осадков в течение вегетационного периода (рис.11) (май - сентябрь) 2004 года носило равномерный характер с постепенным увеличением в мае и июне, максимумом в июле и практически одинаковым их количеством в августе и сентябре. Лето влажное. Сумма осадков за период июнь-сентябрь 397 мм, т.е. значительно больше среднемноголетних значений для этого промежутка времени (300 мм).
Примечание к рис. 10: Разрывы на рисунках хроноизоплет влажности в пределах почвенного профиля означают резкие различия физических свойств горизонтов. Данные по атмосферным осадкам представлены в виде суммы осадков за месяц.
Гидрологический режим почв в 2006г
В 2006 году пожары на торфянике повторились, несмотря на количество выпавших осадков, близкое к среднемноголетнему значению.
Сравнительно сухое начало лета послужило причиной к возникновению пожароопасной обстановки на осушенных торфяниках Московской области. Максимум осадков был приурочен к августу.
Водный режим (рис. 10,15А) верхней органогенной части профиля пирогенно измененной торфяной почвы (№1) стабилен на протяжении всего периода вегетации и находится в пределах оптимальной влажности равной ВРК - НВ. В подпахотной части профиля в июле и августе наблюдается потеря связи с грунтовыми водами, что компенсируется обильными атмосферными осадками в августе, подпитывающими корнеобитаемый слой (129мм).
В связи с тем, что дерново-пирогенно-песчаные почвы (№2) занимают хорошо дренированные элементы рельефа, а также в связи с отсутствием в их профиле влагоемких органогенных горизонтов, они характеризуются резким уменьшением содержания влаги в начале вегетационного периода. В это время влажность почвы удерживается в интервале ВЗ-ВРК. С конца мая до середины сентября в профиле дерново-пирогенно-песчаной почвы формируется прослойка с влажностью, равной влажности завядания, вследствие чего влагообеспечение растений осуществляется в основном за счет атмосферных осадков. В торфяной почве в условиях покровного пескования (№3) (торфяная покровно-песчаная) присутствие торфяного горизонта, погребенного под слоем песка, обеспечивает более оптимальный водный режим, несмотря на легкий гранулометрический состав ее пахотного горизонта по сравнению с дерново-пирогенно-песчаной почвой. Торфяный горизонт обеспечивает капиллярную связь поверхностных горизонтов с нижележащими.
В торфяной почве (№4) с середины июня до конца июля органогенные горизонты высыхают с поверхности (влажность в пределах ВЗ-ВРК) с образованием плотной иссушенной корки. Капиллярная связь с грунтовыми водами при этом не нарушается.
В пахотном горизонте пирогенно-измененной торфяной почвы на протяжении всего вегетационного периода в 2006г. наблюдалось оптимальное для растений содержание влаги (рис. 15А). Запасы влаги в торфяной почве в конце июня приблизились к ВЗ, но к концу сезона постепенно увеличились вплоть до ПВ в связи с выпадением осадков. В дерново-пирогенно-песчаной почве (рис.15Б) с середины июня до начала августа запасы влаги недостаточны (меньше ВЗ), после чего увеличились до ВРК. В торфяной покровно-песчаной (рис.15Б) почве оптимальные влагозапасы имели место в июне, после чего упали до ВЗ-ВРК. Существенно, что обеспеченность года атмосферными осадками и их распределение в течение вегетационного периода влияет на гидрологический режим изученных почв. Исключением является дерново-пирогенно-песчаная почва, в профиле которой изменяется только зона «мертвого горизонта» с влажностью менее ВЗ.
Динамика УГВ исследованных почв носит схожий характер, исключением является дерново-пирогенно-песчаная почва в связи с ее более высоким гипсометрическим положением (рис.16). Наблюдается постепенное снижение УГВ в течение вегетационного периода и небольшой подъем в сентябре. Определяющую роль в формировании водного режима играет проведенное ранее осушение почвы глубокими каналами.
В годовом режиме УГВ на выработанном торфянике выражены 4 периода (Тимофеев, 1988, Закржевский, 1996): 1 -зимнее равномерное опускание ГВ 2 -резкий подъем весной при снеготаянии 3 - летнее неравномерное понижение ГВ, прерываемое повышениями в связи с выпадением осадков 4 - осенний медленный неравномерный подъем При близком залегании грунтовых вод отмечена большая изменчивость положения ГВ во времени по отдельным годам, что объясняется метеорологическими условиями. При залегании УГВ ниже 50-60см наступает фаза постепенного затухания действия осадков. При глубоком залегании УГВ и интенсивном осушении зависимость от количества осадков практически не проявляется. Интересные данные были получены после составления графиков средних запасов влаги в профилях исследованных почв (рис.17). Для этого были подсчитаны средние влагозапасы за весь период наблюдений с последней декады мая по первую декаду окіября послойно через каждые 10 см до глубины стояния фунтовых вод (Роде, 1960, 1969). Средние запасы влаги за сезон в пирогенно измененной торфяной почве в 2004 и 2006гг. достигали максимума в слое 10-20см., в 2005г. в слое 20-30см. Таким образом, в годы с разной обеспеченностью осадками пахотный горизонт пирогенно измененной торфяной почвы практически постоянно увлажнен, что благоприятно сказывается на растениях. Минимум запасов влаги наблюдали в подпахотном слое 40-50см. В дерново-пирогенно-песчаной почве в 2004-2006гг. максимальные влагозапасы сосредоточены в нижних слоях, в то время как пахотный горизонт на протяжении всего сезона пересушен, а ниже, на глубине 30-60см, расположен мертвый горизонт с минимальными значениями влажности. Такой гидрологический режим неблагоприятен для растений и требует корректировки с помощью гидромелиоративных мероприятий. Торфяная покровно-песчаная почва характеризуется максимальным увлажнением влагоемкого торфяного горизонта на глубине 30-60см при незначительном увлажнении минерального пахотного горизонта, что благоприятно только для растений с развитой корневой системой.
Максимум влагозаиасов в торфяной почве наблюдался на глубине 30-70см в 2004г., 40-бОсм в 2005г. и 20-60см в 2006г. Содержание влаги в ее пахотном горизонте несколько выше, чем в торфяной покровно-песчаной почве. Проведенные исследования показали, что гидрологический режим изученных торфяников нуждается в активном регулировании. При неполном выгорании, как в случае с пирогенно измененной торфяной почвой, пахотный горизонт обладает достаточными влагозапасами, а их распределение по профилю оптимально. При полном выгорании, как в случае с дерново-пирогенно-песчаной почвой, пахотный горизонт пересушен, капиллярная связь с фунтовыми водами нарушена, и гидрологический режим менее благоприятен, чем в исходных торфяных почвах.
Исследование плодородия горизонтов пирогенного происхождения в условиях вегетационного опыта
Пахотные горизонты в профилях пирогенных почв формируются из отдельных слоев, существенно отличающихся по запасам доступных для растений элементов питания. Поэтому для оценки плодородия отдельных горизонтов пирогенных почв были поставлены вегетационные опыты с овсом и многолетними травами (рис.23А, Б).
Установлено, что урожаи на таких пирогенных почвенных горизонтах по крайней мере в первые годы после пожара значительно более высокие, чем на горизонтах почв, не подвергавшихся пирогенному воздействию. Максимальный урожай многолетних трав и овса без внесения удобрений зафиксирован на мелкоземе зольного горизонта сразу после пожара. Однако через два года после пожара среди пирогенных субстратов наименьшим плодородием обладал зольный горизонт, вероятно, вследствие проявившихся неблагоприятных физических свойств, связанных с образованием при поливе слитой низкопористой корки и сокращением запаса доступных для растений элементов питания. Средние значения урожайности получены на супесчаной дерново-подзолистой окультуренной почве (контроль), а минимальные - на оглеенном песке минерального дна болота.
При внесении удобрений во всех случаях за исключением дерново-пирогенно-песчаной почвы наблюдалось значительное повышение урожая овса и многолетних трав. При этом на бедных питательными элементами почвенных субстратах внесение удобрений оказывает максимальный эффект. А.Ф. Тимофеев и Л.А. Комарова также отмечают эффективность внесения удобрений на выработанных торфяниках (1985).
Полученные данные позволяют признать, что отдельные части профиля пирогенных образований и почв (такие, как зольный и углистый горизонты, гидрофобный торф) существенно отличаются по своему плодородию и требуют различного подхода при использовании в сельском хозяйстве. Так, на гидрофобном торфе урожаи с течением времени возрастают почти в 2 раза, что связано с постепенным разрушением глыбистой структуры и увеличением водоудерживающей способности. Для оптимизации физических и химических свойств почв целесообразна глубокая перепашка (для нейтрализации контрастных кислотно-щелочных условий), внесение органических и минеральных удобрений, известкование. 1-зольный горизонт (Ash); 2- углистый горизонт (Cnl); 3-гидрофобный торф (Сп2); 4- дерново-пирогенно-песчаная почва (Апах); 5-торфяная почва (Апах); 6- подзолистая окультуренная почва (Апах); 7-торфяная покровно-песчаная почва (Апах); 8- песок минерального дна (G)
Для интерпретации результатов вегетационного опыта и определения факторов, лимитирующих плодородие пирогенных горизонтов, были проведены исследования химических свойств, а именно: величин рН, гидролитической кислотности, степени насыщенности обменными основаниями, содержание органического углерода, общего азота, элементов минерального питания растений.
Горизонты исследованных почв существенно различаются по химическим свойствам (таблица 11). Возникшие в результате полного выгорания зольные горизонты имеют слабощелочную реакцию среды (зольный горизонт), в то время как при частичной термической деградации торфяной почвы (углистый горизонт Cnl и гидрофобный материал горизонта Сп2) реакция остается кислой, как у исходной торфяной почвы, и практически не смещается в щелочную сторону. Пахотный горизонт подзолистой окультуренной почвы имеет нейтральную реакцию, что связано с длительным применением извести. Торфяные горизонты органических почв, несмотря на высокую сумму обменных оснований, обладают высокой гидролитической кислотностью (около 100 ммоль(+)/100г почвы) и весьма низкой степенью насыщенности основаниями (около 25%).
Полученные физико-химические показатели пирогенных горизонтов в целом коррелируют с данными других авторов (Морозова, 2006). Разница наблюдается в несколько меньших значениях рН зольных горизонтов после пожара, что не создавало препятствий для поселения пионерной растительности на площадях свежих пожарищ.
Максимальное содержание доступного для растений фосфора (51,3 мг/100г почвы) наблюдается в подзолистой окультуренной почве (таблица 12). Его повышенное содержание (14,4 мг/ЮОг почвы) характерно для дерново-пирогенно-песчаной почвы. Высоким содержанием доступного калия (22,6 мг/ЮОг почвы) отличается гидрофобный торф. В целом пирогенно измененные торфяные почвы характеризуются содержанием калия от среднего до высокого, что связано с образованием поташа в процессе пожара. Содержание фосфора в пирогенно измененных торфяных почвах недостаточно за исключением дерново-пирогенно-песчаной почвы. В пирогенных горизонтах наблюдается дальнейшая минерализация органического вещества: содержание общего углерода в 2005 году снижается по сравнению с 2004г (за исключением дерново-пирогенно-песчаной почвы). Следует отметить, что дерново-пирогенно-песчаная почва отличается чрезвычайно низким содержанием общего углерода (0,2%) и азота (0,07%). Вероятно, это связано с практически полным выгоранием органического вещества в процессе пожара.
