Сохранение почв

Максим Бобровский

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Пущинский естественно-научный институт

Пущино

Пароходы на Волге

Пыльная буря

Засуха – явление не климатическое, а почти исключительно почвенно-ландшафтное, созданное по большей части земледельческой практикой. Степные районы Черноземья ранее были в несколько раз более облесены, и климат там соответственно не был таким сухим и неустойчивым; и причина губительности засух для полеводства – в уничтожении лесов, естественных водоёмов и в распашке массы земель.

(Докучаев, 1892)

усиленное испарение степных вод, а вероятно, и увеличение ночного охлаждения степи

уменьшение количества почвенной влаги и понижение уровня грунтовых вод

чрезвычайное усиление весенних и дождевых водополей в открытой степи и реках

уменьшение количества летнего запаса вод высыхание и уничтожение одних источников и заплывание

других интенсивный, все более и более увеличивающийся смыв

плодородных земель со степи загромождение речных русел, озер и всякого рода западин

песком и иными грубыми осадками усиление вредного действия восточных и юго-восточных

ветров, знойных, иссушающих растительность и источники летом, и холодных, нередко губящих плодовые деревья и посевы зимой и ранней весной

(Докучаев, 1892)

План преобразования степной части Европейской России для борьбы с засухой

1) Регулирование стока больших и малых рек 2) Мероприятия по борьбе с эрозией3) Регулирование водного режима в открытой

степи путем создания системы прудов, живых изгородей, лесополос

4) Разработка норм рационального землеустройства, соотношений площади пахотных земель, лесов и вод

5) Выработка рациональных приемов обработки почвы

Особая экспедиция по испытанию и учету различных способов и приемов лесного и водного хозяйства в степях России

Василий Васильевич Докучаев

Экспедиция по исследованию источников главнейших рек Европейской России

Алексей Андреевич Тилло

Александр Сергеевич Ермолов

Типичный (нормальный) почвенный профиль

дискретные горизонты, параллельные поверхности

Source: http://www.ctahr.hawaii.edu/mauisoil/a_profile.aspx

«Калужские засеки»

Процессы формирования морфонов

Биогенное оструктуривание (агрегация)

Гумусообразование

Гумусонакопление

Разрушение агрегатов

Морфоны – горизонты – профиль

Перегруппировки материала

Педотурбации

Перенос

Морфологический анализ почвенного профиля

Профиль почвы - мозаика вложенных морфонов, образование которых - результат экзогенных и эндогенных воздействий на экосистему

Анализ материала, заполняющего формы (морфоны) разного возраста => последовательность и интенсивность различных воздействий

(Пономаренко, 1990, 1999)

Морфоны

Факторы образования морфонов

Форма

Материал

Биотические факторы

Деятельность педофауны

Рост/отмирание корней

Вывалы – ветровальные почвенные комплексы (ВПК)

Антропогенные факторы

Пожары (выжигание)

Распашка

Выпас

Рубки

Строение почвенного агрегата: I – микроагрегат; II – макроагрегат; а – глинистая частица; b – бактерия; с – бактериальный гель + гуминовые кислоты; m – микроагрегат; р – минеральная частица; tv – растительная ткань; с + h – цементирующее вещество и гифы; h – гифы; v – поры

(по Дюшофуру, 1998)

Копролитная (А) и некопролитная (Б) структура почвы (по Чекановской, 1960)

Кучка копролитов(по Чекановской, 1960)

3D – реконструкция систем ходов дождевых червей.

Желтые – ближние, синие – дальние ходы(Bastardie et al., 2005)

Погружение белых фаянсовых пластинок в почву роющей деятельностью червей (рис. Михаэльсена, по Чекановской, 1960)

Поперечный разрез через большой камень, пролежавший на поросшем травой поле 35 летАА – исходный уровень почвы (по Дарвину, 1936)

Биогенная сортировка частиц: мелкие частицы выносятся наверх, крупные погружаются вниз

Схема развития сусликовины

Мозаика почвенных структур в нижней части профиля чернозема, сформированная роющей деятельностью сусликов

а – масса корней в луговой степи (по Шалыту, 1950) б – распространение гумуса в кротовинном черноземе (по Панкову, 1921) в – интенсивность роющей деятельности сурков (Кучерук, 1963)

По оси ординат: глубина профиля

Роль животных в почве

1) Измельчение органического материала (включая растительные остатки и экскременты животных)2) Формирование агрегатной структуры почвы3) Изменение физических свойств почвы – улучшение аэрации, водопроницаемости; увеличение биологической емкости почвы4) Перемещение почвы и органического вещества, локально увеличивающее контрастность почвы, а на протяженных временах ведущее к ее перемешиванию и гомогенизации - биогенная сортировка почвенных частиц - перенос с глубины на поверхность разнообразных

химических веществ и минералов - перенос в нижние горизонты гумусированного материала

Схема заполнения корневых ходов в плотном субстрате при высокой (А) и низкой (Б) доле копролитов в заполняющем материале

Формирование корневого хода в почве за счет роста корня, уплотнения почвы вокруг корня

А Б

Образование ветровальных почвенных комплексов (ВПК)

I. Без движения ствола назад («типичный», непровернутый)

II. С движением ствола назад (провернутый)

(по Пономаренко, 1999)

Ветровальный микрорельеф сохраняется сотни лет

ВПК ели сибирской, 450 лет после ветровала, Урал

Следы ветровалов в почве

Протяженные комплексы структур в виде слоев, котлов, чаш

Следы ветровалов в почве

Полосчатые структуры

Пятнистые структуры («плавающие комки»)

Погребенный материал (угли, подстилка и др.)

Глубина современных и «погребенных» западин вывалов

0

40

80

120

160

40 60 80 100 120 140 160 180

Глубина современных западин, см

Чи

сло

, шт.

А

0

10

20

30

40

50

40 60 80 100 120 140 160 180

Глубина старых (погребенных) западин, см

Чи

сло

, шт.

Б

Заповедник «Калужские

засеки»

При естественном развитии лесной экосистемы происходит:

усложнение структуры (увеличение структурного разнообразия) почвы на макроуровне – увеличение мощности органогенных горизонтов и разнообразия их структурына микроуровне – формирование многопорядковых агрегатов, увеличение порозности и сложности организации порового пространства

увеличение видового богатства, экологического и биологического разнообразия почвенного населения увеличение числа компонентов детритных цепей трофической сети

увеличение плодородия / продуктивности почвы

КарелияМурманская обл.

Вологодская обл. Коми

Калужская обл. Тамбовская обл.

Воронежская обл.Костромская обл.

При естественном развитии лесной экосистемы

Лесной растительности свойственна аккумуляция гумусовых и зольных веществ

Мощность органогенного (органического, органо-минерального) горизонта соответствует глубине оборачивания почвы биотой

Фоновая глубина оборачивания почв биотой в бореальных и умеренных лесах 60–80 см, в максимуме до 2 м

Gap-мозаика

Разновозрастные ветровалы

Высокое видовое разнообразие растений

Активность почвенноймезофауны

Модер/мулль гумус

Нет подзолистого илиэлювиального

горизонта

…

Слабо развита gap-мозаика

Единичные или массовые ветровалы

Низкое видовое разнообразие растений

Низкая активность почвенной мезофауны

Мор/модер гумус

Подзолистый илиэлювиальныйгоризонт

…

На протяжении долгого времени основные факторы сукцессий экосистем и почв в их составе:

антропогенные природные катастрофические

Осветление почвенных частиц на выбросе крота

Диаметр дождевых капель - от 0,25 до 6 мм, в среднем 3 мм Диаметр почвенных агрегатов в обработанной пылеватой почве - менее 1 мм

Скорость капли 0,75 м/спри ветре - в 2,75 раза больше

Дорога во ржи. Шишкин, 1886

Осенняя пахота в Малороссии. Клодт, 1875

Микрофотографии поверхностного почвенного слоя (0–100 мм). Слева- почва после распашки, справа – та же почва после дождя. Видно

формирование поверхностной коркиРазмер фотографии 35 мм x 28 мм (Pagliai et al., 2004)

Схема осаждения частиц из суспензии в вертикальных каналах миграции (по Пономаренко, 1990)

1 – осветленная пыль

2 – ил

3 – коллоиды

4 – каналы миграции I порядка

5 – каналы миграции II порядка

Мобилизация, перенос и осаждение частиц без их разрушения = лессиваж

Поверхность почвенных агрегатов, покрытая:

бурыми гумусовыми натеками

белесой присыпкой минеральных частиц

Различные варианты почв с дифференцированным профилем

«Когда то, что находится на поверхности, благодаря весу и просачиванию влаги непрерывно стремится вниз, в недра земли, то почва, лежащая на два-три фута глубже, оказывается более жирной, чем на поверхности. И потому следует нижние слои поднимать выше, а верхний углублять путем вспашки или вскапывания, чтобы сила земли, уравновешенная и объединенная в одну [общую] силу, двигала бы и оплодотворяла корни растений».

Из трактата «О растениях» Альберта Великого, XIII в.

Пахота и сев. Англосаксонский календарь, конец X – начало XI в. Британский музей, Лондон

На протяжении тысячелетий считали, что основной способ избежать потери питательных веществ – их возвращение с помощью вспашки Идеал обработки почвы - глубокая вспашка с оборотом пласта почвы

Пахота. Миниатюра из Люттрельской псалтири, ок. 1340 г. Восточная Англия, Британский музей, Лондон

Интенсивность лессиважа определяется

- активностью поверхностных процессов, «поставляющих» дезагрегированный материал

- состоянием внутрипочвенных каналов миграции

По мере заполнения подпахотной толщи число каналов миграции и их размер уменьшаются.

Роль лессиважа уменьшается, усиливается оглеение

Воздействие распашки на почву

интенсификация процессов минерализации и трансформации органического вещества

гумификация, агрегация

дегумификация, дезагрегация

удобрение

деградация окультуривание

Примеры макроагрегатов из размерной фракции 4–12.5 мм: (a) свежий выброс (b) и старый выброс (биогенные агрегаты); (c) округлый

агрегат («промежуточный»); (d) угловатый агрегат (физикогенный).Все агрегаты – из почвы одного постоянного пастбища

(Puleman et al., 2005)

Мобилизация веществ при обжиге

Удобрение (зола)

Мобилизация веществ при механической

обработке

Удобрение (навоз)

«Отдых» при свободном развитии

экосистемы

Подсечно-огневое земледелие

Переложное земледелие

Паровое земледелие

Факторы поддержания плодородия почвы

Системы земледелия

3-5 лет

10-20 лет 10-20 лет

озимые яровые парудобрение каждые 9-12 лет

подсека ‘росчисть’ лес

расчистка пашня лес

расчистка пашня

Подсечно-огневая система

Переложная система

Паровая система (трехполье)

25->120 лет

Исторически подавляющее господство экстенсивного земледелия в лесной зоне европейской России

Преобладание мнения о подсечно-огневой системе, как наиболее выгодной для земледельца, до середины XX века

Недостаточное унавоживание ← недостаток скота ← малая площадь лугов

Отсутствие настоящего трехполья либо другой интенсивной системы

Вологодская область

Калужская область

Использование человеком огня – около 2 млн. летв Европе – 500 тыс. лет

Средняя частота пожаров в большинстве регионов бореальной зоны – от 20 до 60 лет

Воздействие пожара на почву единовременное поступление в почву

огромных количеств элементов, в течение многих лет накапливаемых в растенияхнаиболее сильно увеличивается концентрация Mn, Fe, Ca, K, P

контрастный термический режим, колебания кислотности стабилизация и осаждение части элементов

мобилизация и последующее осаждение органических веществ, соединений Fe, Al, Mn

~ альфегумусовый процесс

Воздействие пожара на почву

разрушение органических и минеральных веществ под действием высоких температур

поверхностное осветление почвенных частиц

разрушение органо-минеральных почвенных агрегатов в суглинистых почвах,

органо-минеральных и минеральных пленок на поверхности кварцевых зерен в песчаных

почвах

разрушение органических и минеральных частиц почвы ~ подзолистый процесс

Угли в почве

Формы углей

Дисперсные, угольная пыль

Окатанные (трансформированные на поверхности почвы)

Пластинчатые (типичные древесные угли)

Окатанные углиОкатанные угли индицируют обнажение

поверхности почвы на протяжении сравнительно долгого времени

Присутствие в профиле только окатанных углей – отсутствие педотурбаций в течение длительного времени после пожара

Мы можем найти окатанные угли под подстилкой или под основаниями стволов деревьев

Сосновый бор. Шишкин, 1895Сосновый бор. Мачтовый лес в Вятской губернии. Шишкин, 1892

Корабельная роща. Шишкин, 1898 Корабельный лес. Шишкин, 1885

Признаки пожаров в старовозрастных темнохвойных лесах Европейской России

Ельники или пихто-ельники Признаки пожаров

высокотравные мелкотравные кустарничковые, зеленомошные

следы пожаров на стволах сосен

нет редко обычно

форма пластинчатые пластинчатые и

окатанные

пластинчатые, окатанные, дисперсные

встречаемость единичные или

скопления единичные или

скопления скопления или

слои угли в почве

локализация в отсыпке

старых ВПК

иногда под подстилкой,

обычно в отсыпке

старых ВПК

обычно под подстилкой (до 7 слоев),

в отсыпке старых ВПК

Костромская область

В Финляндии в XVIII-XIX веках- через подсеку прошло 85% территории- оборот рубки при подсеке сократился с 40 до 25 лет- урожайность зерновых на лесных росчистях уменьшилась в 2 раза: с сам-12 – сам-15 до сам-6 – сам-9

Подсека в Иасалми, восточная Финляндия Б. Линдхольм, 18 в.

Площадь обрабатываемых земель достигла максимума за всю историю

Limbourg, 1415

X–XIII века - время «великих расчисток» и «великой распашки» в лесной зоне Европы

Сельское население части центра и северо-запада Европейской России

XIV в. 5–6 млн.чел.

конец XX в. 2,5 млн.чел.

Карта А.Б.Савинецкого

Плотность аборигенного сельского населения в центре Европейской России

1900 – 50 чел./кв.км1970 – 15 чел./кв.км2010 – 1,5 чел./кв.км

Калужская обл. , XXI в.

Ландшафты Центральной России Миниатюры из “Альбома Меверберга”, 1661

Лесистость территории Московской области:

XV-XVI в. – 6-25%XVIII в. – 50%конец XIX в. – 25-30%XXI в. – 50%

Малонарушенные почвы

Старопахотные почвы, в последние столетия – интенсивные рубки

Старопахотные почвы, свободное развитие леса в последние столетия

Времена формирования горизонтов могут составлять десятки – первые сотни лет

Гор. E ~30 лет

Гор. A~200 лет

Гор. A ~270 лет

При отсутствии педотурбаций и малой интенсивности поверхностных процессов на протяжении сотен лет строение профиля может не претерпевать существенных изменений

защита поверхности почвыминимальная обработка, совмещение операций, “no-till”уменьшение физической нагрузки на почвуукрывание, мульчирование, покровные культуры, последовательные посадки

севооборот, смешанные посадки удобрение

«Не продавайте солому и не снимайте ее с поля, если только она вам не нужна, чтобы крыть дома; если ее снимете, то потеряете больше, чем приобретете»

Вальтер Хенли, Трактат о хозяйстве, XIII в.

План преобразования …

1) Регулирование стока больших и малых рек 2) Мероприятия по борьбе с эрозией3) Регулирование водного режима … путем

создания системы прудов, живых изгородей, лесополос

4) Разработка норм рационального землеустройства, соотношений площади пахотных земель, лесов и вод

5) Выработка рациональных приемов обработки почвы

животное население растительность

почва

хозяйство человека

климат

ключевые виды

растений и животных

Формирование оптимального биоценотического покрова

Регулирование состава ключевых и подчиненных видов

«инженеров экосистем»

Регулирование климатаРегулирование водного режима

Спасибо за внимание!

maxim.bobrovsky@gmail.com