Поиск

Современные ветровальные циклы почвообразования
30.10.2015

Ветровальный цикл включает в себя период развития таежной экосистемы и почвы от момента ветровала через сукцессии нарушенных вывалом почв вплоть до приближения их к фоновому состоянию окружающих ветровал почв с относительно ненарушенным профилем. Для нашего анализа первоочередным является выделение обратимых и необратимых следствий ветровальных нарушений, а также вкладов основных этапов цикла в общее развитие дерново-подзолистой почвы.
Детализируя схемы Скворцовой-Басевича, мы выделяем шесть принципиальных этапов ветровального цикла:
1) фонового, "доветровального", почвообразования - со времени завершения предыдущего цикла до 0-момента современного вывала;
2) "мгновенных" импактных ветровальных нарушений - 0-момент вывала;
3) доминирования быстрых, преимущественно осыпных и латеральных "непочвенных", процессов формирования ветровального микрорельефа - с 0-момента до 30-50 лет после вывала;
4) активного развития собственно почвообразовательных (радиальных) и латеральных процессов, сочетание которых существенно отличается от процессов, идущих в фоновых почвах - от 30-50 лет до 100-200 лет, возможно и дольше;
5) приближения почвы к состоянию фонового профиля, временной интервал эмпирически не определен;
6) возврата к фоновому состоянию с унаследованием отдельных остаточных признаков ветровальных сукцессий.
Рассмотрим подробнее основные этапы ветровального цикла.
Фоновое "доветровальное" почвообразование. На этом исходном этапе модельная дерново-палевоподзолистая почва с профилем O-Al-ELf-B1-В2-С имеет классическую дифференциацию по морфологическим и аналитическим показателям при мощности элювиального горизонта около 30 см. Предложенная ранее обобщенная схема эволюции элементарных почвообразовательных процессов (ЭПП) этой почвы в голоцене в неявном виде включает в себя многократные ветровальные циклы.
"Мгновенные" импактные ветровальные педотурбации. В результате вывала дерева сразу же возникает характерная ветровальная конструкция. Она создается в 0-момент нового Ветровального цикла мгновенными для почвообразования импактными ветровальными процессами и состоит из западины, “земляной стены” и выпавшего дерева (рис. 3). Западина возникает на месте вывороченной корневой системы и поднятой вместе с ней массы верхних горизонтов. Почвы западины усечены с поверхности: лишены подстилки и горизонтов Al, A1EL, частично - EL. Наиболее распространенная глубина усечения 10-20 см, площадь - 10-20 м2. Дно западины обычно сложено материалом элювиальных горизонтов, сильно отличающимся от мелкозема гумусово-аккумулятивных и аккумулятивноэлювиальных горизонтов: а) плотностью сложения - превышение в 1,3-1,5 раза; б) удельной поверхностью, содержанием гумуса и обменных катионов - уменьшение в 2 раза; в) агрохимическими и микробиологическими показателями.

Современные ветровальные циклы почвообразования

Ветровальная "земляная стена" создается вывороченной корневой системой, которая "встает" субперпендикулярно дневной поверхности и удерживает фрагменты содранных горизонтов. Высота стены часто превышает 2-3 м, объем поднятой массы - 2-3 м3. Вместе со стержневыми корнями могут сдираться и подниматься на стену крупные блоки элювиально-иллювиальных и глинисто-иллювиальных горизонтов. Стоящая вертикально ветровальная стена - образование совершенно не типичное для обычного понимания почвы. Она крайне неустойчива и сразу же после вывала начинает фрагментарно и спорадически обваливаться и осыпаться.
Ствол вываленного дерева вблизи "земляной стены", как правило, не сразу падает на поверхность почвы, а сначала зависает над ней, опираясь на субперпендикулярно стоящие корни и сучья. Непосредственно еще не входя в состав почвы, валеж уже начинает регулировать ее функционирование, изменяя количество поступающих в почву осадков, тепла, растительного опада и т.п. В ненарушенных еловых лесах запасы валежа в 2-3 раза превосходят общие запасы подстилки.
Формирование ветровального микрорельефа и почвенного комплекса. Первые 30-50 лет после вывала в местах основных нарушений доминируют быстрые непочвенные процессы осыпания-обваливания материала "земляной стены", формирующие бугор, и поверхностного латерального сноса мелкозема с бугра в западину. В результате их деятельности постепенно формируется устойчивое сочетание вытянутых западины и бугра -своеобразная форма ветровального микрорельефа. В структуре почвенного покрова она представлена особым предельным структурным элементом почвенного покрова - ВПК. Спустя 20-30 лет после вывала на поверхность почвы ложится ствол и в почвенном покрове возникает новый элемент ветровального комплекса - валеж, с древесным субстратом почвообразования.
Западина постепенно, за 30-50 лет, покрывается мохово-кустарничковой растительностью, подстилкой-очесом и стабилизирует свою поверхность Почвенный профиль западины приобретает вид болотно-подзолистой почвы и сильно отличается от ненарушенных почв окружающего фона меньшей мощностью элювиальной части профиля, ее оглеением и частичным отбеливанием, развитой потечной гумусированностью.
В результате осыпания материала ветровальной "земляной стены" образуется ветровальный бугор. Осыпание происходит частично в западину, частично на поверхность ненарушенной фоновой почвы. К 30-50 годам оно завершается, бугор зарастает и приобретает сравнительно устойчивые очертания. Почва ветровального бугра на протяжении 30-50 лет имеет сложное двухэтажное строение (см. рис. 3). Ее верхний "этаж" -ветровальная насыпь, состоит из почвенного материала, но почти не имеет почвенной стратификации (только фрагменты горизонтов подстилки и аккумуляции гумуса), отличается рыхлостью, гетерогенностью, высоким содержанием грубых растительных остатков. Нижний "этаж" представляет собой погребенную почву - усеченную (бугор на западине) или полнопрофильную (бугор на фоне). Таким образом, оба "этажа" принципиально отличаются по строению, но объединены функционированием: общими потоками тепло-, влаго- и массообмена, которые обычно охватывают верхнюю часть почвенного профиля (0,5-2 м) в целом.
Во внешней, внезападинной, части бугра часто выделяется зона преимущественной аккумуляции органогенного материала: корней и комля вывалившегося дерева, содранной подстилки. Эту зону продолжает линейно вытянутый элемент валежа, в котором упавший ствол дерева образует на поверхности фоновой, практически ненарушенной почвы своеобразный линейный горизонт из твердой древесины. К 40-50 годам древесина в основном переходит в состояние красной гнили.
Дальнейшее развитие ВПК и длительность сохранения последствий ветровала. Дальнейшее развитие ВПК после этапа 30-50 лет исследовано значительно слабее, поэтому рассмотрим его в более обобщенном виде. С возрастом вывалов возрастает воздействие на них со стороны окружающего биогеоценоза. Постепенно закрываются ветровальные "окна" в древесном пологе. Вывалы зарастают травянисто-кустарничковой растительностью, близкой коренной парцелле. К фоновому режиму приближается увлажнение. Становятся слабее выраженными отклонения от фонового почвообразования.
В ветровальных западинах старше 100 лет уменьшается мощность подстилки. Часто развивается поверхностный горизонт аккумуляции гумуса in situ Ослабляется выраженность оглеения. Отбеленный после вывала усеченный элювиальный горизонт снова приобретает палевую окраску.
Двухэтажная почва бугра (насыпь «а погребенной почве) постепенно развивается в направлении стирания своей двухэтажности. Выраженность следов ветровальной педотурбации постепенно ослабевает. Спустя 100 лет после вывала стабилизируется высота ветровальных бугров (рис. 4). В почвенных профилях бугров постепенно стираются границы между субпрофилями насыпи и погребенными почвами. В горизонтах, формирующихся из насыпи, еще хорошо сохраняются макро-, мезо- и микронеоднородности, связанные с ветровальной педотурбацией. Интегральные морфологические и аналитические характеристики таких горизонтов еще довольно сильно отличаются от фоновых. Вместе с тем уже образуется единый почвенный профиль, который выделяется из фона: а) сильно повышенной мощностью гумусовоаккумулятивных и элювиальных горизонтов; б) наличием внутрипрофильного ветровального контакта, маркируемого сохранившимися фрагментами органогенных и гумусовоаккумулятивных горизонтов. В верхних горизонтах погребенной почвы сохраняется остаточное оглеение и осветление. Общая площадь устойчивого ветровального микрорельефа в пределах одного ВПК часто составляет около 10 м2 при перепаде высот порядка первых дециметров (см. рис. 4).
Современные ветровальные циклы почвообразования

Валеж, постепенно разлагаясь, через 60-80 лет после вывала приближается по своим размерам и свойствам к крупным фракциям подстилки. В столетних вывалах он практически полностью гумифицируется. Воздействие валежа на строение почвенного профиля пока изучено слабо.
При доминировании явных тенденций эволюции почв старых вывалов к фоновой почве остается открытым вопрос о длительности сохранения последствий ветровала в микрорельефе, строении почвенного профиля, составе и сложении почвенной массы, сочетании почвенных режимов и процессов, т.е. вопрос о степени обратимости ветровального цикла почв.
В литературе распространено представление о принципиальной замкнутости ветровального цикла почв - полном восстановлении их исходного состояния. Эта концепция наиболее четко сформулирована в обобщающей монографии по вывалам: «Нарушения почвенного покрова, вызванные ветровалом, рано или поздно стираются ... под действием агентов почвообразования ... восстанавливается зональная почва с "ненарушенным" профилем». Известны, однако, факты очень длительного сохранения отчетливых следов ветровала в микрорельефе и в строении почвенного профиля, которые противоречат этой точке зрения.
Анализ собственного материала и литературных данных показывает широкое распространение хорошо выраженного ветровального микрорельефа столетнего и более старого возраста. При этом размеры ветровальных бугров в основном стабилизируются спустя 100 лет после вывала, а глубины ветровальных западин - в равнинных условиях - фазу же после него. Из многих работ известно преимущественное заселение бугров жизнестойким древостоем, что позволяет предположить широкое распространение повторного ветровала на старых ветровальных буграх. В таком случае правомочна гипотеза импактного вторично-ветровального "выравнивания" старых ветровалов, без этапа полного восстановления исходной фоновой почвы.
Преобладание в большинстве современных лесов Центра ETC относительно ровной, ненарушенной поверхности является нейтральным признаком и не может односторонне свидетельствовать в пользу концепции постепенного полного выравнивания ветровального микрорельефа. Почти вся эта территория в историческом прошлом прошла через пашню и связанное с ней выравнивание лесного микрорельефа. Во вторичных лесах (после зарастания пашни) проявлению ветровала препятствовали широко распространенные выборочные рубки и рубки ухода, которые применялись даже в наименее нарушенных лесах - "государевых дачах". В то же время в естественных лесах, длительно не нарушаемых природными катастрофами и деятельностью человека, ровную поверхность почвы найти чрезвычайно сложно (наши полевые наблюдения в еловопихтовых и хвойно-широколиственных лесах ЕТС, Средней Сибири и Дальнего Востока). Ветровалы в таких лесах широко распространены, и последствия их проявляются практически по всей площади.
Ветровальные почвенные комплексы обычно выделяются по ветровальному микрорельефу. Признано, что пока он выражен, почвы вывала существенно отличаются от фона. Вместе с тем в строении почвенного профиля отчетливые последствия ветровала могут сохраниться и после выравнивания отчетливого ветровального микрорельефа. Известны описания крупных, дециметровых блоков ветровального нарушения, сохранившихся на глубине от 0,5 до 1,5 м спустя столетия и даже тысячелетия после вывала - уже при выровненной поверхности почвы. Широко распространены в лесных почвах с ровной поверхностью мелкие ветровальные нарушения в строении профиля и сложении отдельных горизонтов.
На зарисовках почвенных траншей с вывалами, выполненных при исследовании последних, или просто при изучении пестроты почвенного покрова, обычно наблюдается заметное опускание в месте вывала нижней границы элювиального горизонта. Независимо от механизма углубления (ветровальные нарушения или послеветровальная, активизация ЭПП), трудно предположить его полную обратимость чисто почвенными процессами.
Изложенный материал позволяет, на наш взгляд, говорить о: а) приближении почв ВПК в ходе их развития к строению фоновой почвы, б) возможности сохранения ветровального микрорельефа вплоть до следующих импактных нарушений, в) наличии необратимых последствий ветровальных педотурбаций в строении почвенного профиля.
Ветровальные и послеветровальные изменения почвенных режимов. Ветровальные педотурбации, формирование и развитие нового микрорельефа сопровождаются сильными изменениями почвенных режимов, что пока отражено в литературе весьма фрагментарно. Анализ известной схемы водного баланса таежной почвы показывает, что в условиях сомкнутого древесного полога 20-30% атмосферных осадков задерживается кронами деревьев, и 30% транспирируется древесным пологом. Исходя из этого, можно полагать, что созданное вывалом окно в древесном пологе должно в 1,5-2 раза увеличить поступление в почву осадков, значительно повысить осветленность и прогреваемость поверхности почвы. В результате заметно возрастают ее влажность и температура, что подтверждается данными многочисленных исследований своеобразия водного и теплового режима лесных полян.
Благодаря избыточному дополнительному притоку в ветровальной западине часто застаивается вода. В нее активно сносится опад. Разложение растительных остатков в условиях застойно-промывного увлажнения сопровождается значительным снижением ОВП и подкислением среды. В почвах бугра концентрируются большие запасы "грубого" органического вещества: содранная подстилка, корни, древесина. Они значительно теплее фоновых почв, отличаются повышенной водопроницаемостью. Сильным подкислением среды сопровождается разложение валежа с 5,2-6 до 3-3,4 водного pH. Содержание зольных элементов в гниющей древесине возрастает при этом в 2-10 (35) раз. В почву под валежом поступает больше, чем в фоновую, воды и водорастворимого углерода. В ее верхних 10 см наблюдается статистически достоверное подкисление среды и возрастает содержание фульвокислот. Подобные изменения почвенных свойств и режимов позволяют предположить активизацию в ВПК процессов почвообразования.
Ветровальная активизация процессов почвообразования. Благодаря дополнительному избыточному увлажнению ветровальных западин боковым поверхностным и внутрипочвенным стоком в них активизируются элювиально-глеевые процессы. Быстро формируется мощная оторфованная подстилка. Оглеивается и дополнительно отбеливается подзолистый горизонт. В песчаных почвах отчетливо активизируется альфегумусовая миграция. Влияние ветровала на кислотный гидролиз, трансформацию глин, лессиваж, партлювацию и другие процессы с большим "характерным временем" в литературе не выяснено. Можно предположить их активизацию, исходя из изменения режимов и усиления элювиально-глеевых и альфегумусовых процессов.
В ветровальной насыпи идут активное разложение растительных остатков, усадка минерального мелкозема. Происходит местная гомогенизация материала из фрагментов разных горизонтов и. подгоризонтов. Постепенно развивается плитчатая педная организация, характерная для элювиальных горизонтов подзолистых почв. Под подстилкой постепенно зарождаются фрагменты новых горизонтов и субпрофилей. Общее направление их развития обычно соответствует верхнему субпрофилю фоновой почвы, но общая стратификация насыпи молодых бугров еще резко от него отличается. В погребенной под насыпью почве быстро разлагается подстилка. Уплотняются, теряют комковатую структуру и гумус горизонты A1-A1EL. Подзолистый горизонт развивается подобно своему аналогу в западине: дополнительно оглеивается и отбеливается.
Глубину значимого воздействия на почвенный профиль послеветровальных изменений режимов установить очень трудно ввиду: а) высокой исходной вариабельности вывалов; б) отсутствия в почвенном профиле резких границ, обусловленных послеветровальными изменениями режимов, и в) чрезвычайно высокой пестроты почвенного покрова в лесу. Известно, что вторичные последствия ветровала способны охватывать весь элювиальный горизонт почв западин и даже вызывать его углубление в почвах легкого гранулометрического состава.