Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Самоорганизация антропогенно нарушенных геосистем 14
1.1. Антропогенно нарушенные геосистемы с точки зрения системно-синергетического подхода 14
1.2. Экологическая ренатурация как вариант самоорганизации антропогенно нарушенных геосистем
1.2.1. Концепция экологической ренатурации 38
1.2.2. Ренатурационный потенциал геосистемы 55
Глава 2. Методологические подходы к исследованию ренатурационных геосистем 61
2.1. Геотопы с датированным нарушением почвенно-растительного покрова как объекты исследования процесса ренатурации антропогенно нарушенных геосистем 61
2.2. Методологические основы исследования ренатурации почвенно-растительного покрова 74
2.2.1. Нелинейный подход к исследованию воспроизводства ресурсных характеристик растительности и почв 74
2.2.2 Эколого-генетический подход и эмпирические основания исследований новообразованного почвенно-растительного покрова 82
2.2.3. Пространственные аспекты исследования процессов формирования почвенно-растительного покрова 87
Глава 3. Воспроизводство почвенно-растительного покрова в ходе самоорганизации антропогенно нарушенных геосистем 93
3.1. Сингенез фитоценозов и почв: необходимость интегрирующего подхода
3.2. Воспроизводство ресурсных характеристик травянистых фитоценозов (на примере лесостепной зоны) 123
3.3. Развитие почв в ходе ренатурации антропогенно нарушенных геосистем 138
3.3.1. Особенности воспроизводства почв на антропогенно
нарушенных поверхностях в подзоне южной тайги 138
3.3.2. Воспроизводство почв в антропогенно измененных геосистемах степной зоны 146
3.3.3. Математическое моделирование процессов формирования ресурсно значимых свойств почвы 159
3.3.4. Онтогенетический возраст антропогенно нарушенных геосистем: возможности почвенно-хронологической датировки 200
3.3.5. Варианты воспроизводства почв при механическом нарушении земной поверхности 214
3.4. Пространственная неоднородность антропогенно нарушенных геотопов и ее роль в дифференциации ренатурационных процессов 238
3.4.1. Особенности формирования эдафических условий и воспроизводство почвенно-растительного покрова на участках с техногенно измененным рельефом 238
3.4.2. Особенности воспроизводства почвенного покрова в условиях неоднородного рельефа карьерно-отвальных комплексов 248
3.4.3. Взаимосвязь эдафических и флористических характеристик ренатурационных экотопов на онтогенетически зрелых стадиях развития 254
Глава 4. Диагностика, мониторинг и управление ренатурационными процессами в антропогенно нарушенных геосистемах 273
4.1. Диагностика почвообразовательного потенциала
природных факторов 273
4.2. Диагностика регенерационного потенциала почвообразования в антропогенно нарушенных ландшафтах ...283
4.3. Мониторинг ресурсовоспроизводства в ходе ренатурации антропогенно нарушенных геосистем 294
4.3.1. Концепция мониторинга ренатурационных процессов в антропогенно нарушенных геосистемах 294
4.3.2. Мониторинг воспроизводства почв в посттехногенных геосистемах 303
4.3.3. Мониторинг воспроизводства почв в постагрогенных экосистемах 308
4.3.4. Оценка ассимиляции углерода новообразованными почвами...316
4.3.5. Использование разновозрастных эталонов почв при организации эколого-геохимического мониторинга земель в зоне влияния горнорудной промышленности 321
4.4. Ренатурационный подход к экологической реабилитации нарушенных территорий 326
Заключение 351
Библиографический список 356
Приложения
- Экологическая ренатурация как вариант самоорганизации антропогенно нарушенных геосистем
- Методологические основы исследования ренатурации почвенно-растительного покрова
- Воспроизводство ресурсных характеристик травянистых фитоценозов (на примере лесостепной зоны)
- Диагностика регенерационного потенциала почвообразования в антропогенно нарушенных ландшафтах
Экологическая ренатурация как вариант самоорганизации антропогенно нарушенных геосистем
Преобразование природы человеком неизбежно приводит к возникновению новой реальности, в которой существенно изменяется протекание вещественных, энергетических и информационных процессов - формируется так называемая «вторая природа», обозначенная еще в натурфилософии Ф. Шеллинга (Шеллинг, 1987) как своеобразная «надстройка» над природой, существующей вне деятельности человека. Изначально культурологическое понимание этой новой реальности в XX веке дополнилось экологическим. Представление об измененной человеком природе максимально конкретизировано экологом-энциклопедистом Н.Ф. Реймерсом (Реймерс, 1990) в понятиях «второй» и «третьей» природы - по существу, систем, отличающихся от естественных сокращением способности к самоподдержанию.
Измененные в результате деятельности человека природные комплексы привлекли внимание отечественных естествоиспытателей в конце XIX в., что было связано с очевидными негативными последствиями чрезмерного сельскохозяйственного освоения земель степной зоны России, приведшим, на фоне неблагоприятной климатической ситуации, к неурожаю 1891 года и последовавшему за ним голоду. Преобразование естественного почвенно-растительного покрова в районах аграрного освоения было названо В.В. Докучаевым (1892) и А.А. Измаильским (1893) причиной нарушения водного баланса территорий, усугубившей климатический катаклизм. Что интересно, уже тогда наряду с пониманием необходимости мелиоративных мероприятий была отмечена необходимость восстановления естественного состояния природных ландшафтов. Например, В.В. Докучаев в работе «Наши степи прежде и теперь» пишет о необходимости реставрировать черноземные степи (Докучаев, 1936) путем перевода уцелевших участков в заповедный режим. В трудах «Особой экспедиции Лесного Департамента...» он предлагает ряд опытов по реставрации девственной степи (травянистых и кустарниковых сообществ) с целью исследования особенностей ее водного режима (Докучаев, 1951). Эти опыты могли бы стать первыми экспериментами по экологической реставрации антропогенно нарушенных геосистем в России.
В работах А.И. Воейкова, опубликованных в этот сложный для России период, довольно подробно рассмотрены различные виды воздействия человека на природные ландшафты, но, с другой стороны, отмечена их способность снижать интенсивность вызванных этим воздействием деградационных процессов. В статье «Способы воздействия человека на природу», выпущенной в 1892 году (Воейков, 1963), описываются ситуации, когда заброшенные у вершин оврагов пашни зарастают лесом и травянистой растительностью, прекращается рост оврагов, их склоны задерновываются. Понимание необходимости соответствия мер «оздоровления земледелия» природным сценариям уже тогда существовало. В.В. Докучаев прямо указывал: «... эти меры должны быть цельны, строго систематичны и последовательны, как сама природа...» (Докучаев, 1936, с. 103).
Антропоцентризм, свойственный стилю исследований начала XX века, предполагал выявление объективной природной реальности, измененной человеком, как проявления его культуры (примечательно, что в одном из значений латинское слово «культура» означает земледелие). Поэтому предложенный Л.С.Бергом в статье «Предмет и задачи географии» (1915) термин «культурный ландшафт» был позитивно воспринят и стал широко использоваться применительно ко всем преобразованным человеком ландшафтам с целесообразными для общества свойствами (Реймерс, 1992). Современный экоцентризм естествознания едва ли подразумевает такое широкое определение культурного ландшафта, а скорее предполагает его рассмотрение как «совместное творение человека и природы» (в соответствии с «Конвенцией об охране всемирного культурного и природного наследия (ЮНЕСКО)», 1972 г.), когда человек использует и оптимизирует тенденции, свойственные природе (Сочава, 1978).
Фундаментальные представления о структуре, классификации, функционировании, развитии измененных человеком геосистем были сформированы в рамках антропогенного ландшафтоведения, ставшего важнейшим направлением географической науки в XX в. Его основные положения изложены Ф.Н. Мильковым в монографии «Человек и ландшафты: очерки антропогенного ландшафтоведения» (1973). Елавным критерием выделения антропогенных ландшафтов было выдвинуто их происхождение - создание в результате человеческой деятельности или возникновение вследствие изменения ею любого компонента природного ландшафта. При этом иных отличий природных и антропогенных ландшафтов нет: антропогенные ландшафты, «...хотя и созданы человеком, однако развиваются согласно природным закономерностям и составляют один из генетических рядов природных ландшафтов» (Мильков, 1978, с. 13-14). Такое понимание антропогенных ландшафтов позволяет рассматривать их функционирование в рамках универсальных природных закономерностей, в частности, в отношении их способности к саморегуляции и самовосстановлению.
В развитии антропогенного ландшафта Ф.Н. Мильков выделял три стадии: начальную, зрелую и стадию «старости» (Мильков, 1978), когда антропогенный ландшафт полностью встраивается в фоновый. Но в результате повторяющихся антропогенных воздействий антропогенные ландшафты периодически возвращаются к начальной стадии. Продолжительность этих стадий развития различна, в зависимости от характера нарушений, эдафических условий, техногенного рельефа. Но главное — антропогенные ландшафты всегда включены во взаимодействие с фоновыми комплексами, «...сразу же после создания вступают в тесный взаимный обмен веществом и энергией со смежными комплексами, образуя с ними па-рагенетические системы» (Мильков, 1978, с. 70). Именно эти взаимодействия определяют направленность, зональные характеристики протекающих в антропогенных ландшафтах изменений, которые фактически приводят к разрушению тех 17 ногенных сооружений, если они не поддерживаются человеком. В схеме развития антропогенных ландшафтов Ф.Н. Мильковым конечная («натурализованная») стадия их онтогенеза рассматривается наименее подробно, а именно она в свете системно-синергетических представлений определяет его направленность, выступая аттрактором развития.
Для построения генетических рядов антропогенных ландшафтов, а также для решения задач прогнозирования их развития важно определять степень преобразования антропогенным воздействием природных компонентов и природных комплексов в целом. В наиболее простом варианте в качестве критерия оценки степени трансформации ландшафта можно использовать степень нарушения почвенно-растительного покрова (Котельников, 1950, цит. по: Мильков, 1973). Учитывая комплексный характер трансформации ландшафта при антропогенном воздействии, можно определить отдельные стадии (состояния), с учетом обратимости или необратимости изменений. Ф.Н. Мильков делит антропогенные ландшафты по глубине преобразования и обратимости изменений на две группы: антропогенные неоландшафты (вновь созданные, вследствие техногенного изменения рельефа, почв, горных пород, практически необратимые) и измененные (преобразованные) антропогенные ландшафты, в которых изменены отдельные компоненты, чаще всего, растительность (Мильков, 1973). Ранее А.Г. Исаченко выделил следующие качественные стадии антропогенизации ландшафта: 1) условно неизмененные (первобытные) ландшафты - с незначительными косвенными изменениями; 2) слабоизмененные ландшафты - на территориях экстенсивного использования, с обратимыми нарушениями; 3) нарушенные (сильно измененные, в том числе необратимо, ландшафты); 4) преобразованные рационально, в интересах общества (культурные) ландшафты (Исаченко, 1965).
Методологические основы исследования ренатурации почвенно-растительного покрова
Эколого-генетический подход к изучению ренатурационных процессов (восстановления фитоценозов и воспроизводства почв) подразумевает исследование их закономерностей в двух направлениях. Первое - экологическое направление - ориентировано на оценку результатов процессов ресурсовоспроиз-водства в пространственном разнообразии экологических факторов. Так, на примере одного хроносреза сукцессии геосистем (беллигеративные ландшафты, созданные в 1943 г. во время подготовки и ведения Курской битвы) нами исследованы результаты почвообразования в различных комбинациях факторов биоты и материнской породы (биолитокомбинациях). Второе направление - генетическое - определено изучением развития параметров фитоценозов и почвенных свойств во времени. В этом случае объектами исследования служили хроноряды экосистем, образовавшихся на разновозрастных поверхностях. При этом экологическое варьирование почвообразовательного процесса учитывалось при дифференциации массива данных по типам условий почвообразования, а также при выделении и анализе хронорядов биолитокомбинаций.
Метод дневных хронорядов почв достаточно разработан (Геннадиев, 1978; Александровский, 1979; Иванов, Александровский, 1984) и широко используется в изучении почвообразовательного процесса. Довольно точно датируется нуль-момент почвообразования для антропогенно экспонированных субстратов. Среди них наиболее часто используются насыпи курганов, земляных оборонительных валов и прочие историко-археологические объекты (Геннадиев, 1981; Буры-кин, 1982; Александровский, 1983; Рейнтам, 1990; Иванов, 1992; Лисецкий, 1995; Демкин, 1999; Махонина, Коркина, 2002), выбросы почвообразующих пород, произведённые в результате военных действий (Свойства субстрата..., 1991; Хо-лопова, Солнцева, 1999; Гагарина, Шелемина, 2001) отвалы горных пород, сформированные при добыче полезных ископаемых (Келеберда, 1978; Бурыкин, 1982; Почвообразование..., 1985; Гумусообразование..., 1986; Шугалей, 1997 и др.). Изученные таким образом хроносрезы развития почв могут охарактеризовать этапы педогенеза от нескольких десятков до нескольких тысяч лет. Однако при использовании метода хронорядов необходимо иметь в виду его ограничения, отмеченные, например, Ф.И. Козловским (2003): редкость и случайных характер распространения объектов, а также недостаточность хронологическая определенность развития как почвы в целом, так и отдельных свойств. Существуют также примеры постановки многолетних экспериментов по исследованию воспроизводства почв на экспонированной почвообразующей породе (Растворова и др., 1991; Первова, 2001), которые могут внести существенный вклад в понимание закономерностей начальных этапов почвообразования.
В настоящее время комплексный (геоэкологический) подход к исследованию ренатурации геосистем подразумевает синтез не только биоэкологического и почвенного, но и геоморфологического, геохимического, ландшафтного направлений.
Методологическим критерием отбора модельных объектов, обеспечивающим учет экологической вариабельности почвообразования, служил поиск одно-возрастных объектов с максимально выраженным габитусом почв, формирующихся в близких к автоморфным позициям при конкретном сочетании субстратных и фитоценотических условий. Таким образом исключались объекты с от 84 стающим или ускоренным (по внутренней шкале времени) почвообразованием вследствие неблагоприятных воздействий случайных факторов или влияния вещественно-энергетических потоков из смежных геотопов.
Следует отметить, что диагностика условий почвообразования была проведена нами как эмпирически - при исследовании результатов почвообразования и оценке степени выраженности генетических свойств почв, так и «априорным» путем - расчетом энергетических затрат на почвообразование. Однако предпочтение отдавалось первому способу, как более «чувствительному» в оценке конкретных экотопологических условий почвообразования.
Полевые почвенные исследования проводились в соответствии с общепринятой методикой, изложенной в методических руководствах (Почвы, 1998, Полевые и лабораторные методы..., 2001). Полевая диагностика почв осуществлена в соответствии с теоретическими положениями (Классификация и диагностика..., 2004), рекомендациями полевой диагностики почв, изложенными в (Полевой определитель..., 2008). Характеристику почв различных стадий генезиса проводили с использованием стандартных методов физико-химического анализа образцов почв (Аринушкина, 1970; Фомин Г.С, Фомин А.Г., 2001), отобранных в модельных объектах.
Сопоставимость фиксируемых результатов почвообразования в первую очередь была обеспечена обязательным выполнением в исследованных нами объектах условия автоморфности почвообразовательного процесса в автономных позициях рельефа. Кроме того, учитывая, что процессу почвообразования присуща внутренняя стохастичность, мы стремились получить статистически обоснованное представление о морфологических свойствах новообразованных почв. В этой связи мы, помимо использования традиционных почвенных разрезов, изучали почвы в траншеях длиной 2-4 м. Это позволило при определении морфогенетических показателей почвенных профилей создавать большие выборки значений (более 30) и проводить их статистическую обработку на ПЭВМ. Учитывая тот факт, что мощность гумусового профиля почвы находится в тесной связи с плотностью его сложения (особенно при формировании почв на различных насыпях), мы производили пересчет реальных значений совокупной мощности аккумулятивного и переходного гумусовых горизонтов, сопоставляя фактическую и «равновесную» плотности их сложения. Последняя была экспериментально определена для полноголоценовых аналогов исследованных новообразованных почв.
Характеристику биоценозов новообразованных экосистем проводили, описывая состав и структуру растительных сообществ в соответствии с рекомендациями, изложенными (Методы изучения..., 1978). Из морфометрических показателей фитоценозов определяли проективное покрытие, обилие видов, для лесных - возраст, высоту, запас древостоя, сомкнутость крон, ярусность, состояние подлеска. В качестве показателей биологического круговорота в травяных экосистемах использовали: а) запас зелёной фитомассы (методом укосов в середине веге-тационного периода с площадок в 1 м ); б) запас ветоши (выборкой в конце веге-тационного периода с площадок в 1 м ); в) биомассу корней в слоях 0 - 10 и 10 -20 см с разделением на деятельные и недеятельные корни (методом монолитов 10 х 10 см). Указанные показатели определяли в 3-4-кратной повторности.
С учетом изложенных в п. 2.2.1 методологических оснований, в настоящей работе использован метод математического моделирования, основанный на аппроксимации данных о развитии параметров фитоценозов и почвенных признаков во времени нелинейными (ростовыми) функциями. Подчеркнем, что использование нелинейных функций в математическом моделировании процессов почвообразования является закономерным развитием идей (Докучаев, 1949) о неравномерном развитии почв во времени.
Ф.Н. Лисецким (Лисецкий, 2000) обосновано применение ростовых функций для математического описания процесса формирования гумусового горизонта почв во времени. Использование математических моделей формирования ресурсных характеристик фитоценозов и почв позволяет более корректно провести оценку скорости этих процессов, разработать региональные нормативы воспроизводства почв. Алгоритм выведения и анализ уравнений нелинейных зависимостей на основе регрессионных уравнений описан В.М. Шмидтом (1984). Учитывая критику регрессионного метода (Эренберг, 1981), нами проведена обработка оптимизированных массивов данных, удовлетворяющие требованию нормального распределения значений исследуемого признака.
Достоверность различий в морфологической зрелости почв оценена по критерию Колмогорова - Смирнова (Закс, 1976).
Выявление корреляционных, факториальных, классификационных отношений исследуемых объектов и массивов данных проводилось путем использования методов многомерного статистического анализа данных (кластерного, факторного, дискриминантного, канонического корреляционного анализа) с учетом рекомендаций, изложенных в специализированной литературе (Классификация..., 1980; Джефферс, 1981; Факторный..., 1989; и др.).
Воспроизводство ресурсных характеристик травянистых фитоценозов (на примере лесостепной зоны)
При более детальном рассмотрении отдельных фаз развития гумусовых горизонтов черноземов интерпретация отношения Ai/AiB возможна, исходя из представления о механизмах формирования гумусового профиля черноземов, описанных в работе Д.И. Щеглова (1999). Если принять во внимание, что в пределах зоны наибольшей концентрации корней травянистых растений происходит активное гумусонакопление in situ, а вне ее пределов значительную роль играют механизмы элювиально-иллювиального перераспределения гумусовых веществ, то сужение отношения A]/AiB может быть вызвано усилением протекания последних при выходе гумусового горизонта черноземов за пределы зоны активного гумусонакопления. В слое 0-20(30) см гумифицируется до 90 % мортмассы надземных и подземных частей растений травянистых сообществ, имеющих возраст 50-1000 лет.
Безусловно, в первые десятки лет черноземообразования переходный гумусовый горизонт не имеет морфологических признаков иллювиального горизонта и обозначается как А]С, т.е. переходный к материнской породе. Его развитие обеспечивается гумусонакоплением in situ, поэтому неудивительно, что в первые 30 лет почвообразования отношение Ai/AiC имеет значения менее сплошного гумусирования (формирования горизонта А]) почвообразующей породы становится равной и даже превосходящей скорость частичного гумусирования (формирования горизонта А]В). Это различие в скорости формирования гумусовых горизонтов усиливается с постепенным выходом горизонта А]В за пределы зоны активного гумусонакопления. Однако, когда и горизонт А і в значительной степени реализует потенциал этой функциональной зоны, горизонт АіВ получает преимущество для закрепления гумусовых веществ в составе ор-гано-минеральных соединений. Известно, что менее гумусированный субстрат обладает большей способностью к фиксации гумуса (Фокин, 1978), в том числе и его лабильной фракции. Можно сказать, что в 2000-летнем возрасте лесостепных черноземов установленное нами увеличение скорости формирования гумусового горизонта (см. рис. 3.21) связано с возрастанием роли элювиально-иллювиального перераспределения гумусовых веществ, т.е. с увеличением мощности горизонта A]B. Именно этим, на наш взгляд, объясняется сужение отношения А]/АіВ в черноземах 2000-2500-летнего возраста. Если волнообразный характер развития гумусового профиля лесостепных черноземов является проявлением онтогенетической закономерности, то, очевидно, что амплитуда изменения А]/АВ во времени будет снижаться с приближением его значения к 1 (сбалансированному характеру действия механизмов развития гумусового профиля лесостепных черноземов).
Важной составляющей формирования гумусового профиля почв является процесс гумусонакопления. Его количественное выражение может быть получено при оценке запасов гумуса в разновозрастных почвах. Бесспорно, что этот процесс связан с морфологическим развитием гумусового горизонта и его тренд должен описываться аналогичными функциями. В нелинейном оценивании массива данных о запасах гумуса в гумусовых горизонтах лесостепных черноземов возраста 7-2500 лет получены следующие оценки скорости гумусонакопления. В первые сотни лет почвообразования этот показатель изменяется в пределах 0,1-0,6 т/га-год органического вещества (в пересчете на гумус). При выходе почв на
188 тысячелетний этап почвообразования этот показатель снижается до 0,05 т/га год при достижении возраста 2500 лет. Экстраполяция тренда процесса гумусонако-пления на более поздние этапы развития почв позволяет оценить его скорость для полноголоценовых черноземов величиной, близкой к 0,02 т/га-год.
Моделирование еще одной характеристики гумусного состояния черноземов, гумусированности горизонтов А) и А]В, показало наличие сложной зависимости этого показателя от времени почвообразования. Накопление органического вещества в гумусовом профиле и особенно морфологическое развитие гумусового горизонта в ходе онтогенеза почв - преимущественно необратимые процессы. В ходе эволюционного развития почв это, конечно, небесспорно (Иванов, Табанакова, 2003). Но отсутствие перманентно возрастающего тренда изменения гумусированности гумусовых горизонтов почв во времени подтверждается тем фактом, что близкое к климаксному значение гумусированности достигается уже в полувековом возрасте почв.
Динамика относительного содержания гумуса в горизонтах А] и А,В почв возраста 7-2500 лет, развивающихся под разнотравно-злаковой растительностью на лессовидном суглинке в лесостепной зоне, показана на рис. 3.27. Ввиду сложного характера зависимости гумусированности горизонтов А і и АіВ от возраста почв, аппроксимация тренда произведена полиномиальной функцией пятого порядка.
Разброс данных по хроносрезам свидетельствует о большом экологическом варьировании процесса гумусонакопления. Общая тенденция проявляется в росте гумусированности горизонтов А] и А]В в первые столетия почвообразования и снижении - при выходе на тысячелетний этап онтогенеза почв. К 2500-летнему возрасту почв снова прослеживается рост гумусированности горизонтов. В горизонте А] эта динамика выражена более четко, чем в горизонте AiB. В целом прослеживается повторение циклов через 1000 лет, но их амплитуда имеет тенденцию к затуханию.
Изменения во времени гумусированности почв может как иметь зависимый характер (соответственно изменениям энергетических затрат на почвообразование), так и быть следствием онтогенетических закономерностей формирования гумусового профиля. Учитывая тот факт, что последние 2500 лет поч 190 вообразования характеризуются сравнительно небольшой изменчивостью климатически обусловленной эффективности почвообразования, можно предположить, что онтогенетическая составляющая процесса изменения органического вещества почв во времени играет немаловажную роль. В таком случае общая схема процесса формирования гумусового профиля черноземов должна быть дополнена представлением о пульсационном характере гумусонакопления: чередовании периодов аккумуляции гумуса с периодами его перераспределения по профилю почвы. Это предположение подтверждается изменением соотношения мощности горизонтов А] и AiB во времени, а также изменением группового состава гумуса (сужение отношения СГК/СФК) при выходе почв на тысячелетний этап развития.
Морфологическая и функциональная перестройка (изменение режима развития) гумусового профиля черноземов - процессы взаимосвязанные, хотя и не синхронные. По мнению Г.В Добровольского и Е.Д. Никитина (1990), функциональные изменения опережают структурные в ходе онтогенеза почв. Сопоставление динамики морфологической организации гумусового профиля и гумусированности горизонтов А] и AiB лесостепных черноземов (см. рис. 3.26 и рис. 3.27) позволяет сделать вывод о согласованности этих процессов. Так, периоды роста гумусовых горизонтов сопровождаются снижением их гумусированности (вынос и перераспределение гумуса?), в то время как повышение содержания органического вещества происходит в периоды относительного сбалансированного развития гумусового профиля. В целом, отмеченные закономерности подтверждают онтогенетически обусловленную способность почв изменять режимы функционирования в ответ на действие внешних и внутренних факторов.
Существенной проблемой моделирования процесса формирования гумусового горизонта остается неадекватное описание начальных этапов этого процесса уравнениями, полученными для основного массива почвенно-хронологических данных. Анализ исследованных особенностей воспроизводства почв на вновь экспонированных материнских породах и перемещенных поч 191 во-грунтах позволяет сделать вывод о реализации в начальной стадии почвообразования довольно специфических тенденций. Так, эффективность формирования свойств почвы на ранних этапах ее развития в значительной мере обусловлена отношениями в системе «биота - субстрат», что служит исходной причиной поливариантности почвообразования. Многие элементарные почвообразовательные процессы в трендах первичного почвообразования на рыхлых породах и рецентного почвообразования на начальной стадии (возраст почв п -10 лет) протекают намного интенсивнее, чем при выходе геосистем на вековой и тысячелетний этапы развития. Регенерация биоценоза в экотопах с нарушенным почвенно-растительным покровом при условии благоприятности субстрата для поселения высшей растительности также происходит ускоренными темпами. В связи с этим, направленность первичного (на рыхлых породах, «террагенного») и рецентного воспроизводства почв вряд ли может быть описана моделью с константными параметрами. Логике процесса формирования гумусового горизонта черноземов в первые десятилетия, вероятно, более соответствовала бы модель, отражающая постепенное возрастание скорости почвообразования (пропорционально увеличению поступления органического вещества в субстрат в ходе развития фитоценоза, становлению микробиоценоза, почвенной фауны). Затем, после достижения пика, модель должна отражать постепенное снижение скорости почвообразования по мере установления баланса органического вещества в зоне максимального освоения субстрата почвенной биотой. Таким образом, выбор модели опять должен быть сделан из семейства S-образных моделей роста. Исходя из теоретического предположения, что закономерности развития почвы должны сохраняться на всех его этапах, логически обоснованным будет выбор функции Гомперца.
Диагностика регенерационного потенциала почвообразования в антропогенно нарушенных ландшафтах
Организация и ведение эколого-геохимического мониторинга земель в зоне техногенного воздействия горнорудных предприятий предполагает обоснова 322 ниє фоновых и реперных показателей содержания микроэлементов в почвах.
Значительные площади техногеохимических аномалий затрудняют поиск почвенных объектов, которые могли бы быть служить эталонами в оценке величины и темпов аэротехногенной нагрузки на почвенный покров агроландшафтов. Особый интерес в Центральном Черноземье представляет район Курской магнитной аномалии (КМА), где в зоне влияния железорудных комплексов геохимический фон изменен на площади, составляющей, по некоторым оценкам (Геоэкологиче-ские проблемы..., 2003), около 4000 км . В эту зону попадают и почвы особо охраняемых природных территорий (заповедные участки «Ямская степь» и «Лысые горы» государственного заповедника «Белогорье»), что ограничивает их использование в качестве геохимического фона. Тем не менее, свойства этих почв по значительному перечню химических элементов представлены в региональной Красной книге почв (2007).
Для обоснования почвенных эталонов в системе эколого-геохимического мониторинга земель автором в составе научного коллектива кафедры природопользования и земельного кадастра НИУ «БелГУ» в 2005-2009 гг. проведены экспедиционные исследования на территории Старооскольско-Губкинского промышленного района, в ходе которых выявлены ареалы природных (дневных и погребенных), антропогенно измененных и антропогенных почв, потенциально информативных для ведения экологического мониторинга техногеохимического воздействия на почвенный покров агроландшафтов. На исследуемой территории распространены различные подтипы черноземов (типичные, выщелоченные, оподзоленные) и серых лесных почв, в значительной степени подверженных аг-рогенной трансформации. Образцы дневных почв отбирали методом «конверта», в слое 0-20 см, образцы погребенных почв и материнских пород отбирали почвенным буром с глубины 100-120 см. Анализ валового содержания тяжелых металлов (ТМ) проводили рентгено-флуоресцентным методом на приборе «СПЕК-ТРОСКАН - МАКС GV» в лаборатории региональных мониторинговых исследований НИУ «БелГУ».
Обоснование фоновых концентраций ТМ в почвах, не подверженных техногенному воздействию за последние 50 лет, проведено на основе собственных экспериментальных данных по территориям, находящимся вне зоны влияния импактных источников техногенного воздействия Старооскольско-Губкинского промышленного района (Лисецкий, Голеусов, 2006). В качестве фоновых территорий выбраны заповедные участки «Лес-на-Ворскле» (Государственный природный заповедник «Белогорье»), «Стрелецкая степь» (Центрально-черноземный государственный природный биосферный заповедник им. В.В. Алёхина) (табл. 4.7).
Для сравнения представлены также данные о содержании ТМ в почве заповедного участка «Ямская степь», контактирующего с землями Лебединского ГОКа. Представление о геохимическом фоне ландшафтов района Лебединского железорудного месторождения получено по реперным объектам - нижним горизонтам агропочв Губкинского района. Для сопоставления в табл. 4.7. представлены значения средневзвешенных концентраций ТМ в агропочвах всей Белгородской области и территории Губкинского и Старооскольского админи 324 стративных районов в частности (Атлас..., 2005). В агропочвах Губкинского и
Старооскольского районов концентрации ТМ несколько ниже, чем в среднем по области. В то же время они выше, чем в почвах природных эталонов лесостепной зоны - заповедных участков «Лес-на-Ворскле» и «Стрелецкая степь». Этим подтверждается факт антропогенного накопления ТМ в почвах агроланд-шафтов на исследуемой территории.
Более точное представление о фоновых концентрациях этих элементов дают исследования местных почв, которые оказались погребенными в доиндуст-риальный период освоения края (под курганами скифского времени, валами межевания XIX в.) и до начала активного освоения месторождений КМА (под насыпями времен Великой Отечественной войны). Новые информационные возможности представляет использование новообразованных почв и техногенных поверхностных образований карьерно-отвальных комплексов в качестве репер-ных объектов в мониторинге процессов перераспределения техногенных элементов. Эти объекты позволяют провести анализ химического состава техногенных аномалий и степень его трансформации природными регенерационными процессами, в частности, рецентным почвообразованием. В итоге, можно рекомендовать следующие почвенные объекты, перспективные для использования в качестве эталонов для выявления основных тенденций накопления техногенных элементов в почвах зоны влияния горнорудных предприятий
Установлено, что за период с середины XX в. в почвах Губкинского района, в зоне влияния промышленных предприятий происходит накопление ТМ, более интенсивное по сравнению с предшествующим (доиндустриальным) периодом. При этом следует учесть, что в качестве фонового объекта использована почва, функционирующая в лесных условиях, что, как правило, способствует ее самоочищению. Но уровень техногенного воздействия превосходит этот потенциал самоочищения. Так, содержание As выросло на 25,5 %, Си - на 17,1 %, Zn - на 12,6 %, РЬ - на 11,3 %.
Источником поступления ТМ в почвы являются атмосферные осадки, а также техногенные аэрозоли, осаждающиеся из атмосферы на поверхность почв, растительного и снежного покрова. Экспериментальное определение осаждения атмосферных аэрозолей, проведенное нами в 2005 и 2009 гг., показало, что в зимний период в зоне 6-8 км от горнорудных предприятий модуль осаждения пыли составляет 21,95 мг/м сут., а в летний период - 23,24 мг/м сут. В значительной степени поступление аэрозолей в атмосферу связано с пылением горных пород, экспонированных в карьерно-отвальных комплексах. Содержание микроэлементов в этих породах существенно превосходит фоновое.
Рецентное почвообразование, происходящее на техногенном элювии отвалов, приводит к снижению содержания тяжелых металлов в молодых почвах, за счет процессов радиальной и латеральной миграции, включения в биологический круговорот. Это ограничивает негативное воздействие экспонированных горных пород отвальных комплексов на окружающие ландшафты. За 30 лет почвообразования произошло снижение содержания ТМ от 24,5 (Zn) до 68,5 (Ni) %.
Проведенные исследования дают возможность предложить следующую схему использования почвенных объектов для ведения эколого-геохимического мониторинга земель в зоне воздействия промышленных объектов (рис. 4.15).
Использование разновозрастных почвенных эталонов позволяет провести дифференцированную (по историко-хозяйственным этапам) оценку модуля и темпов техногенного воздействия на геохимическую среду территории, вклю 327 чая определение реперных показателей, характеризующих различные состояния («хроносрезы» техногенной трансформации) геосистем. Так, погребенные почвы отражают их «законсервированное» состояние в режиме «остановленного» времени геосистемы.
