Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретические и методические предпосылки в изучении формирования рельефа почвенно-морфологических поверхностей 10
2 Объекты и методы исследования 21
2.1. Физико-географическая характеристика района исследования 21
2.2. Ландшафт района исследований 27
2.3. Подтрассовая территория ВЛ СВН как объект исследования 30
2.4. Морфологические свойства и физико-химическая характеристика дерново-подзолистых почв 39
2.5. Методы исследования 46
2.6. Морфометрия педоморфологических поверхностей 49
2.7. Методики анализа пространственно распределенных данных 53
2.8. Химико-аналитический методы исследования 55
3. Результаты исследования, формирование поверхности почвы 56
3.1. Структура рельефа поверхности почвы 56
3.2. Артефактные высотные уровни поверхности почвы 85
3.3. Устойчивость поверхности почвы к экзогенным факторам 97
3.3.1 Формирование дернового горизонта 97
3.3.2. Изменения рельефа поверхности почвы при формировании дернины 100
3.3.3. Формирование морфологических поверхностей под влиянием осоки 111
3.3.4. Формирование морфологических поверхностей минеральных кочек водяники на альфегумусовых подзолах 115
4. Пространственная сопряженность морфологических границ 124
4.1. Формирование почвенно-морфологических поверхностей аккумулятивно-гумусового горизонта 124
4.2. Радиальная неоднородность строения элювиального слоя почвы 140
4.3. Формирование дернового горизонта антропогенно-измененных почв 143
4.4. Пространственная сопряженность морфологических поверхностей элювиальных горизонтов 149
5. Формирование морфологических поверхностей антропогенно-измененных почв 166
5.1. Регенерация аккумулятивно-гумусового горизонта АИЛ 166
5.2. Восстановление морфологических поверхностей элювиальных горизонтов 180
6 Обсуждение результатов 197
6.1. Морфологические поверхности почвы 197
6.2. Экзогенные факторы формирования педоморфологических поверхностей 200
6.3. Сопряженное формирование морфологических поверхностей 207
6.4. Вертикальная трещинная сеть элювиального слоя и горизонтальная неоднородность почв 213
6.5. Эндогенные факторы формирования морфологических поверхностей 227
6.6 Морфогенез АИЛ 239
Заключение 246
Выводы 249
Литература 252
- Морфологические свойства и физико-химическая характеристика дерново-подзолистых почв
- Изменения рельефа поверхности почвы при формировании дернины
- Пространственная сопряженность морфологических поверхностей элювиальных горизонтов
- Восстановление морфологических поверхностей элювиальных горизонтов
Введение к работе
Актуальность исследования. Современная сельскохозяйственная техника, основываясь на информационных технологиях, может с высокой точностью, локально и направленно («точечное» земледелие) проводить внутри почвы специализированные технологические операции, имеющие агроэкологическую (мелиоративную) направленность воздействия. Проблема заключается в необходимости разработки методологии фиксации и отображения неоднородности строения и состава почв на малых дистанциях. Её решение призвана осуществить педометрика (Мешалкина, 2004). С другой стороны, необходима новая концепция, позволяющая проводить в трехмерной системе координат сравнительный анализ морфологического строения почвенных тел.
Концепция должна основываться на том, что почвенно-морфологическое пространство организовано таким образом, что каждому иерархическому уровню (Иванов, 2004) соответствует уровень неоднородности строения и состава почвы (Воронин, 1984; Розанов, 2004), влияющий на интенсивность и направленность физико-химических процессов. Присутствие неоднородностей обусловливает естественные границы раздела, а границы формируют поверхности. Между агрегатными и почвенно-географическими поверхностями располагаются морфонный, горизонтный уровни организации педосистемы (по Иванову, 2004), которые обладают своими специфическими поверхностями - морфологическими. Макро-, мезо-, микро- и субмикроуровни морфологии обладают преемственностью методов исследования (Шоба и др., 1999), что в равной мере относится к изучению форм рельефа педоморфологических поверхностей разного масштаба отображения.
Характер видимой поверхности почвы является важнейшим морфологическим показателем (Розанов Б.Г., 1983). Современные методы фиксации рельефа поверхности (microtopography) позволяют оценивать эрозионную активность микропотоков, геометрические свойства поверхности почвы, обусловленные физическими причинами (Favis-Mortlock et al., 2000; Govers et al., 2000; Plan-chon et al, 2001). Идея данного исследования заключается в использовании ме-
тодов микротопографии при изучении поверхности почвы и горизонтов в трехмерной системе координат. Методология изучения морфологического пространства позволяет провести анализ пространственной сопряженности границ горизонтов элювиального слоя лесных почв на двух иерархических уровнях: горизонтном и морфонном. Переход между иерархическими уровнями организации педосистемы дает возможность выявлять причины пространственного варьирования морфологических свойств почв и регулярной цикличности их изменения в структуре почвенного покрова лесного биогеоценоза.
В рамках концепции педоморфологических поверхностей проблема сопряженности почвообразующих процессов почвенного профиля решается через поиск зависимостей положения границ морфоструктур. Микротопография и реконструкция морфологических поверхностей почвы в трехмерной системе координат предоставляют широкие возможности для фиксации морфоструктур и анализа явлений морфолитогенеза, возникающего под влиянием различных экзогенных и эндогенных почвообразующих факторов, участвующих в саморазвитии профиля.
Парцеллярная структура почвенного покрова лесного биогеоценоза достаточно подробно изучена (Карпачевский, 1977; Чертов, 1990), но часто исследования ограничиваются констатацией её присутствия, а механизмы формирования парцелл остаются за пределами исследовательских программ. Биомеханические эффекты в лесных почвах, вызывающие перемещения минеральных масс или частей почвенных горизонтов, или минеральных пород, также известны и изучены на морфологическом и вещественном уровнях (Васенёв, Таргуль-ян, 1995; Phillips, 1998; Van Lear et al.'s, 2000; Phillips, Marion, 2004, 2005).
Воздействие тяжелой техники вызывает изменение не только поверхности почвы, но глубоких слоев (Росновский, 2001). Воздействие экологических факторов отражается в специфических формах почвенно-морфологических поверхностей, что можно использовать в качестве инструмента для идентификации педотурбаций и выявления причин их возникновения даже через длительный промежуток времени после нарушения сложения. Такая постановка про-
5 блемы позволяет рассматривать пространственно-временные морфолого-физические трансформации почв лесных экосистем в техногенные природные комплексы.
Цель работы - изучить строение и пространственную организацию почвенного профиля, вертикальную и радиальную сопряженность почвообразую-щих процессов, участвующих в формировании горизонтов элювиального слоя лесных и антропогенно-измененных почв.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и последовательно решены следующие задачи:
Обосновать теоретический подход формализованного изучения и выделения структурно-функциональных единиц почвенно-морфологических поверхностей, рассматривая их как пространственно распределенные случайные величины;
Разработать методические приемы морфологических исследований, позволяющие проводить фиксацию не только поверхности почвы, но и границ горизонтов в трехмерной системе координат, а также их реконструкцию и моделирование;
Рассмотреть структуру и строение морфологических поверхностей дерново-подзолистой почвы: дернины, гумусового, элювиального, второго гумусового и переходного горизонтов;
На примере поверхностей почвенных горизонтов дерново-подзолистых почв лесных экосистем и альфегумусовых подзолов на сиенитовых нефелинах тундровых редколесий рассмотреть вертикально-горизонтальную организацию морфоструктур минеральных кочек осоки и водяники;
Рассмотреть особенности формирования мощности почвенных горизонтов через изменение положения верхних и нижних границ;
Изучить влияние экологических факторов на морфогенез и радиальную анизотропность почв в лесных экосистемах;
7. Выявить пространственные неоднородности морфологических поверхностей и их временные изменения на примере антропогенно-измененных почв нарушенного сложения техногенных земель.
Выявить пространственные неоднородности морфологических поверхностей и их временные изменения на примере антропогенно-измененных почв нарушенного сложения техногенных земель.
Научная новизна. Исследованы новые фундаментальные зависимости, характеризующие морфологическое строение почвы. Обоснованы методические приемы фиксации морфологических поверхностей в трехмерной системе координат. Показано, что формирование рельефа поверхности почвы является результатом сочетания экзо- и эндогенных процессов. На поверхности почвы выявлены аномальные значения высотных уровней, локализованные в виде бугров, диагностирующих разрывы саморазвития лесных почв. Форма бугров характеризует устойчивость поверхности почвы к экзогенным факторам.
Показано, что регулярная цикличность изменения морфологических поверхностей (языковатость) и физических свойств обусловлена присутствием вертикальной трещинной сети элювиального слоя. Размер и форма, количество граней ячеи ВТС изменяются в связи с парцеллярной структурой лесного биогеоценоза и прослеживаются в следах лесных парцелл в почвенном покрове просеки воздушной линии электропередачи сверхвысокого напряжения (ВЛ СВН). Размер ячеи увеличивается с глубиной от поверхности почвы до иллювиального горизонта.
Формирование границ горизонтов почвенного профиля протекает при условии вертикальной и радиальной сопряженности почвообразующих процессов. Показано, что выделяются 3 типы зависимостей положения между соседними морфологическими поверхностями горизонтов в почвенном профиле: согласный, противофазный, несопряженный. При формировании гумусового горизонта наблюдается переход от согласного изменения границ к противофазному, элювиального - переход от противофазного к несопряженному. В переходном горизонте изменение границ пространственно согласовано. Наблюда-
7 ются различия в способах формирования дернового, гумусового, элювиально-го, второго гумусового и переходного горизонтов. Сопряженное почвообразование характеризуется пространственными взаимосвязями верхней и нижней границ горизонтов, их мощности. Пространственные закономерности морфогенеза границ почвенных горизонтов различаются в различных почвенно-экологических условиях. Морфологические поверхности техногенной территории наследуют структуру лесного биогеоценоза, на которую «накладываются» антропогенно-измененные почвы (АИП) подтрассовьгх территорий ВЛ СВН. Защищаемые положения.
1. Саморазвитие почвенного профиля элювиального слоя почв является результатом изменения морфологических поверхностей границ почвенных горизонтов, морфогенез которых обусловлен воздействием внешних (климат, рельеф, почвообразующие породы) и внутренних (почвообразование, литологиче-ская неоднородность, растительность) факторов.
2. Формирование почвенных горизонтов осуществляется через изменение положения морфологических поверхностей и выделяются три основных типа сопряжения верхней и нижней границ горизонта: верхняя следует за нижней (тип I), изменяются в противофазе (тип II), границы несопряженные (тип III). При увеличении мощности наблюдаются смены одного типа другим для горизонтов: А) аккумулятивно-гумусового - тип I - тип II, Б) элювиального - тип II - тип III, В) переходного - тип I.
При естественном восстановлении морфологических поверхностей пе-досистема стремится достичь своего морфотипа, существовавшего до нарушения сложения, как наиболее устойчивого состояния в данных природных условиях.
Формирование вертикальной организации почвенного профиля осуществляется при различии в интенсивности почвообразования на неоднородностях сложения и состава почв в радиальном направлении, горизонтальная морфон-ная организация педосистемы строится на основе элементов, составляющих вертикальный профиль. Саморазвитие почвы протекает в условиях последова-
8 тельного формирования сопряженных вертикальных и горизонтальных педо-морфологических поверхностей.
Теоретическая и практическая значимость. Разработана концепция организации морфологического пространства на основе сопряженных морфологических поверхностей. Основываясь на положении о единстве структурных и функциональных свойств почв и используя эмпирико-теоретический подход, обосновано формализованное описание границ почвенных горизонтов как двумерных поверхностей, что позволяет оценить пространственную сопряженность естественных границ горизонтов между собой и вертикально организованными морфоструктурами. Используя различные проекции для анализа структуры рельефа морфологических поверхностей, появляется возможность исследовать генетические особенности саморазвития почв.
Микротопография педоморфологических поверхностей отражает процессы формирования границ почвенных горизонтов в трехмерной системе координат, что даёт возможность в формализованном виде представить эти поверхности и в дальнейшем использовать для анализа воздействия экологических факторов на морфологическое строение почв. Выявленный комплекс диагностических признаков морфологических поверхностей дает возможность различать следы лесных парцелл и антропогенно-измененных почв при их естественной регенерации.
Результаты работы реализованы в системе эколого-гигиенического нормирования ВЛ СВН, а также мероприятий по охране окружающей среды при строительстве высоковольтных линий электропередачи. Предложенные подходы к оценке пространственной неоднородности почв с естественной и техногенной причиной нарушения сложения могут иметь практическую реализацию при разработке систем экологического мониторинга, эколого-экономическоЙ оценки деградированных земель. Изученная вариабельность морфологических свойств на малых дистанциях позволяет наиболее ярко представить многоаспектную проблему взаимодействия в системе «ходовые системы техники - тех-
9 нология прокладки просеки - почвенно-морфологические поверхности - лесная экосистема».
Апробация результатов исследования. Результаты исследования докладывались на конференциях и симпозиумах: Всероссийской конференции «Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения» Москва, 16-18 июня 1998 г.; III съезд Докучаевского общества почвоведов. Суздаль. 2000 г.; Современные проблемы почвоведения в Сибири, Томск, 2000 г.; Международная научная конференция «Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель». Томск. 2001; Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» МГУ, 22-25 декабря 2003 г.; Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды «ENVIROMIS-2004», г. Томск; IV съезд Докучаевского общества почвоведов. Новосибирск. 2004 г.; Ш Всероссийская научная конференция «Современные проблемы почвоведения и оценки земель Сибири, посвященная 75-летию со дня основания кафедры почвоведения ТГУ, 2005.
Вклад автора в разработку проблемы. Автору принадлежит решение проблемы трехмерной реконструкции морфологического строения почвенного тела, разработка программы и методики трехмерной морфометрии, выбор объектов и сбор первичного материала. Собранный автором в экспедициях натурный материал использован к качестве основы для анализа пространственной неоднородности почв просеки ВЛ СВН и лесного БГЦ. Диссертационная работа выполнена в рамках программ по изучению физической неоднородности элювиального слоя почвы, которые осуществлялась на кафедре почвоведения и экологии ТГУ при финансовой поддержке грантов РФФИ № 03-04-49327-а «Трехмерная модель движения воды в элювиальном горизонте на основе его пространственной реконструкции» и «Университеты России» по теме «Оценка устойчивости лесных почв к воздействию лесозаготовительной техники» № ур.07.01.402.
Морфологические свойства и физико-химическая характеристика дерново-подзолистых почв
ВЛ СВН представляет собой 3 проводную линию ЛЭП-500 кВ, ширина просеки составляет 60 м (Карташев, Захарченко, 1987; Карташов, 2000; Каске-вич, Плеханов, 2003). Высота подвески изоляторов на опорах составляет 27 м, расстояние между опорами равно 250-270 м. Расстояние между крайними проводами и центральным проводом составляет 15-16 м. В средней части между опорами 10-13 м в зависимости от рельефа поверхности просеки. Напряженность переменного электромагнитного поля (ПеЭМП) на высоте 1 м от земли под центральным проводом составляет 12 кВ/м, под крайними проводами- 12,5 кВ/м. Между средним и крайними проводами напряженность ПеЭМП убывает до 7,5 кВ/м. Значения напряженности ПеЭМП резко падают при движении от крайнего провода в сторону леса. На расстоянии 10 м составляет 4 кВ/м, а на 20 м от крайнего провода напряженность близка к естественной. Экспериментальные исследования влияния ПеЭМП ЛЭП на биогеоценоз просеки проводились на трансекте I, расположенной между опорами с максимальным провисанием проводов, а также на сельскохозяйственном поле, расположенным вблизи изучаемой просеки ЛЭП.
На изученной просеке выделяются 3 типа резектоземов. Резектозем элювиальный (РЭ) - почвы, потерявшие верхний гумусовый горизонт (А]) и частично элювиальный (А2), который экспонируется на поверхности. Резектозем иллювиальный (РИ) - почвы, потерявшие верхний гумусовый горизонт, элювиальный и, частично или полностью переходный А2Ві- На поверхности экспонируется переходный или иллювиальный горизонты (В). Полный резектозем (РП) -резекция до материнской или подстилающей породы.
Опытный участок захватывает две просеки. Одна просека проложена при строительстве ЛЭП в 1966 году. Параллельно проложена в 1986 году другая просека. Просеки 1966 и 1986 годов проходят через сходные элементы ландшафта, что позволяет сравнить состояние компонентов биогеоценоза после строительства и спустя 20 лет (Хахалкин, Захарченко, Нехорошее, 1999). Протяженность опытного участка составляет 1.5 км. Его положение на макросклоне кряжа определяется ландшафтным выделом урочища, как элементарной единицы ландшафта (Сочава, 1974, 1978; Солнцев, 1974).
Рельеф участка просеки, где изучались почвенно-морфологические поверхности выпуклый и слабонаклонный (рис. 8). 60 м располагается под центральным проводом. Перепад высот между началом профиля и его серединой составляет 0,8 м. Углы наклона поверхности изменяются от 02Г до 109\ Микрорельеф выположен, встречаются небольшие рытвины и колеи.
Растительный покров просеки имеет мозаичный характер, что определяется комплексом, как антропогенных, так и естественных микроценозов. Первое связано с валкой и раскорчевкой леса и сопровождается повреждениями почвенного покрова, второе — с мозаичностью естественного лесного биогеоценоза, существовавшего до нарушения, где подкроновые участки и поляны существенно различаются по видовому составу и обилию видов растительности, что характерно для сосновых лесов предгорий Кузнецкого Алатау.
Прослеживаются изменения исходных растительных сообществ на участках, где снятие древесного яруса не сопровождается нарушением растительного покрова. На ненарушенных или слабонарушенных участках просеки уменьшается обилие видов лесного разнотравья и увеличивается участие лесо-луговых и луговых видов. Обилие луговых видов значительно увеличивается, что отмечается, как по увеличению проективного покрытия, так и по высоте вегетативных побегов. У ежи сборной, вейника, луговика дернистого образуется большое количество генеративных побегов. Данные изменения фитоценоза объясняются изменением светового режима и нарастанием гидроморфизма на выположен-ных участках территории подверженной техногенным воздействиям. Усиление гидроморфизма определяется снятием древесного яруса и деструкцией травостоя, которые через транспирацию существенно "осушают" территорию, уплотнением почв, снижающим их фильтрующую способность, и образованием рытвин, ям, что приводит к застою влаги и переувлажнению почв (Дедков, 1986; Favrot, 1988). Все указанные факторы способствуют общему сдвигу видового состава растительных сообществ в направлении увеличения их гидро-морфности. На участках, где полностью уничтожен исходный растительный покров и нарушения почв обширны, происходит интенсивное заселение 1-2 летних сорняков (ярутка полевая, щетинник, жабрей и др.), что вызывает длительную интродукцию сорной растительности. Степень участия этих растений свидетельствует о степени нарушения почвенного покрова.
В растительных сообществах наблюдается широкий диапазон видов, принадлежащих к различным экологическим группам - от ксерофитов до гидромезофитов, отражающих высокую дифференциацию просеки по экологическим условиям. Участки, где наблюдается засуха, соседствуют с участками, где в течение всего лета может находиться вода. Нарушения дернового горизонта с обнажением элювиальных слоев, складирование в кучи гумусового горизонта обуславливают неоднородность минерального питания растительности и дифференциацию травостоя - от олиготрофов до мегатрофов.
После полного задернения нарушенных участков (13-15 лет после строительства) ситуация значительно меняется. Травянистая растительность способствует развитию дернового горизонта на техногенно-нарушенных землях. Так, бобово-злаковые травосмеси используются для биологической рекультивации земель (Баранник, Захаров, 1996; Основы биологической рекультивации..., 1995).
Травянистая растительность в северной части профиля под осиново-сосновым лесом представлена осокой, по краю просеки валежник, оставшийся после строительства ЛЭП-500 кВ. Прилегающая к лесу часть просеки имеет богатый состав травянистой растительности, представленной тимофеечной, мы-шинно-гороховой, разнозлаковой ассоциациями. Ближе к центру просеки они сменяются тимофеечно-орляковой ассоциацией. Центральная часть просеки разнозлаковая с выделяющимися коротконожковыми ассоциациями растительности. Южная часть просеки представлена лесо-луговым разнотравьем с доминирующими ежовой и коротконожковой ассоциациями. Проективное покрытие растительности имеет максимальное значение на границе леса и просеки П 038 - П 044 (рис. 2.6).
Начиная с П 044, доминирует лесная растительность. Северная часть просеки также имеет отчетливо выраженный экотон на границе просеки с лесом (П 30-П 24). На данной трансекте экотон не выражен из-за локального почвенного нарушения на П 24. К центру просеки проективное покрытие растительности возрастает, достигая второго максимума в центральной растительности просеки определяются наличием нарушений почвенного покрова.
Изменения рельефа поверхности почвы при формировании дернины
Для выбора района исследования использовался сравнительно ландшафт-но-географический метод (маршрутный). Маршрут проходил от поселка Ломачевка Кемеровской области по водораздельной части кряжа до поселков Мишутино, Дубровка Томской области. В районах пос. Мишутино и пос. Ломачевка проведено ландшафтно-геоморфологическое профилирование.
Сравнительный эколого-генетический анализ участков, расположенных в лесном БПД и на просеке ЛЭП-500 кВ дает возможность объективно оценить, как действие естественных и техногенных факторов, так и протекающие изменения за период существования изучаемого природно-техногенного комплекса. На опытном участке вдоль просек проведено геоморфологическое профилирование на основе инструментальной съемки, выполненной В.В. Хахалкиным. Шесть геоморфологических профилей, проложенных через 30 м, охватывают две действующие ЛЭП. Профили дополнены почвенно-геоботаническим картографированием.
В результате проведенных исследований были выделены две модельные площадки, охватывающие строящуюся и действующую линии электропередачи. На модельных площадках проводилась экспериментальная работа и заложены разрезы с целью изучения свойств АИЛ и процессов их регенерации. Таким образом, был реализован метод вложенных геоморфологических ключевых площадок. На опытном участке перпендикулярно геоморфологическим профилям закладывались 2 трансекты, пересекающие просеку ЛЭП. Трансект представлял полосу 15 м шириной, на которой проводилось детальное картографирование микрорельефа поверхности, видовой состав и проективное покрытие растительности. Изучение растительности на трансектах проводилось сотрудниками геоботанической лаборатории НИИ ББ под руководством Ю.А. Львова. В основе методов изучения почвенного покрова положена оценка пространственно-временных изменений техногенной геосистемы (Керженцев, 1992). Для изучения неоднородности почвенного покрова просеки В Л СВН заложены 2 профиля длиной 120 м: основной между опорами в месте максимального провиса проводов и вспомогательный около опоры. Изучение проводилось с помощью разрезов, заложенных через 2 м, и траншей, вскрывающие верхние элювиальный слой почв. Параллельно линии ЛЭП-500 кВ на макросклоне Ар-чекасского кряжа заложены 3 профиля. Просека и прилегающий лес с помощью мерной ленты разбиты на квадраты с длиной ячеи в 40 м. На основе этой разметки территории проведена картография лесных и деградированных земель просеки ВЛ СВН (Ананьева и др., 1994; Методические рекомендации, 1995). При необходимости (очень сложные границы нарушенных участков) квадраты дробились до ячеи длиной 10 м. Наиболее существенные изменения наблюдаются непосредственно после техногенного воздействия. Временной аспект развития почвенного покрова просеки оценивается с помощью сравнительно морфологического метода. Основными объектами являлись просеки ЛЭП-500 кВ, проложенные в разное время в сравнении с естественными почвами.
Профильно-генетический метод основан на сравнении свойств почвенных горизонтов со свойствами материнских пород. И.А. Соколов (2004) назвал эту модель «простой» или идеальной моделью почвообразования. Согласно этой модели почвенный профиль формируется от поверхности вниз в результате проникновения почвенных признаков вглубь породы и проявления на фоне свойств породы. Все горизонты, формирующиеся согласно простой модели, сингенетичны. Понимая ограниченность применимости данной модели для удобно сделать несколько последовательных срезов и посмотреть, как изменяется её форма. Многократно сталкиваясь с этой задачей, мы решили довести этот способ до методики, позволяющей изучать пространственно сложно организованные морфологические структуры почвы. Методика трехмерной морфо-метрии почв основывается на методе последовательных параллельных срезов. Этот метод широко используется в физике, биологии, медицине, геологии и т.д. для фиксации форм и вычисления объемов самых различных природных тел и не требует специального обоснования.
Трехмерное изображение морфологических свойств почв можно получить с помощью последовательных вертикальных срезов с постоянным или произвольным шагом измерений. Данный метод позволяет зафиксировать в трех координатах точку измерения. Так как границы горизонтов отсняты в единой трехмерной координатной системе, то положение точки легко сопоставить относительно наблюдаемых на срезе морфоструктур, поэтому морфологический метод может быть дополнен различными физическими, химическими и биологическими методами наблюдения.
На вертикальной стенке среза фиксируются границы горизонта. В пределах горизонта выделяются и очерчиваются области, отличные от остальной части горизонта по морфологическим свойствам. Для проведения измерений границ горизонтов и положения морфонов использовалась установка (рис. 2.10). Сборка установки и подготовка к проведению измерений осуществляется в несколько этапов: 1. На металлические штыри устанавливаются опорные рейки, так что их верхние поверхности располагаются на одном уровне, а угол между опорными и скользящей рейкой - прямой; расстояние между опорными рейками - 1 м; положение опорных реек фиксируется болтами; 2. Готовится вертикальный срез по нулевой отметке опорных реек до намеченной глубины; 3. С помощью вертикального уровня (отвеса) проверяется вертикальность стенки среза; экологических исследований, И.А. Соколов предлагает «турбационную модель». В основе сравнительного эколого-профильно-генетического метода лежит представление о почве как трехмерном теле. И здесь требуется «разработка своих правил описания, отбора репрезентативных образцов, своих специфических особенностей решения классификационных проблем...» (Соколов, 2004. с. 62).
Морфологический метод анализа почвенного покрова и строения почвенного тела в большей мере основывается на субъективных представлениях исследователя, его опыте и квалификации (Розанов, 1988, 2004; Дюкарев и др., 1999). Методология морфологических исследований границ горизонтов фактически не развивалась с 30-х годов прошлого столетия. Используемые категории для описания форм границ горизонтов не являются элементарными в топологическом смысле, т.е. могут быть всегда разбиты на множество элементов каждый, из которых может входить в разные категории. Так, на одной стенки траншеи можно встретить и карманы, языки. Все эти структуры являются вогнутыми, а как быть с характеристикой выпуклых структур. Вызывает сомнение использование «затеков» для характеристики формы границы, так как характеризует процесс, а не форму границ горизонта. Последняя категория -«размытая» выделяется в случае, если очевидной границы нет. Она скорее относится к описанию характера перехода одного горизонта в другой. Разделение категорий формы границ горизонтов основывается на соотношении глубины и ширины вогнутых структур, которые характеризуют форму объекта весьма приближенно и безотносительно его радиальных размеров.
Пространственная сопряженность морфологических поверхностей элювиальных горизонтов
Формы рельефа почвенно-морфологических поверхностей отражают разнообразные воздействия экологических факторов. Назовем участки локального углубления границ горизонтов воронками, а возвышенности - буграми. Цепочки понижений создают килевые морфоструктуры, а возвышенностей - гребневые.
Существенные изменения поверхности почвы наблюдаются в подкроно-вых участках древесной растительности, где основное участие в формирование рельефа поверхности принимают корни, что особенно заметно на приствольном участке (Захарченко, Росновский, Кулижский, Габец, 2003). В сосновом лесу, где располагались площадки, стволы сосны имеют диаметр до 80 см и высоту до 12 м. Для поддержания ствола, учитывая парусность кроны сосны, необходимы мощные опорные корни длиной 5 -6 м, создающие бугры на поверхности относительной высотой 5-Ю см вытянутой обычно линейной формы, радиально расходящиеся от ствола в подкроновом пространстве. Корни травянистых растений стабилизируют поверхность почвы.
Для выявления изменений поверхности почвы в результате произрастания дерева проведены исследования на площади 06. Поверхность площади 06 представляет собой приствольный след сосны, гумусированные древесные остатки которой обнаружены в левом верхнем углу (Х[20-50], Y[70-I00]) (рис. 3.1). По остаткам коры устанавливается порода дерева. Пень остался после снятия древесного яруса при строительстве ЛЭП и его примерный возраст деструкции на момент изучения составляет 15 лет.
Разложение древесины не завершилась полностью, на месте ствола найдены остатки коры и небольшие фрагменты древесины. На месте пня преобладают выровненные формы рельефа с небольшими просадками поверхности в виде воронок разного линейного размера. Приствольный валик слабо выражен, что указывает на незначительные линейные размеры дерева (диаметр ствола - 30 см). В результате развития корней растения формируется обширная (по сравнению с размерами ствола) зона вытеснения почвенного материала, показанная на рисунке 3.1 тонким эллипсом.
Изменения морфологического строения почв парцеллы сосны вызваны вытеснением грунта, растущим комлем и корнями. Прижизненный вес ствола сосны может достигать Юти более. Ветровая нагрузка создает в почве под комлем давление, вызывающее разрушение структуры и уплотнение. Комель с ростом дерева погружается в почву и ежегодно увеличивает свои размеры, вытесняя грунт. Воздействие охватывает весь элювиальный слой до горизонта Вь что формирует прикомлевыи валик, который остается на поверхности почвы (зона II). Прикомлевыи валик описан почвоведами и хорошо известен лесоводам (Бутузова, 1962;Карпачевский, 1977, Чертов, 1981).
Часть грунта вытесняется корнями из зоны III с образованием складчатых возвышенностей в зоне IV. В результате формируются 4 зоны, выделяемые по микротопографии поверхности почвы, которые не заметны при жизни дерева, но отчетливо проявляются в рельефе поверхности почвы на просеке после перегнивання комля и корней дерева. Цепочки бугров отражают положение опорных корней дерева. На месте «корневой кроны» поверхность почвы опускается (1-5 см), и формируются локальные депрессии и бугры. Это напоминает карстовый рельеф, что отражается на поверхности почвы и морфоструктуре границы элювиального горизонта. В результате неравномерности просадок на месте опорных корней формируются воронки и бугры, вытянутые в цепочки на поверхности почвы радиально от места, где находился ствол дерева. Расположение бугров и воронок на поверхности почвы создает характерный рисунок, длительное время сохраняющийся на поверхности почвы. Цепочки бугров и воронок на поверхности почвы и их размеры могут использоваться для диагностики положения следов лесных парцелл.
В зоне депрессии, формирующейся на месте корневой кроны дерева, встречаются участки почвы с мощным элювиальным горизонтом, превышающим норму в 3 - 4 раза. Между развилкой корней при увеличении их диаметра вытесняется почвенный материал горизонтов А и Аг. При последующим перешиваний корней формируются полости, в которые вмывается материал А2. Особенно глубокие полости возникают при разложении вертикальных якорных корней, что наблюдается в следе парцеллы сосны. Таким образом, радиальное вытеснение почвенного материала А и частично А.г корнями растений приводит к возникновению внутрипарцеллярной микронеоднородности: возвышенностей, гряд, локальных бугров внутри и по краю «корневой кроны», которые фиксируются методами микротопографии и трехмерной морфометрии.
На изученной площади выделяются 4 локальных возвышенности (бугры) в диаметре не более 15 см и относительной высотой от подножия 6-7 см, достигая высотных отметок 14-15 см (выделены полигонами). Таких воронок выделяется не менее 15. Цепочки небольших бугров и воронок обозначают следы древесных корней в приствольном участке. Воронки формируются при деструкции древесины и заполнению образовавшихся полостей. Такие просадки аналогичны карстовым просадкам поверхности, но если карст возникает в результате растворения минерального материала, то в этом случае полости образуются при разложении органики древесных корней, что формирует рельеф поверхности с множеством бугров и воронок, отражающих сложные формы переплетения приствольных корней.
Общее количество наблюдений (N) составляет 320. Средняя дистанция до ближайшего соседа составляет 4,5 см, минимальная - 1 см, максимальная 5,8 см, гамма (у), характеризующая меру пространственной дисперсии рельефа поверхности, равняется 6,2. Вариограмма свидетельствует о наличии близко расположенных пар наблюдений в пределах 1 см, на которых наблюдается резкий скачек высот. При увеличении дистанции до 2,5 см разнообразие рельефа снижается до -1, постепенно увеличиваясь при увеличении шага опробывания более 5 см.
Выборка симметрична относительна медианы (7 см) так, что квантили и процентили с права и слева от медианы располагаются на одинаковом расстоянии, полуразмах между квантилями составляет 3,7 см (табл. 3.1). Высоты более 14 см по отношению к данной выборке рассматриваются как артефакт.
Восстановление морфологических поверхностей элювиальных горизонтов
Горизонт Ad - это минеральный продукт преобразования среды корнями растительности в приповерхностном слое с образованием структуры аккумулятивно-гумусового горизонта и состоящий из сложных трехмерных переплетений корней, обуславливающих связность слоя, что и позволяет выделять его как особое пространственное внутрипочвенное образование. Корней растений (не важно каких) в нем не менее чем 1,5 раза больше относительно соседних вертикальных или горизонтальных морфоструктур.
В определении не указано, что горизонт является поверхностным. Дело в том, что в некоторых ситуациях дернина может формироваться не в поверхностном слое, а, иногда, на значительной глубине от поверхности. Например, вокруг корней сосны формируется толстая «шуба» дернины, уходящая вместе с корнем в элювиальный и, иногда, даже переходный горизонты. Такие же явления наблюдаются при локальных нарушениях целостности сложения почвы. К примеру, на месте когда-то вбитого деревянного кола, который перегнил, формируется плотная дернина, вырабатывающая весь освободившийся объем почти на всю глубину полости. Вертикальная трещинная сеть элювиального слоя также является местом, где плотность дернины может локально существенно возрастать по отношению к окружающему объему слоя. Внутри минерального тела кочек осоки и водяники выделяются уплотнения корней, которые можно назвать дерниной. По краю подера антропогенно-нарушенного участка формируется уплотнение корней в 1 - 3 см слое от поверхности иллювиального горизонта. Образованная морфоструктура позволяет дернине радиально развиваться, покрывая тот участок, где сформировалась высокая плотность живых корней, тем самым, сокращая площадь нарушенного участка. А вновь образованный Ad оказывается скорее надповерхностным образованием, как и органо-минеральные кочки осоки. Хорошо известны кочки, образованные при нарастании корней и опада растений. В пойме р. Оби вблизи болот и озер встречаются кочки выше человеческого роста. При формировании кочки дернина нарастает под растением, поднимая почки возобновления вверх от переувлажненной почвы, тем самым спасая их от гибели.
При определении Ad не указан тип растительности создающий дернину. На сиенитовых подзолах Мурманской области довольно плотный слой корней выстилает верхнюю поверхность первой псевдофибры пена, создавая тонкую сеть корней. Корни растений березы и полукустарничка водяники или шикши создают локально высокую плотность корней, и в этом смысле можно говорить о «дернине березы». В отдельных случаях локально формируются плотные дернины из корней берёзы и шикши. Шикша образует довольно крупные кочки в переувлажненных местообитаниях, аналогичные тем, которые создают осоки и злаки, но более упругие, так как корни долее жесткие, чем у травянистых растений. Заполнены кочки в основном твердыми листьями водяники с остатками отмерших корней. Таким образом, в специфических условиях дернина может быть создана конями не только травянистой, но и полукустарничковой, даже древесной растительностью.
Сложная трехмерная конструкция Ad создается травяной растительностью за счет переплетения корней, так что при его срезе слоем 5 см, он сохраняет свою целостность и не распадается на куски. Нож входит в Ad с большим усилием, чем в нижележащий гумусовый горизонт. На супесчаных почвах вырезанные кубики 5x5x5 см при легкой встряске осыпаются, оставляя в руке трехмерный каркас, переплетенных корней. Каркас создается за счет корней, часто удаленных от материнской дернины. На просек под ЛЭП прослеживали корни мятлика, идущие по поверхности почвы, длина некоторых из них была больше 10 м. Следовательно, Ad создается переплетением множества корней различных растений всего лугового сообщества. В неблагоприятных условиях, на «молодых» поверхностях можно обнаружить только присутствие дернины без гумусового горизонта, которые при морфологических часто описаниях не разделяются, хотя это разные морфологические образования. В благоприятных условиях дернина может разрастаться, охватывая всю мощность гумусового горизонта. Наиболее плотные и «каркасные» дернины формируются на припоселко-вых лугах, где активно идет выпас деревенского стада.
Положение границы Ad взаимосвязано с изменением высотного уровня рельефа поверхности почвы (рис. 3.3.3). На площади 06 граница Ad следует поверхности почвы с редкими отклонениями от этого правила, наблюдаемых в экстремальных позициях (минимальных, максимальных). На площади 061 зависимость уровня границы Ad от рельефа поверхности почвы менее выражена по сравнению с 06. На лесных полянах (площади 02 и 03) можно выделить две группы зависимостей. На площади 02 первая группа располагаются на высотных уровнях от 0,5 до 9 см, и характеризуется увеличением относительных высотных отметок до 5 см от регрессионной плоскости. Вторая наиболее представительная - охватывает весь спектр высот рельефа поверхности почвы и характеризуется более глубоким положением границы горизонта. На площади 03 также выделяются две группы зависимостей: одна из них располагается в пониженных формах рельефа и характеризуется глубоким положением границы горизонта. Вторая, наиболее представительная, тяготеет к повышенным формам рельефа, где граница Ad поднимается вверх с увеличением высотного уровня поверхности почвы.
