Что такое пирогенные почвы

Что такое пирогенные почвы

Воздействие пожаров на почвы не всегда учитывается при исследовании их генезиса, и пожары не относятся к числу основных факторов почвообразования. Несмотря на это, в литературе имеются доказательства как прямых, так и косвенных влияний пожаров на почвы, отмечается важность пирогенных процессов в почвах, а также подтверждается роль пирогенного фактора как важного агента, влияющего на функционирование и развитие почв лесных экосистем [1,5-7]. Растущий интерес к всестороннему изучению влияния пожаров на свойства почв часто упоминается и в зарубежных исследованиях [9,10].

В Западном Забайкалье, в связи с резкой континентальностью климата, пожары ежегодно и на длительное время выводят из равновесия тысячи гектаров леса. Карта-схема фактической горимости байкальских лесов, составленная М.Д. Евдокименко [3], подтверждает, что самой проблемной территорией в Западном Забайкалье является Селенгинское среднегорье. Высокую горимость сосновых лесов автор связывает с населенностью территории и организацией здесь промышленных рубок.

Ранее в регионе выявлена большая пирогенная уязвимость почв под сосновыми типами леса, в отличие почв под березовыми и березово-сосновыми типами леса. на гарях под мертвопокровными сосняками отмечена трансформация морфологических и химических свойств почв [8].

Цель данных исследований – проследить послепожарные изменения свойств почв в сухих сосновых лесах Селенгинского среднегорья, обосновать применимость термина “пирогенность почв” для обозначения ответной реакции почв на влияние пожаров и оценить особенности пирогенности (степень и длительность ее проявления) в почвах.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились на северо-западном макросклоне хребта Цаган-Дабан Селенгинского среднегорья, в бассейне р. Воровка – левого притока р. Уды. Исследуемая территория приурочена к сосновым массивам IV-V классов бонитета и расположена на территориях Заводского и Талецкого лесничеств республики Бурятия. Наблюдения, проведенные с 2008 по 2013 годы в нижней части лесного пояса хребта Цаган-Дабан, не обнаружили лесные территории, растительность и почвенный покров которых ранее не испытали на себе влияние пирогенного фактора. Объектом исследований явились почвы на разновозрастных гарях: дерново-подбуры иллювиально-железистые и полициклические почвы с погребенными профилями дерново-подбуров, которые ранее подвергаются интенсивному пирогенному воздействию и приурочены к делювиальным шлейфам склонов.

С целью изучения ответной реакции почв на воздействие пирогенного фактора на исследуемой территории были заложены пробные площади (ПП) размером 20×25 м на разновозрастных гарях, находящихся на различных стадиях сукцессионного развития растительности. ПП заложены в сосняках, которые пройдены низовыми пожарами средней интенсивности: ПП1-2008 – в сосняке мертвопокровном (пожар 2008 г. – свежая гарь), ПП2-2008 – в сосняке рододендроново-разнотравно-лишайниковом (пожар 1998 г.), ПП3-2008 – в сосняке злаково-разнотравном пожар (2005 г.), ПП2-2009 – в средней части делювиального шлейфа склона крутизной 2-3о в сосняке рододендроново-редкотравном (пожар 2000 г.). на ПП определялись интенсивность и давность пожаров, измерялись мощность и запасы подстилки, определялась водопроницаемость почв, закладывались почвенные разрезы, изучалась морфология почв, отбирались образцы почв на физико-химические исследования. Определения основных физических и химических свойств почв выполнялись общепринятыми методами [2, 4].

Результаты исследований и их обсуждение

В исследуемых сосняках, где влияние пожаров на почвенный покров отсутствовало 10 и более лет, мощность горизонта подстилки (О) достигает почти 2,5 см (табл. 1), что связано с бурным развитием кустистых лишайников рода Cladonia и зеленых мхов.

Мощность и запасы подстилок в дерново-подбурах на разновозрастных гарях (n=10)

Запасы органического вещества превышают 10 т/га. Подстилка вниз по профилю почвы сменяется темно-серым гумусо-аккумулятивным горизонтом AY, мощность которого составляет не более 10 см. Далее располагается переходный горизонт, вмещающий в себя часть горизонта AY и иллювиальный горизонт BF, имеющий буроватые или буровато-охристые тона окраски. Ниже горизонт BF переходит в почвообразующую породу. для минеральной части профиля характерно наличие Fe-Mn примазок. Формула организации профиля имеет вид: O-AY-AYBF-C.

В дерново-подбурах на гарях наблюдаются изменения в строении верхней части профилей и проявляются первые признаки влияния пожаров на почвы. Подстилка неоднородна по степени трансформации составляющего ее материала и содержит многочисленные угольки. Ее мощность сильно варьирует и зависит от давности гари и возраста древостоя. Мощность и запасы подстилок на свежей гари меньше чем на 10-летней, соответственно в 2 и 4 раза. Гумусо-аккумулятивный горизонт отличается меньшей мощностью, более темной окраской в результате прокрашивания его за счет затеков пирогенного органического вещества, наличием многочисленных включений в виде черных пятен и углей разных размеров и ярко выраженной волнистой или кармановидной границей перехода в иллювиальный горизонт. Горизонт BF более уплотнен в верхней его части, имеет меньшую мощность и буровато-охристую окраску с пятнами и вкраплениями, потеками темно-серого и бурого цвета по ходам мелких корней, количество которых увеличивается в нижней части горизонта. Визуально не выявлено воздействие пожаров на нижнюю часть иллювиального горизонта и почвообразующую породу. Обобщенная формула организации почвенного профиля дерново-подбуров на гарях имеет следующий вид: Opir-AYpir-BF-C.

Высокоинтенсивные и часто повторяющиеся пожары на крутых склонах приводят к выгоранию подстилки и верхних органогенных горизонтов почв, способствуют активизации процессов плоскостной эрозии, смыву мелкозема и его отложению в средней и нижней частях делювиальных шлейфов склонов. Формируются своеобразные по морфологическому строению профили полициклических почв. Изученная слаборазвитая полициклическая почва с погребенными профилями дерново-подбура иллювиально-железистого, формирующаяся на ПП5 проявляет устойчивые пирогенные черты. Профиль почвы омолаживается вследствие частых пожаров и процессов плоскостной эрозии почв. В верхней части современной почвы обращают на себя внимание маломощный горизонт подстилки, образованный в результате последнего пожара средней интенсивности уже на этой территории 8 лет назад, и отсутствие самостоятельного иллювиального горизонта ввиду незначительного промежутка времени, прошедшего после формирования современного наноса и недостаточного для формирования ее самостоятельного горизонта BF. В погребенном профиле встречаются два пирогенных горизонта с многочисленными включениями углистых частиц различных размеров. Первый горизонт [AYpir], мощность которого составляет 5-7 см, вскрыт на глубине 7-14 см и содержит многочисленные угли и среднеразложившееся органическое вещество, образованное при деградации подстилки и гумусо-аккумулятивного горизонта. Далее на глубине 56-66 см обнаружен еще один погребенный пирогенный слой [AYpir/BF], вмещающий в себя деградированные гумусо-аккумулятивный и иллювиальный горизонты. Ниже залегает слоистая песчаная почвообразующая порода.

Таким образом, пирогенное воздействие заметно отражается на строении почв, как с развитыми профилями, так и формирующихся полициклических почв и отвечает изменением морфологических свойств не только органических, но и минеральных горизонтов.

Следствием воздействия пожаров на почвы является значительная трансформация некоторых физических свойств верхних горизонтов профилей. В верхних пирогенных горизонтах почвы свежей гари заметный рост показателей объемной (ОМ) и удельной массы (УМ) связан с их уплотнением, а уменьшение значений общей порозности – с ухудшением в них аэрации в результате уменьшения объема влагопроводящих пор. В полициклической почве показатели ОМ и УМ высокие по всему профилю, что связано с периодическим послепожарным смывом и отложением песчаных наносов в средней и нижней частях склонов (табл. 2).

Физические и водно-физические свойства почв на пробных площадях

Источник

Экологические особенности пирогенных почв в ландшафтах рязанской мещеры

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

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.

К освоению выработанных торфяных месторождений следует приступать как можно раньше после окончания добычи торфа и завершения мелиоративного устройства территории. Запаздыванием с рекультивацией приведет к зарастанию площади кустарником, мелколесьем, сорной растительностью Интенсивное рыхление вспаханного пласта содействует проникновению в .

Наибольшие площади нарушенных земель связаны с торфоразработками. При разработке торфяников на топливо, удобрение, подстилку, с целью использования торфа в химической промышленности на месте выработанных торфяников остаются карьеры, покрытые слоем остаточного торфа мощностью до нескольких десятков сантиметров, подстилаемые минеральным грунтом. .

К тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева, масса атомов которых составляет более 50 атомных единиц. Часть из них (медь, цинк, молибден, марганец). Получивших название микроэлементов, играют важную роль в жизни растений. Они входят в состав многих ферментов, являясь катализаторами .

Рекультивация-комплекс мероприятий по восстановлению нарушенных человеком в процессе природопользования и иной антропогенной деятельности свойств почв- земель для последующего их использования и улучшения экологического состояния. Объекты рекультивации: нарушенные земли, то есть территории, на которых разрушены или полностью уничтожены .

Загрязнителем почвы может быть любой физический агент, химической вещество и биологический вид, попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, превышающих свою обычную концентрацию. Основной показатель, характеризующий воздействие загрязняющих веществ на окружающую среду – предельно допустимая концентрация (ПДК). .

Источник