Поиск

Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа
30.10.2015

В исследуемых глинисто-дифференцированных почвах основная масса корней сосредоточена в верхних 5-20 см. Лишь стержневые, "якорные" корни уходят в глинисто-иллювиальные горизонты Вt, В(t). Вывалы в основном нарушают только элювиальную "верхушку" профиля, захватывая материал вплоть до глубины совпадения нескольких пороговых контролирующих условий: границы массового размещения корней, границы между плитчатой и ореховато-призмовидной педной организацией и зоны максимального колебания влажности и промерзания.
0-момент вывала. При вывороте корневой системы дерева образуются своеобразные "земляные стены", имеющие внушительные размеры (табл. 7). Минеральная часть содранного пласта в основном состоит из материала гумусово-аккумулятивных и элювиальных горизонтов Al, A1EL, ELAI, EL, ELf, B(h)f(g), но нередко включает и небольшие фрагменты горизонтов Bt, В(t). Примерно 5% свежих "земляных стен" содержат крупные дециметровые блоки Bt (иногда даже с полуметровыми валунами). Общий объем материала "земляной стены” способен достигать 6 м3, в том числе минеральной массы - 4-4,5 м3. Преобладают объемы соответственно 1,5-2,5 и 1-1,5 м3. Давление, оказываемое "земляной стеной" на погребенную почву, составляет 50-200 г/см2, а по опорным корням -значительно (вероятно на порядок) больше. Такое давление способно вызывать сильные локальные сдвиги почвы, ее уплотнение и рыхление (рис. 16).

Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа
Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа

Вывалившийся древостой создает своеобразный ветровальный валеж, ствол которого на всех участках исследования первые 20-30 лет поднят в комлевой части на 1-1,5 м над поверхностью почвы и попадает на нее уже во второй и третьей фазах разложения. Основное отличие его от буреломного валежа - несколько большая сохранность (на 10-30 лет) за счет замедленного заселения микроорганизмами и растительностью. В остальном воздействие ветровального и ветроломного валежей на почву одинаково. Поэтому и мы их исследовали вместе, опираясь на разработанную В.Я. Частухиным и М.А. Николаевской схему разложения еловой древесины в лесах ETC и уточнения к ней Е.Б. Скворцовой с соавторами.
Ветровальные западины в момент вывала и в первые годы после него во всех исследованных биогеоценозах обычно имеют довольно большие площади и плоское дно с небольшими внутризападинными углублениями на месте выдернутых стержневых корней (табл. 8).
Морфометрия свежих ветровальных западин. Размеры и конструкция свежих ветровальных западин сильно варьируют. Рассмотрим их морфометрию, предварительно выделив три основных варианта по глубине: 1), мелкие - мельче 10 см; 2) неглубокие - 10-20 см и 3) глубокие - глубже 20 см.
Мелкие западины на всех участках исследования малочисленны и составляют от 3 до 16% (рис. 17). Даже вывалы тонкомера с диаметром 15-20 см часто образуют западины глубже 10 см. Мелкие западины имеют небольшие площади (см. табл. 8), вскрывают самые верхние минеральные горизонты и подгоризонты почвы: A1-A1EL, ELA1 (или верхнюю часть ELf1), EL.
Абсолютно преобладают неглубокие западины - по количеству и по общей площади (рис. 17, 18а). Их дно сложено материалом усеченных элювиальных по илу горизонтов: ELf1, ELf или B(h)f(g). По ходам стержневых корней могут нарушаться переходные и глинисто-иллювиальные горизонты EL(f)Bt-Bt, IIEL(f)B-B(t), IIELB(g)-B(t), но площадь таких нарушений обычно не превышает 1 дм2.
Глубокие вывалы происходят значительно реже (см. рис. 17)- при выпадении крупных деревьев. Они. как правило, имеют наибольшие площади, что значительно повышает их долю в общей площади западин (см. рис. 18а). Дно глубоких западин в основном сложено материалом нижней части элювиальных горизонтов ELf2. ELf, B(h)f(g), но часто обнажаются горизонты EL(f)Bt/Bt, IIEL(f)B, IIELB(g) и даже B1t, IIB1(t), иногда на площади до 2 м2 и более. Последнее возможно при выворачивании наиболее крупномерных (с диаметром 60-70 см) глубоко укорененных деревьев, а также при повторных вывалах из уже имеющихся ветровальных западин или с их склонов.
Глубина усечения почвенного профиля существенно меняется и в пределах одной западины (рис. 19a), обычно довольно постепенно убывая к ее периферии. В результате значительную или даже большую часть западины составляют усечения, существенно меньше характеризующей ее глубины, а среди усеченных почв сильно возрастает доля мелко усеченных - за счет усечений глубже 20 см (см. рис 18).
Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа

Наряду с общими закономерностями исследованные биогеоценозы обладают и определенным своеобразием ветровальных западин. Так, сред палево-подзолистых почв на однородных породах "Кологривского леса" западины в среднем несколько глубже и имеют большие площади. Здесь чаще вскрываются горизонты EL(f)Bt/Bt и Bt.
В западинах среди почв на двучленных отложениях ЦЛБГЗ лучше выражено уменьшение глубины их периферийной части (см. рис. 18б). Особенно сильно это проявляется при подстилании суглинистой мореной с очень высокой плотностью сложения в ельнике кислично-щитовниковом. Поэтому при близости распределения частостей разноглубоких западин (см. рис. 17) в заповеднике преобладают мелкие усечения почвенных профилей на глубину до 10 см (53-60%), а в Кологривском заказнике -неглубокие, на 11-20 см (61%).
"Непрерывное" развитие ветровального микрорельефа. Возникшие при выворачивании корневой системы свежая ветровальная западина и "земляная стена" в первоначальном состоянии очень неустойчивы и начинают трансформироваться сразу же после вывала. Идет практически непрерывное (в обычном хрономасштабе рельефа) развитие ветровального микрорельефа.
В западине за год-два заплывают небольшие дециметровые "дырки" от выдернутых стержневых корней. За 5-10 лет сглаживаются склоны котловинок и самой западины Вероятно, это осуществляется посредством подвижек почвенного материала в вязко-текучем состоянии (микроаналоги геоморфологических солифлюкций-конжелифлюкций. Им способствуют условия избыточного увлажнения, преобладающие в погребенном блоке и западине первые 30-50 лет, а также давление, оказываемое на субстрат со стороны "земляной стены" и осыпи, и удары при осыпании отдельных фрагментов "стены". Нами часто наблюдалось оплывание на стенках разрезов переувлажненного материала элювиального горизонта, лучше выраженное в западинах не старше 50 лет Переувлажненный материал переходил в тиксотропное состояние при ударе лопатой.
Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа

Практически сразу с момента выворота начинается осыпание материала "земляной стены". Как правило, оно происходит в западину (ведь и сама "стена" обычно находится в ней). На ненарушенную почву попадают лишь комель и часть содранной подстилки, реже - остатки корней и материал верхних органо-минеральных горизонтов В западину первые 5-10 лет в основном осыпается материал собственно минеральных (элювиальных, реже иллювиальных) горизонтов. Крупные и средние корни отпадают еще только единично. Поэтому насыпь обычно относительно слабо обогащена грубой органикой.
"Прерывистое" развитие ветровального микрорельефа. Буквально в первые же годы после вывала западина начинает зарастать. Зарастание происходит от периферии к центру преимущественно фоновой травянистой и кустарничковой растительностью - в мелких западинах ельников кислично-щитовниковых; мхами - в более глубоких западинах ельников кислично-щитовниковых и во всех западинах ельника-черничника. Оно сопровождается стабилизацией поверхности западин.
На вывалах старше 10 лет замедляется осыпание Оно становится периодичным: осыпаются время от времени отдельные фрагменты по мере отпадения держащих их корней. Причем периоды между осыпаниями достаточно велики, чтобы на вертикальной поверхности "стены" успевали сформироваться травянисто-лишайниково-моховые корочки-дернинки.
На поверхности вытянутой осыпи высотой 10-40 см уже формируется фрагментарная маломощная подстилка с 1-2-сантиметровым гумусовоаккумулятивным микрогоризонтом под ней. Мелкозем искоревой осыпи приобретает интенсивные бурые, палевые, кофейные и охристые тона окраски. Смесь сильно обогащается "грубой органикой" за счет отпадающих корней, успевших возникнуть корочек-дернинок и погребенных подстилок.
Первичная стабилизация ветровального микрорельефа. К 20-30 годам обычно зарастает и стабилизируется вся выположенная часть западины. Только в котловинках остаются почти непросыхающие лужи с сапропелеподобным материалом на дне и вблизи "земляной стены" продолжает осыпаться ее материал.
К 30-50 годам осыпается вся "земляная стена", отпадают ее стоящие корни. Формируется стабильный по площади бугор, покрытый мохово-травянисто-кустарничковым покровом и подстилкой. Его высота и форма еще не устойчивы. В нем пока много растительных остатков: древесины комля и корней, содранной и погребенной подстилки. По мере их разложения бугор постепенно проседает, и высота его уменьшается.
Своеобразную выпуклую линейно вытянутую форму микрорельефа создает валеж (табл. 9). К 30-50 годам он в основном зарастает травянисто-кустарничково-моховой растительностью и с разложением древесины постепенно проседает.
Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа

Формирование устойчивого ветровального микрорельефа Статистические исследования глубин разновозрастных ветровальных западин, выполненные методом сплошного перечета, выявили их стабилизацию, обязательную для всех исследованных биогеоценозов. Между тем обнаруживаются и серьезные различия по времени и закономерностям стабилизации ветровальных западин: с одной стороны, абсолютно-разновозрастного ельника "Кологривского леса", с другой - относительно-разновозрастных ельников ЦЛБГЗ (см. рис. 19I). В абсолютно-разновозрастном ельнике среднестатистическая глубина минеральных поверхностей западин с возрастом практически не меняется. В относительно-разновозрастных ельниках она отчетливо уменьшается с момента вывала до 80-100 лет и приобретает устойчивость только в старых вывалах.
Заметим, однако, что статистически фиксируемое в ельниках ЦЛБГЗ весьма существенное уменьшение глубины ветровальных западин на 5-8 см плохо согласуется с результатами сопряженных исследований их почв. Почвы западин в течение 20-30 лет после вывала покрываются сплошной чисто органогенной подстилкой и, как правило, не имеют признаков значительных внутрипочвенных подвижек. Исключение составляют только почвы внутризападинных понижений-котловинок по местам выдирания стержневых корней.
Скорее всего, уменьшение среднестатистических глубин ветровальных западин после 30-50 лет в основном является следствием не дальнейшего их выравнивания, а относительной разновозрастности и сравнительной молодости ельников ЦЛБГЗ (имеют возраст около 200-250 лет) и обусловленной этим исходно меньшей глубины более старых западин. В пользу данного предположения свидетельствует и то, что глубокие западины крупных вывалов во всех исследованных биогеоценозах хорошо сохраняют свою глубину и после 50-100 лет (см. рис. 19б, рис. 20).
Валеж на всех участках исследования к 80-100 годам практически полностью разлагается (см. табл. 9), и свойственная ему выпуклая форма микрорельефа выравнивается.
Интенсивная усадка ветровального бугра во всех исследованных биогеоценозах завершается к 80-100 годам - по мере разложения древесины. После этого относительно стабилизируется его высота и форма (см. рис. 19II).
Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа
Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа

Морфометрия устойчивых ветровальных бугров. Проведенная морфометрия устойчивых бугров 80-100-летних вывалов показала, что во всех исследованных биогеоценозах мощность насыпи в среднем превышает фиксируемую высоту бугра на 10-20 см (рис. 21а). При этом конкретная мощность насыпи сильно варьирует в пределах одного насыпного блока.
В заповеднике преобладают бугры высотой до 30 см. Старые бугры выше 40 см не наблюдались нигде. Мощность ветровальной насыпи в 54-86% случаев превышает 40 см, в 90% случаев 30 см. Бугры с мощностью насыпи 21-30 см образуются только при вывале тонкомера. С учетом внутреннего разнообразия ветровальных бугров конкретная мощность насыпи имеет довольно выровненный характер распределения от 0 до 60 см (см. рис. 21б).
С мощностью насыпного блока обычно хорошо коррелирует его состав. Маломощные насыпи отличаются высокой органогенностью. В мощных насыпях грубой органики содержится значительно меньше. Она, как правило, бывает сосредоточена во внешней части бугра, занимающей около одной трети его общей площади, а в почвах легкого гранулометрического состава ельника-черничника часто вообще отсутствует.
В 10-40% устойчивых бугров (первая цифра относится к участкам ЦЛБГЗ, вторая - к "Кологривскому лесу") в насыпи отмечаются значительные фрагменты глинисто-иллювиальных горизонтов В, (ПВ(t)), почвы с которыми занимают около 10-15% общей площади бугра. В расчете на площадь всех бугров конкретного участка это составляет 0,5-4%. Примерно в трети из них фрагменты имеют вид крупных дециметровых монолитов (см. рис. 20). В других буграх фрагменты относительно невелики и сильно трансформированы (см. рис. 16а). Мелкие миллиметровые орешки из материала горизонтов В, (В(t)) встречаются во всех или почти во всех мощных буграх.
В большинстве случаев вся площадь насыпи приходится на погребенную западину. Погребение ненарушенной почвы встречается сравнительно редко: в 10-20% ветровальных бугров ельников кислично-щитовниковых. В ельниках-черничниках оно не отмечается вообще. Погребение ненарушенной почвы занимает 10-30% площади насыпи. Таким образом, даже в ельниках кислично-щитовниковых всего 1-6% общей площади бугров имеет погребенную ненарушенную почву.
Сравнение исследованных биогеоценозов выявляет, что ветровальные бугры на однородном покровном суглинке "Кологривского леса" отличаются большей высотой, чем бугры на двучленных наносах ЦЛБГЗ. Бугры на породах легкого гранулометрического состава ельника-черничника имеют в среднем большую мощность насыпи, чем бугры на суглинках в ельниках кислично-щитовниковых.
Наличие небольшого гумусово-аккумулятивного горизонта в фоновой слабодерново-палево-подзолистой почве ельнике кислично-щитовникового ЦЛБГЗ приводит к повышенной органогенности ветровальной насыпи При почти полном отсутствии признаков горизонта инситной аккумуляции гумуса в фоновой слаботорфянистой текстурно-подзолистой альфегумусовой почве ельника-черничника степень органогенности насыпи быстро уменьшается со временем и стабилизируется на невысоком уровне.
Бугры на однородных породах "Кологривского леса" содержат больше нарушенных фрагментов глинисто-иллювиального горизонта Bt, чем бугры на двучленных отложениях ЦЛБГЗ.
"Срок существования" и периодичность образования основных элементов ветровала. Рассмотрим пять основных элементов ветровала: западину, бугор по западине, бугор по ненарушенной почве (фону), валеж и органогенную насыпь - по следующей схеме: периодичность, длительность существования и основные морфометрические варианты для западины и бугра по западине.
Средняя периодичность возникновения ветровальных западин (точнее, прохождения через них почвенного покрова) оценивалась по общей площади западин до 10 и до 100 лет с поправкой на площадь западин, погребенную "земляной стеной" и ветровальной насыпью (табл. 10). При расчетах по площади свежих западин, периодичность в исследованных биогеоценозах колеблется от 350 лет в ельнике кислично-щитовниковом ЦЛБГЗ и 500 лет в ельнике-черничнике до 1250 лет в ельнике "Кологривского леса". При расчетах по площади западин не старше 100 лет средняя периодичность составляет 900 лет в ельнике-черничнике, 1300 - в ельнике кислично-щитовниковом ЦЛБГЗ и 1700 лет - в ельнике "Кологривского леса".
Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа

Расчет по свежим западинам не вполне корректен ввиду малого возрастного интервала при сильной вариабельности ветровала по годам. Расчет по западинам не старше 100 лет дает явно завышенные значения периодичности, так как визуально фиксируемая площадь западин с возрастом заметно уменьшается. В среднем можно принять, что периодичность прохождения глинисто-дифференцированных подзолистых почв исследованных биогеоценозов через ветровальное усечение и западину составляет 500-1000 лет.
Длительность существования ветровальных западин, вероятно, не имеет обязательного возрастного ограничения. Их видимая площадь постепенно сокращается в результате зарастания. Глубина западин несколько уменьшается при разрыхлении верхней части обнаженных выворотов внутрипочвенных горизонтов. Однако даже старые и очень старые западины, старше 100 и 200 лет, обычно сохраняют глубину 10-20 и даже 30 см (см. рис. 20, 22).
Статистический анализ глубины разновозрастных западин показал общую для всех исследованных биогеоценозов стабилизацию среднестатистической глубины всех западин после 80-100 лет и глубоких западин -практически сразу же после вывала (см. рис. 19II). С учетом высокой периодичности ветровала можно предположить сохранение ветровальных западин вплоть до последующих нарушений. В пользу этого предположения свидетельствует крайне неровная поверхность фоновой почвы в исследованных биогеоценозах (см. рис. 22г, д).
Формирование и развитие вывалов и ветровального микрорельефа

Основными морфометрическими вариантами, усечений ветровальных западин являются: 1) мелкие, глубиной до 10 см почвы исследованных биогеоценозов проходят через них со средней периодичностью около 1000 лет на двучленных наносах ЦЛБГЗ и 4000-6000 лет на покровном суглинке "Кологривского леса"; б) неглубокие - 10-20 см, наиболее распространенные, во всех биогеоценозах имеют периодичность около 1500-2000 лет; в) глубокие - глубже 20 см, в основном котловинки, имеют среднюю периодичность около 3000 лет в ельниках кислично-щитовниковых и 10 000 лет - в ельнике-черничнике; г) очень глубокие - глубже 30 см, обычно образуются с обнажением горизонтов EL(f)BtBlt (IIEL(f)B-B1(t)). имеют высокие значения средней периодичности - около 30-100 тысяч лет, что превышает длительность голоцена и делает невозможным прохождение всех почв исследованных биогеоценозов через очень глубокое ветровальное усечение (ими может быть охвачено максимум 10-30% площади).
Допуская случайный характер распределения вывалов по площади лесного участка и распространение современной ветровальной обстановки на голоцен, получаем, что почвы исследованных биогеоценозов за последние 10 000 лет примерно пять раз прошли через ветровальное усечение на глубину до 10 см, пять раз - через усечение на глубину от 10 до 20 см, два раза - через усечение на глубину от 20 до 30 см и почти на 20% общей площади биогеоценозов испытали ветровальное усечение глубже 30 см
Средняя периодичность образования ветровального бугра (насыпи) по западине оценивалась нами по общей площади устойчивых ветровальных бугров 80-100 лет с поправкой на ошибку визуального определения и частичное погребение ненарушенной почвы. В исследованных биогеоценозах она варьирует незначительно и составляет 2-3 тыс. лет.
Статистические исследования высоты разновозрастных ветровальных бугров, созданных взрослым древостоем, выявили характерную для всех исследованных биогеоценозов стабилизацию среднестатистической высоты мощных бугров после 80-100 лет (см рис. 19 II). Встречаются старые и очень старые ветровальные бугры высотой до 40 см (см. рис 20) На наш взгляд, здесь, как и в случае западин, можно предположить сохранение ветровальных бугров вплоть до последующих нарушений. Правомочность подобного предположения подтверждается широким распространением повторного ветровала (см. рис 20) и тем, что на исследованных участках все старые ветровальные бугры выше 20 см заняты взрослым древостоем и, следовательно, имеют перспективу повторного вывала.
Основными морфометрическими вариантами ветровальных бугров по западине являются:
- маломощные бугры высотой до 20 см - почвы исследованных биогеоценозов проходят через них со средней периодичностью в 6-8 тыс. лет;
- мощные бугры высотой в 20-40 см - имеют среднюю периодичность в 5-8 тыс. лет;
- очень мощные бугры, выше 40 см - имеют среднюю периодичность в 6-10 тыс. лет;
- бугры с крупными фрагментами горизонтов B1(IIB(t)) - способны повториться раз в 70-500 тыс. лет, что с учетом длительности голоцена означает факультативный характер подобных ветровальных бугров (насыпей) для таежных подзолистых почв исследованных биогеоценозов.
Допуская случайное распределение вывалов по площади и примерную стабильность ветровальной обстановки в голоцене, получаем, что почвы исследованных БГЦ за голоцен примерно по два раза прошли через ветровальное погребение и бугор высотой до 20 и от 20 до 40 см, один раз - через ветровальный бугор выше 40 см, и примерно 5-10% территории БГЦ погребалось ветровальной насыпью с крупными фрагментами глинисто-иллювиальных горизонтов.
Ветровальный бугор по фоновой (ненарушенной данным вывалом) почве - небольшой по площади и факультативный элемент ветровала, примыкающий к основному бугру-насыпи по западине. Его периодичность, рассчитанная аналогично бугру по западине, составляет не менее 50 тыс. лет, т.е. за голоцен лишь 20% территории исследованных биогеоценозов могли пройти через ветровальный бугор по фону. Являясь частью единого ветровального бугра, он, вероятно, сохраняется вплоть до следующих нарушений. Морфометрические варианты данного элемента вывала мы не выделяли ввиду его относительно малой распространенности.
Периодичность ветровального валежа оценивалась только в "Koлогривском лесу" - по общей площади валежа не старше 20 лет с сохранившимися исходными параметрами стволов и ветровальности древостоя (процент вывалов от общего древесного отпада). Она составляет около 800-1000 лет. Срок существования валежа как элемента ветровала и формы микрорельефа обычно не превышает 80 лет. Зависимость скорости разложения валежа от его размера в данной работе не выявлялась, и морфометрические размеры валежа не выделялись.
Периодичность органогенной насыпи, в основном состоящей из комля, крупных корней и содранной подстилки, оценивалась по ее площади в вывалах 30-50 лет. По нашим оценкам, она составляет 5-10 тыс. лет, т.е. почвы исследованных биогеоценозов могли пройти за голоцен через нее один-два раза. Длительность существования органогенной насыпи несколько больше, чем валежа - преимущественно около 100 лет. Морфометрические варианты органогенной насыпи нами также не выделялись.
Итак, возникающие в результате ветровала западина, бугор по западине и фоновой почве, органогенная насыпь и валеж различаются по сроку существования и периодичности возникновения. Срок существования валежа и органогенной насыпи измеряется 80-100 годами, западины и бугра - их природой не ограничен, вероятно, они сохраняются до следующих нарушений. Периодичность возникновения западин и валежа составляет около 500-1000 лет, бугра - 2-3 тыс. лет, органогенной насыпи - 5-10 тыс. лет.