Экологические особенности пирогенных почв в ландшафтах рязанской мещеры

УДК 631.4

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Правительства Рязанской области в рамках проекта проведения научных исследований  («Динамика восстановления пирогенных почв в Рязанской области») – проект № 14-04-97515, – а также Министерства промышленности, инновационных и информационных технологий Рязанской области.

И.Ю. Давыдова, д-р биол. наук, профессор, РГУ имени С.А. Есенина; Ю. А. Мажайский, д-р с.-х. н., профессор, РГАТУ имени П. А. Костычева; Е. А. Давыдов, канд. физ.-мат. н., ОИЯИ (г. Дубна)

Почвы, пирогенез, южная тайга, полесье, ландшафты, почвенные свойства, экология почв, качество окружающей среды

Восстановление почвенно-растительного покрова в Криушинско-Шехминском долинно-зандровом ландшафте.

Слева: выгоревшие смешанный лес и торфянисто-подзолистая глеевая песчаная почва (ноябрь 2010 г.).

Справа: вторичный вейниково-осоковый луг с участием березы на пирогенной торфянисто-подзолистой глеевой песчаной почве (июнь 2014 г.).

Рассмотрена проблема восстановления почвенного покрова после природной катастрофы, связанной с лесными и лесо-торфяными пожарами в Рязанской Мещере.  Изучение пирогенных почв было выполнено в мещерских ландшафтах полесского типа – долинно-зандрового и зандрового ландшафтов южной тайги. Исследования касались пожароопасных дерново-подзолистых, болотно-подзолистых и болотных торфяных почв, характерных для природной зоны южной тайги.  Описаны морфологические особенности пирогенных почв в сравнении с их зональными почвенными аналогами. Отмечена положительная динамика процесса самовосстановления растительности и почв после опустошительных пожаров. Установлено своеобразие экологии пирогенных почв, обусловленное существенным изменением их химических свойств. Оценено качество окружающей среды в отношении возможного постпирогенного загрязнения почв высокоопасным экотоксикантом бенз(а)пиреном. Рассмотрены экологические особенности пирогенных почв как предпосылка самовосстановления почвенного покрова пожароопасных территорий в полесьях.   Сделан акцент на необходимости реконструкции водных мелиоративных систем в Рязанской Мещере для активизации восстановления почвенно-растительного покрова после пожаров.

Введение

Ландшафты Рязанской Мещеры относятся к территориям с весьма высокой степенью пожароопасности, чему во многом способствует распространение здесьсосновых боров и торфяных болот.

Природную ситуацию в Рязанской Мещере следует считать потенциально пожароопасной, особенно в меженный период и во время засух, а также из-за чрезмерного мелиоративного осушения. Отрыв капиллярной каймы грунтовых вод от торфяной залежи приводит к возгораниям [3].

Лесные и лесо-торфяные пожары в Рязанской Мещере могут иметь характер природных катастроф, как это было, например, в 2010 и 2011 годах. Нельзя исключить возникновение таких опустошительных пожаров и в дальнейшем, что обусловливает актуальность разностороннего изучения их последствий.

Пожары не только нарушают или уничтожают природные экосистемы, изменяют ландщафтообразующие процессы, но и являются причиной возникновения новых пирогенных форм почвенно-растительного покрова. Поэтому исследование пирогенных почв, которые образуются in situ после выгорания органогенных горизонтов почв южно-таежных ландшафтов, например, дерново-подзолистых, болотно-подзолистых и болотных почв, вызывает вполне закономерный интерес. Во-первых, это касается возможности изучения постпирогенной эволюции почвенного покрова до климаксного уровня в ландшафтах полесского типа. Во-вторых, оценка динамики естественной проградации пирогенных почв важна в практическом отношении, например, для решения вопроса о принудительной реабилитации почвенно-растительного покрова для восстановления лесных и других ресурсов.

Цель исследований, результаты которых приведены в данной статье, связана с изучением экологических особенностей пирогенных почв в ландшафтах Рязанской Мещеры.

Дискуссионность данной темы обусловлена поиском ответа на вопрос о необходимости проведения лесовосстановительных работ на пожарищах. В настоящее время почти повсеместно проводят посадки сосны на гарях. Но является ли это целесообразным, если сохраняется пожароопасность всей территории, и восстанавливаемые леса также будут подвержены пожарам? Может быть пирогенные почвы обладают потенциалом естественного, а не искусственного восстановления нарушенных экосистем и связанных с ними лесных и рекреационных ресурсов? Наконец, есть ли возможность повышения активности процессов самовосстановления почвенно-растительного покрова на гарях?

Поэтому при формировании задач исследования были учтены перспективы  снижения пожароопасной ситуации в Рязанской Мещере, а также оптимизации природообустройства в этом лесном и заболоченном регионе. Основная задача касалась изучения пирогенных почв под вторичной растительностью на гарях в морфологическом и вещественном отношениях, что важно с экосистемных позиций. Кроме этого, были выполнены исследования по оценке качества окружающей среды на гарях из-за возможного накопления весьма опасного экотоксиканта бенз(а)пирена. Таким образом, были охвачены наиболее значимые, по мнению авторов, экологические особенности пирогенных почв.

Следует отметить, что ранее авторами была изучена возможность радиоактивного загрязнения почв после пожаров для комплексной оценки экологического риска [5].

Объекты и методы исследования

Для изучения экологических особенностей пирогенных почв были выбраны два типа ландшафтов, которые являются обычными для полесий, включая Рязанскую Мещеру. Это Келецкий ландшафт зандровых равнин и Криушинско-Шехминский ландшафт долинно-зандровых равнин, где распространены хвойно-широколиственные и хвойные леса, а также торфяные болота разного типа (верховые, переходные, низинные).

При выборе данных ландшафтов, во-первых,  были учтены их классификационные признаки, предложенные Г. Н. Анненской и др. (1983) [1].

Во-вторых, для указанных ландшафтов характерно наличие обширных гарей, связанных с катастрофическими лесными, лесо-торфяными и торфянвыми пожарами во время сильных летних засух 2010 и 2011 годов. Следует отметить, что пожары большей или меньшей интенсивности здесь были и ранее.

Исследования проводились непосредственно после пожаров 2010 г., а также по прошествии четырех лет.

Обследование пирогенных почв было осуществлено на двух участках. Первый из них расположен в окрестности населенного пункта Криуша Клепиковского района и связан с зоной лесо-торфяного и торфяного пожаров в Криушинско-Шехминском ландшафте долинно-зандровых равнин. Второй участок находится в окрестности населенного пункта Ласково Рязанского района и относится к зоне лесного и лесо-торфяного пожаров в Келецком ландшафте зандровых равнин.

Для обоих участков характерно наличие пожароопасных болотных и болотно-подзолистых почв, содержащих очес и торф, а также легко возгораемых участков леса – сосновых боров на дерново-подзолистых почвах с  горизонтом лесной подстилки.

До пожаров в 2010 г. и 2011 г. данная территория представляла собой лесистую местность, частично заболоченную, где происходило формирование почвенного покрова в соответствии с природными условиями южной тайги и наличием обширной озерно-аллювиальной равнины, сложенной преимущественно песчаными отложениями [2].

Во многих местах пожары в 2010 г. практически уничтожили почвенно-растительный покров, однако через четыре года после пожаров на гарях наблюдается интенсивное восстановление растительности и почв (рис. № 1).

Поэтому особенности почвообразования, обусловленные пирогенезом, можно проследить в морфологии формирующихся почв (табл. № 1). Именно эти пирогенные почвы являются объектами данного исследования.

Экспериментальная часть

Очевидно, что экологические особенности пирогенных почв во многом обусловлены резким изменением вещественного состава среды под влиянием выгорания верхних почвенных горизонтов, обогащенных органическим веществом.

Для определения химических свойств пирогенных почв (рН, зольность, подвижные форма азота, калия, фосфора и др.) были отобраны образцы с глубины 0-5 см, т. е. из верхних, формирующихся in situ после пожаров, новых почвенных горизонтов. Выбор показателей химических свойств в целом позволяет охарактеризовать экологическое своеобразие этих почв.

Результаты химического анализа почвенных образцов представлены в таблицах № 2 и 3.

Очевидно, что все пирогенные почвы значительно отличаются по химическим свойствам от непирогенных аналогов (контроля). Причины установленных различий связаны с выгоранием органогенных горизонтов, и, как следствие, остаточным накоплением зольных элементов. Поэтому в верхних горизонтах пирогенных почв показатель зольности увеличивается до 85-95 %, что намного выше зольности торфа или  лесной подстилки.

В золе содержатся соединения щелочных и щелочно-земельных металлов, что обусловливает повышение реакции среды. Действительно, рН пирогенных почв намного выше контроля. В непирогенных почвах значения этого показателя составляют 2,8-3,0 единиц рН, что соответствует сильнокислой среде, которая характерна для болотных, болотно-подзолистых и дерново-подзолистых почв южной тайги. В пирогенных почвах рН среды может возрастать до 6,3-6,4 (нейтральная среда), что свойственно, например, серым лесным почвам и черноземам лесостепной зоны. Подщелачивание пирогенных почв наблюдается в течение нескольких лет после пожаров.

С золой связано накопление таких биогенных элементов, как калий и фосфор. Содержание подвижного калия и фосфора в пирогенных почвах увеличивается на два порядка по сравнению с контролем, т. е. для каждого элемента – от очень низкого уровня (менее 10 мг/кг почвы)  до повышенного уровня (100-140 мг/кг почвы).

С выгоранием органогенных торфяных и торфянистых горизонтов минеральное основание болотных и болотно-подзолистых почв, обогащенное соединениями железа,  оказывается на дневной поверхности, что обусловливает повышение содержания этого элемента в верхней части пирогенных почв. Поэтому соединения двух- и трехвалентного железа присутствуют в значительном количестве, в десятки раз превышая контроль.

При пожарах сгорает органическое вещество почвы, включая соединения азота. Однако биологические процессы на гарях и, следовательно, органическая часть почвы активно восстанавливаются. Процессам регенерации растительного покрова способствуют такие факторы, как повышение реакции среды и содержания зольных элементов в почве, снижение альбедо и возрастание радиационного баланса земной поверхности на гарях, увеличение увлажнения почвы под влиянием грунтовых вод. В итоге, пирогенные почвы через несколько лет после пожаров по содержанию общего и нитратного азота мало отличаются от непирогенных аналогов.

Как известно, одним из продуктов горения является бенз(а)пирен. Это весьма опасный экотоксикант, устойчивый в окружающей среде. Целесообразно предположить загрязнение пирогенных почв бен(а)пиреном. Однако через четыре года после пожаров содержание данного экотоксиканта в почвах было меньше предельно-допустимой концентрации (0,02 мг/кг почвы), что можно объяснить самоочищением пирогенных почв.

Результаты и выводы

Таким образом, полученные результаты исследования позволяют прийти к заключению, что почвенный и растительный покров на гарях в ландшафтах Рязанской Мещеры обладают высокой способностью к самовосстановлению даже после катастрофических пожаров.

Экологические особенности пирогенных почв начинают формироваться после пожаров и сохраняются в течение нескольких лет. В отличие от природных почвенных аналогов, пирогенные почвы обладают высокой зольностью, меньшей кислотностью, большим содержанием подвижных  форм биогенных элементов и другими благоприятными эдафическими свойствами. Поэтому гари быстро зарастают, что, в свою очередь, стимулирует самовосстановление почв. На фоне активных биологических и почвенных процессов не наблюдается остаточного загрязнения пирогенных почв бенз(а)пиреном.

Регенерация экосистемных функций почвенного покрова на гарях намного опережает восстановление морфологии почв, пострадавших от пожаров или полностью уничтоженных ими. Если болотные торфяные и торфянисто-подзолистые почвы являются почвами преимущественно органогенными, то пирогенные почвы, образовавшиеся in situ, следует считать минеральными почвами. Пирогенные горизонты, сформировавшиеся при выгорании органической части горизонтов А₀^т и А₁, имеют окраску от темно-серой до черной во влажном состоянии, характеризуются непрочно комковато-порошистой структурой, заметно опесчанены, очень мажущиеся, весьма обогащены железом. Мощность пирогенных горизонтов чрезвычайно мала (несколько сантиметров), несмотря на существенную первоначальную мощность торфяного или торфянистого горизонтов (от нескольких дециметров до 1-2 метров). Минеральное оглеенное основание болотных и болотно-подзолистых почв оказывается на практически дневной поверхности, из-за чего в верхней части пирогенных почв много охры.

В целом, экологические особенности пирогенных почв долинно-зандрового и зандрового ландшафтов Рязанской Мещеры свидетельствуют о наличии определенного потенциала естественного восстановления нарушенных экосистем и связанных с ними лесных и рекреационных ресурсов. В этой связи, нельзя считать целесообразным проведение лесовосстановительных работ на обширной площади. Вероятнее следует реконструировать водные мелиоративные системы в Рязанской Мещере для регулирования условий увлажнения почв и, тем самым, активизации самовосстановления почвенно-растительного покрова на гарях. Кроме того, оптимизация водного режима мещерских ландшафтов позволит снизить пожароопасность этой территории.

Литература

1. Анненская Г.Н., Мамай И.И., Цесельчук Ю.Н. Ландшафты Рязанской Мещеры и возможности их освоения. М., Изд-во МГУ, 1983 г. 246 с.
2. Атлас почв Рязанской области / И.Ю. Давыдова, Ю.А. Мажайский, Е.А. Давыдов, Л.В. Беркасова [и др.] ; под ред. И.Ю. Давыдовой. /Научное издание. ISBN 5-88006-456-5. – Рязань, 2006.
3. Зайдельман Ф. Р., Шваров А. П. Пирогенная и гидротермическая деградация торфяных почв, их агроэкология, песчаные культуры земледелия, рекультивация. – М.: Издательство МГУ, 2002. – 168 с.
4. Качество почв, оценка земель, инвестиции в Рязанской области / И.Ю. Давыдова, Е.А. Давыдов, Л.В. Беркасова; Ряз. гос. ун-т им. С.А. Есенина, 2010. – 135 с.
5. Методика проведения противопожарных агромелиоративных мероприятий на торфяных и нефтезагрязненных почвах Рязанской области / Ю.А. Мажайский, И.Ю. Давыдова, Е.А. Давыдов, В.Ф. Евтюхин. – Рязань : ФГОУ ВПО «Рязанский агротехнологический университет им. П.А. Костычева», 2010. – 79 с.

_______________________________________________________________________

1. Yu. Davydova, dr. biol. sciences, professor, Russian State University named for S.A. Yessenin; Yu. A. Mazchayskiy, dr. agricultural sc., professor, RSATU named for P. A. Kostychev; Eu. A. Davydov, kandidat of physical-math. sc.., JINR in Dubna)

ECOLOGICAL FEATURES OF PYROGENIC SOILS IN RYAZAN MESHCHERA LANDSCAPES
Soil, pyrogenesis, southern taiga, polesie, landscapes, soil properties, soil ecology, environmental quality

The problem of soil recovery  after natural disasters related to forestry and forest-peat fires in the Ryazan Meshchera. The study of pyrogenic soils was performed in southern taiga sand and peat plain landscapes. Research focused fire soddy-podzolic, bog-podzolic and peat bog soils, characteristic of the natural areas of the southern taiga. Morphological features of pyrogenic soils in comparison with their zonal soil analogues were described. Positive dynamics of the natural regeneration process for the vegetation and soil after the devastating fires was found. The originality of ecology pyrogenic soil caused a significant change in their chemical properties was set. The evaluation of the environmental quality in connection with risks for pyrogenic soil contamination of benzo(a)pyrene was made. The environmental features of pyrogenic soils as a prerequisite for the healing of the soil cover in Polesia fire areas were discussed. The emphasis on the necessity of water reclamation system reconstruction in Ryazan Meshchera to enhance the recovery of soil and vegetation after fires was proposed.

Для добавления перевода в избранное необходимо авторизоваться.

Авторы

• И. Ю. Давыдова
• Ю. А. Мажайский
• Е. А. Давыдов

 «10» октября 2014 г.

Рецензент   В. Ф. Евтюхин, профессор кафедры экономики сельского хозяйства ФГБОУ ВПО “Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева”, доктор биологических наук, технический директор ООО «Мещерский научно-технический центр».

      «15» октября 2014 г.