Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие представлений о почвах и почвенном покрове мелиорируемых территорий 7
1.1. Основные этапы развития и современное состояние осушительной мелиорации в Ленинградской области 7
1.2. Развитие представлений о почвенном покрове мелиорируемых территорий. Исторический аспект 13
1.3. Современные представления о динамике почв и почвенного покрова участков осушительной мелиорации 16
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Обоснование выбора объектов исследования 28
2.2. Природные условия региона 31
2.3. Почвенный покров 34
2.4. Характеристика объектов исследования 36
2.5. Методы исследования 38
Глава 3. Компонентный состав почвенного покрова объектов мелиорации Ленинградской области на разных этапах освоения территории 43
3.1. Проблемы классификации мелиорированных почв 43
3.2. Компонентный состав почвенного покрова объектов мелиорации на разных этапах освоения территории 46
Глава 4. Сукцессиоиные изменения морфогенетического профиля мелиорированных почв 66
4.1. Агрогенно-мелиоративные почвенные сукцессии объектов осушительной мелиорации 66
4.2. Сукцессионные изменения морфогенетического профиля дерново-подзолистой глеевой почвы 69
4.3. Сукцессионные изменения морфогенетического профиля торфяно-глеевой эутрофной почвы 86
4.4. Сукцессионные изменения морфогенетического профиля торфяно-подзола глеевого 94
4.5. Сукцессионные изменения морфогенетического профиля дерново-подзола глеевого 105
Глава 5. Эволюция ПП на объектах первичной мелиорации и реконструкции мелиоративных систем 110
5.1 База данных участков осушительной мелиорации Ленинградской области 112
5.2 Анализ средневременной динамики ПП с использованием БД участков осушительной мелиорации Ленинградской области 124
5.3. Характеристика пространственно-временных рядов элементарных СПП участков осушительной мелиорации 144
5.4. Гидрологический фактор в формировании почвенного покрова мелиорируемых территорий 161
5.5. Основные этапы эволюции почвенного покрова участков осушительной мелиорации 171
Выводы 175
С писок литературы 177
Приложения 195
- Развитие представлений о почвенном покрове мелиорируемых территорий. Исторический аспект
- Компонентный состав почвенного покрова объектов мелиорации на разных этапах освоения территории
- Сукцессионные изменения морфогенетического профиля дерново-подзолистой глеевой почвы
- Анализ средневременной динамики ПП с использованием БД участков осушительной мелиорации Ленинградской области
Развитие представлений о почвенном покрове мелиорируемых территорий. Исторический аспект
Представление о почвах как объекте мелиорации в нашей стране формировалось постепенно, причем объем научных исследований нарастал параллельно увеличению объема мелиоративных работ.
Мысль о необходимости осушения обширных заболоченных земель для нужд сельского хозяйства занимала еще императора Александра I. По его Высочайшему повелению в 1810 году в Санкт-Петербурге было издано руководство к осушению болот, составленное коллежским советником Санкт-Петербургского Экономического общества Г.Энгельманом (Жилинский, 1899). В нем было «показание причин, рождающих в почвах чрезмерную мокроту и производящих зыби, болота и топи; равно средств, через которые умножение оной можно пересекать и усиливающуюся уже там воду отводить и делать такие удобными к обрабатыванию». Однако действительно научно-исследовательское обоснование осушительных работ было проведено в России лишь в 1846 году в хозяйственном отделении «Лисинской дачи» на лесном болотном массиве капитаном корпуса лесничих И.Г.Войнюковым (Проект..., 1847). Научное осушение сельскохозяйственных земель в дореволюционной России впервые проводит профессор Горе-Горецкого Земледельческого Института А.Н.Козловский. С 1856 по 1863 г.г. им был заложен гончарный дренаж на площади свыше 100 десятин лугов и полей института (Дубах, 1927). С целью поощрения землевладельцев к осушению болот Министерство Государственных имуществ издало в 1857 году «Наставление к осушению и возделыванию болот», в котором указывалось на «вред, причиняемый болотами климату и сельскому хозяйству» (Жилинский, 1899). Попытка прогноза и экологической оценки последствий мелиорации почв впервые сделана в статье В.В.Докучаева «К вопросу об осушении болот вообще и, в частности, об осушении полесья» (1875).
Некоторые научно обоснованные нормы проектирования вырабатывает к концу своих работ Западная и Северная экспедиции под руководством И.И.Жилинского и И,А.Августиновича (Августинович, 1880-1893). В отчетах этих экспедиций можно найти отрывочные сведения об эффективности работы осушительной сети с указанием урожайности с/х культур или увеличения прироста древесины. Здесь же есть сведения о различии условий роста растений на кавальерах. До этого времени состояние дренажной сети после проведенных осушительных работ не попадало в поле зрение мелиораторов. В каком состоянии дренажная система через несколько лет «производитель обычно не знал, он был уже в другом месте, осуществлял другую работу с теми же, может быть, недостатками» (Дубах, 1927).
В начале XX века начинается целеноправленная исследовательская работа по изучению осушенных почв. Департаментом земельных имуществ в 1912 - 1914 годах основана сеть опытных станций по мелиорации торфяных почв. В 20-х годах, в связи с началом интенсивной мелиорации в Нечерноземной зоне России, Белоруссии, Прибалтике был организован ряд институтов гидротехники и мелиорации. Выходят первые научные труды по исследованию мелиорированных почв. Так А.Д.Дубах (1927) в своей работе «Пути к уточнению проектирования осушительных работ» указывает на изменение почвенного профиля на полях 60-летнего дренажа. Л.П.Розов (1931, 1937) впервые обратил внимание на интенсификацию лессиважа в почвах после осушения. Однако, в целом, в 20-30-х годах публикации по исследованию осушенных почв носят единичный характер (Докукин, 1932; Розов, 1937; Гейтман, 1937; Астапов, 1937).
Принципиальные изменения в оценке почв как объекта осушительной мелиорации произошли в 50-х годах XX века. До этого момента мелиоративные проекты осушения не учитывали свойств почв и составлялись только на основе ботанико-культуртехнических карт. Необходимость детального изучения почв для мелиоративных проектов обосновали П.Г.Фиалковский и В.И.Шраг (1955). В 1959 г. в СССР выходит в свет первое «Руководство по производству почвенно-мелиоративных и культуртехнических изысканий для составления проектных заданий осушения и сельскохозяйственного освоения болотных и заболоченных почв».
Широкое развитие осушительной мелиорации в СССР во второй половине XX века явилось мощным толчком к научным исследованиям почв, нуждающихся в осушении. Наиболее полные сведения по этой проблеме собраны в работах Ф.Р.ЗаЙдельмана. На огромном фактическом материале им проведен анализ водного режима гидроморфных почв Нечерноземной зоны, разработаны принципы оценки потребности почв в осушении (Зайдельман, 1975, 1991, 1997), показана необходимость тщательного почвенно-генетического анализа мелиоративных приемов в различных почвенно-климатических условиях (Зайдельман, 1977, 1986, 1991). В 70-80-е годы большое внимание научно-исследовательскими институтами уделялось повышению эффективности использования мелиорированных земель в различных районах страны. Был проведен целый ряд совещаний и семинаров, материалы которых опубликованы в сборниках научных трудов (Развитие мелиорации..., 1969; Рациональное использование..., 1977; Мелиорация, использование...., 1980; Эволюция торфяных почв..., 1983; Повышение эффективности..., 1984; Повышение эффективности... 1987; Экологические и экономические..., 1988; Роль мелиорации ...,1990; Географо-мелиоративный ..., 1993 и др.).
Компонентный состав почвенного покрова объектов мелиорации на разных этапах освоения территории
На основе анализа компонентного состава почвенного покрова территории объектов мелиорации по картографическим материалам, составленным для обоснования проекта строительства первичной осушительной сети, было выявлено 39 почвенных индексов (табл. 2), которые представляли 5 типов и 15 подтипов естественных почв (Классификация и диагностика почв СССР, 1977) и 9 типов и 14 подтипов естественных почв (Классификация почв России, 2000). Традиционными объектами осушения в Ленинградской области являются дерново-подзолистые глееватые и глеевые почвы на суглинистых моренных отложениях и озерно-ледниковых суглинках и глинах, подзолы глееватые и торфяно-подзолы глеевые на водноледниковых и озерных легких и двучленных породах, почвы на карбонатной суглинистой морене, болотные низинные почвы.
Мелиоративное освоение участков производится в несколько этапов: сведение естественной растительности, культуртехнические мероприятия, строительство дренажной сети и первичное окультуривание почв. Далее почвы трансформируются под воздействием изменившихся факторов почвообразования и агротехнических мероприятий. Часто, не достигнув своего устойчивого состояния, ПП объекта мелиорации вновь подвергается антропогенному воздействию в результате проведения реконструкции осушительной сети. Воздействие разнообразных технологических операций и процессов естественной эволюции почвы под влиянием дренажа последовательно фиксируется в почвенном профиле.
Почвы объектов мелиорации в первые 2-3 года после завершения строительства мелиоративной системы.
По суммарной техногенной нагрузке на почвенный профиль все вновь осушенные земли могут быть разделены на следующие группы: освоенные из-под леса и мелколесья, сенокосы и пастбища, пахотные угодья и осушенные болота. Мелиоративное освоение залесенных переувлажненных земель сопровождается наибольшими нарушениями почв. Значительно меньше техногенная трансформация почвенного покрова происходит при осушении сенокосов и пастбищ. Площадь нарушенных почв и их разнообразие минимальны при строительстве осушительной сети на пахотных угодьях (Петров, 1990).
На участках мелиорации, осваиваемых из-под леса, последовательно проводятся вырубка, раскорчевка, сграбление древесно-растительных остатков, запахивание плотной дернины и мохового очеса и другие операции, сопровождающиеся нарушениями почв. Степень техногенной трансформации почв при этом зависит не только от характера и интенсивности воздействия, но и от структуры почвенного профиля естественных почв. Уже во время вырубки леса почвы претерпевают различные трансформации (Сапожников, 1985; Карпачевский и др., 1986; Тощева, 1987). Следы произошедших изменений сохраняются в почвенном профиле до 100 лет (Баранова, Тощева, 1986). Степень разрушения верхней части профиля при корчевке деревьев определяется строением корневой системы и типом поверхностного горизонта. При сгребании древесных остатков легко обезглавливаются почвы с маломощными торфянистыми горизонтами. Почвы, имеющие мощные гумусовые или перегнойные горизонты, а также торфяные болотные почвы в меньшей степени подвержены этому процессу. После завершения работ по сведению и удалению древесной растительности можно выделить следующие виды нарушений почвенного профиля: отсутствие верхних типодиагностических горизонтов, фрагментарное строение верхней части профиля, скопление веток и порубочных остатков в средней части профиля нарушенной почвы, наличие мохового очеса на глубине 20-40 см, уменьшение мощности органогенного или гумусового горизонта.
Сукцессионные изменения морфогенетического профиля дерново-подзолистой глеевой почвы
Дерново-подзолистая глеевая почва является одним из основных компонентов почвенного покрова участков осушительной мелиорации Ленинградской области. Анализ разновременных материалов картирования почвенного покрова выявляет несколько стадий и вариантов сукцессионного развития дерново-подзолистой глеевой почвы, которые отличаются достаточно большим разнообразием почвенных таксонов, зависят от характера исходных нарушений, доминирующего почвообразовательного процесса и времени развития сукцессии.
При исследовании почвенного покрова объектов мелиорации в первый год после строительства осушительной сети, которое нами рассматривается как первичный импакт мелиоративно-техногенный сукцессии, на месте ареалов естественных дерново-подзолистых глеевых почв были встречены следующие типы строения почвенных профилей (рис. 8. Этап 1).
Дерново-подзолистая глеевая почва с ненарушенным строением профиля. Ареалы этих почв чаще встречаются на участках, которые до проведения мелиорации использовались под естественные сенокосы. На территориях, освоенных из под леса, ареалы ненарушенных дерново-подзолистых глеевых почв встречаются достаточно редко и имеют небольшие площади. Дерново-подзолистая глеевая поверхностно-турбированная почва. Эта почва четко диагностируется по наличию в гумусовом горизонте крупных фрагментов осветленного элювиального горизонта, а также, нередко, текстурного оглеенного горизонта.
Дерново-подзолистая глеевая стратифицированная почва, или почва кавальеров. Верхний горизонт этой почвы состоит из привнесенного материала, как правило, из нижних глеевых горизонтов и почвообразующей породы, который образовался при строительстве каналов осушительной сети. Для ареалов этих почв характерна линейность форм. Они занимают пространство вдоль открытых осушителей. Дерново-подзолистая глеевая абрадированная. В профиле этих почв отсутствует гумусовый горизонт, и, возможно, частично элювиальный. Абрадированные дерново- подзолистые глеевые почвы образуются в результате проведения работ по планировке поверхности. Их ареалы имеют ограниченное распространение и имеют небольшую площадь.
Квазизем - искусственно созданная почва дренажной засыпки. Встречаются на участках строительства закрытого дренажа. Квазиземы представляют собой гумусированные почвоподобные образования, состоящие обычно из смеси горизонтов дерново-подзолистой глеевой почвы. Ареалы этих почв характеризуются четкой линейностью форм. Таким образом, строительство осушительной системы инициировало развитие четырех вариантов мелиоративно-техногенных сукцессии: поверхностно-турбированной, стратифицированной, абрадированной и дренажной. Наряду с трансформацией почвенного профиля в результате первичного импакта происходит локальное изменение условий почвообразования. Наиболее интенсивно процессы осушения идут в стратифицированных почвах, т.к. они расположены вдоль каналов и в почвах «дренажных засыпок».
Через несколько лет, в зависимости от интенсивности ведения сельскохозяйственного производства, компонентный состав территории претерпевает значительные изменения. На участках мелиорации через 2-5 лет после проведения мелиоративных работ на месте бывших ареалов естественных дерново-подзолистых глеевых почв встречены следующие агрогенно-преобразованные почвы (рис. 8. Этап Ц). Агродерново-подзолистая глеевая агрогетерогенная. Характеризуются присутствием в агрогенно-преобразованном горизонте набольших фрагментов элювиального горизонта. Агрозем текстурно-дифференцированный глеевый. В агрогенном горизонте также встречаются фрагменты припаханных нижележащих горизонтов. Агродерново-подзолистая глеевая стратифицированная. Стратифицированный поверхностный горизонт в результате с/х обработки участка преобразуется в агрогенно-преобразованный. Погребенный гумусовый горизонт дерново-подзолистой глеевоЙ почвы вовлекается в пахотный с первых обработок. Формируется агрогетерогенный горизонт, состоящий из фрагментов гумусового горизонта погребенной почвы и фрагментов насыпного горизонта, основная масса которого представлена смесью срединных горизонтов и почвообразутощеЙ породы. Одновременно с формированием агрогенного горизонта идет процесс интенсивного осушения. Так как ареалы дерново-подзолистых глеевых стратифицированных почв (почв кавальеров) расположены в непосредственной близости от канала, уже в первые годы эти почвы интенсивно осушаются. Агроквазизем. «Почва» дренажной засыпки с агрогенным горизонтом. При использовании участков мелиорации под многолетние травы описанный компонентный состав ПП может оставаться до 10 и более лет практически неизменным. В большинстве случаев в результате регулярной с/х обработки почв участков мелиорации (распахивание, внесение органических и минеральных удобрений) во всех рассматриваемых почвах формируется агрогенно - преобразованный горизонт. Т.о. доминирующим в импактно-инициированных сукцессиях становится аллогенно-сингенетический фактор развития (агрогенный), а развитие дерново подзолистой глеевой почвы после строительства осушительной системы можно рассматривать как сложную агрогенно-мелиоративную сукцессию. Наряду с агрогеннои составляющей сложной агрогенно-мелиоративной сукцессии в исследуемых почвах происходит развитие почвенного профиля под влиянием изменившегося сочетания условий почвообразования. Одни почвенные ареалы интенсивно осушаются (окисленно-глеевая составляющая сложной сукцессии), другие подвержены процессам заболачивания (гидроморфная составляющая сложной сукцессии), в третьих, интенсивность и направление ЭПП остается неизменным. В этом случае развитие почвенного профиля происходит только под влиянием собственно агрогенного воздействия
Анализ средневременной динамики ПП с использованием БД участков осушительной мелиорации Ленинградской области
Большинство участков мелиорации, включенных в БД, расположены в Волховском, Тосненском и Гатчинском районах, что объективно отражает разнообразие природных ландшафтов, в которых производятся мелиоративные работы по осушению земель Ленинградской области (рис Л). Площадь объектов осушительной мелиорации колеблется от 100 до 400 га. Участки мелиорации разнообразны в геоморфологическом, литологическом и почвенном отношении. Почвенный покров участков представлен, как правило, несколькими типами CliiL Основными факторами дифференциации ПП в Ленинградской области являются рельеф, литологическая неоднородность почвообразуюгцих пород и условия дренирования территории. Ведущими типами СПП участков мелиорации являются сложные сочетания, сочетания-мозаики и сочетания-вариации, которые образованы сочетаниями более низкого порядка, вариациями, пятнистостями, комплексами. Такая организация почвенно-географичекого пространства характерна для мезоструктурного уровня (Фридланд, 1984; Терешенков, 1986).
На моренных равнинах под осушение попадают сочетания дерново-подзолистых, дерново-подзолистых глееватых, глеевых почв и болотных низинных почв. Вершины и склоны моренных холмов и гряд заняты пятнистостями дерново-подзолистых и дерново-подзолистых глееватых почв, различающихся по мощности подзолистого горизонта. В понижениях образуются вариации и сочетания-вариации болотных низинных и переходных почв. В моренных ландшафтах на известняках формируются сочетания дерново-глееватых, дерново-глеевых и перегнойно-глеевых почв. На объектах осушения во дно-ледниковых и древне-озерных равнин широко распространены вариации болотно-подзолистых и торфяно-глеевых почв, пятнистости болотно-подзолистых почв по мощности торфяных горизонтов, степени оглеения и глубины оподзоливания. Почвенному покрову участков осушительной мелиорации присуща разновременная изменчивость с периодической сменой или активизацией основных процессов его функционирования, связанной с антропогенным прессом. Изменение СПП объектов мелиорации в процессе первичного импакта и последующем развитии происходит крайне неравномерно во времени и в пространстве. Возможна как гомогенизация 1111, так и его гетерогенизация, причем иногда развитие идет на одном участке мелиорации в радиально противоположных направлениях. Каждая конкретная СПП представляет собой временной срез непрерывно эволюционирующего почвенного покрова, поэтому характеристика СПП участка мелиорации в различных временных интервалах позволяет судить о направлении и темпах развития почвенного покрова данной территории.
Оценка СПП с помощью количественных показателей наиболее объективно отражает изменения почвенного покрова на мезоструктурном уровне организации территории до и после проведения мелиорации. Проведенный анализ БД показал, что все участки мелиорации можно подразделить на два крупных блока. 1. Объекты мелиорации, в которых тренд динамики направлен на гомогенизацию ПП (участки Коммуна. Колпанский ). Эти участки расположены в холмисто-камовых ландшафтах, где применяется выборочное осушение по ложбинам, тальвегам и выположенным замкнутым понижениям. Почвенные мезокомбинации в условиях расчлененного камового рельефа представлены, как правило, сложными сочетаниями, в которых генетическая связь между ЭПА или простыми комбинациями носит односторонний характер. В случае строительства иррегулярной осушительной сети по ложбинам и тальвегам однонаправленная генетическая связь между компонентами почвенного покрова не нарушается. Происходит лишь увеличение интенсивности потоков вещества и влаги, что приводит к эффективному осушению переувлажненных компонентов. В результате этих процессов упрощается рисунок ПП, уменьшается контрастность и сложность ПП, возрастает площадь почвенных контуров, уменьшается их расчлененность. Таким образом, очевидно, что тренд динамики таких территорий направлен в сторону гомогенизации ПП. В качестве примере мы приводим описание изменений СПП на участке «Коммуна». Участок расположен на левом берегу р.Мги. Рельеф неярковыраженный холмисто-камовый с общим уклоном поверхности в радиальном направлении в сторону реки. Долина р. Мги трапецевидной формы шириной до 1,5 км, с крутыми склонами, высотой 15-25 м, заросшими лесом. Пойма двусторонняя, местами закустаренная, местами луговая шириной 30-70 м. Участок "Коммуна" имеет хорошо развитую сеть ложбин и тальвегов, формирующихся в результате прогрессирующего эрозионного расчленения берега водотока. Все эти условия обеспечивают хорошую дренированность территории, что определяет в почвах участка превалирование нисходящего потока влаги, способствуя развитию элювиального процесса. Почвообразующие породы участка — озерно-ледниковые и флювиогляциальные пески и супеси на различной глубине подстилаются ледниковыми суглинками. Переувлажнение, имеющее место на незначительной части участка, происходит за счет грунтовых вод, имеющих периодически высокий уровень залегания или верховодки. В 1986 году на участке построена мелиоративная система, представляющая иррегулярную сеть открытых каналов, расположенных по ложбинам и тальвегам. Почвенное картирование участка было проведено автором в 1986 году для обоснования строительства и в 1989 году после строительства осушительной сети. На момент обследования участка в 1986 году большая часть территории использовалась в сельском хозяйстве.
