Агрохимия, 2020, № 12, стр. 11-18

ВВЕДЕНИЕ

Торфяники и торфяные почвы – часть почвенного покрова, имеющая очень большое значение не только в сельскохозяйственном производстве, но и для биосферы в целом. Одна из основных причин этого – существенные запасы углерода в таких почвах, которые в значительной степени определяют их плодородие, но при осушении и пожарах могут оказать негативное влияние на климат нашей планеты за счет выбросов СО₂ в составе парниковых газов [1]. Вместе с тем систематические пожары осушенных аллювиальных торфяных почв, в отличие от пожаров на болотах с естественным режимом, часто сопровождаются полным выгоранием торфа до минеральной породы. В результате на дневную поверхность выходит подстилающая торф толща сильно оглеенной породы, а почвы замещаются преимущественно минеральными пирогенными образованиями, отличающимися полной или частичной потерей плодородия, кардинальной сменой состава фитоценоза [2] и снижением его продуктивности [3]. Возникающие при этом минеральные и торфяные вторичные деградированные продукты исходно полнопрофильных торфяных почв принято называть пирогенными образованиями. При глубинном проявлении пирогенной деградации, как правило, имеет место практически полная потеря плодородия почвы.

В целом изучению состояния почв, подвергшихся воздействию пожаров, посвящено относительно небольшое количество публикаций. При этом отмечено их влияние на характер аккумуляции пирогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в почвах как депонирующих средах ландшафта [4–6], а также проанализированы основные тенденции к изменению агрономических свойств торфяных почв при пожарах [7–11]. Подчеркнуто, что пирогенные образования приобретают специфические химические свойства. Например, в золе по сравнению с исходным торфом содержание подвижных форм практически всех макро- (Са, Мд, К, Mn, P и др.) и микроэлементов, а также тяжелых металлов (Pb, Cd, Си и др.) может возрастать [12–14]. Содержание органического вещества при этом снижается [15, 16].

В результате естественного элювиирования, а также развития эрозионных процессов, химические элементы из пирогенных образований интенсивно вымываются. Данный процесс в дальнейшем приводит к резкому обеднению верхнего слоя питательными веществами. Установлено, например, что только за один год, следующий за пожаром, содержание Са, Mg, K, Mn и других элементов в золе снижается на 30–40% [3]. При таких потерях уже через 2–3 года нехватка калия для растений становится критической.

Величины рН поверхностного слоя непосредственно после пожара являются сильнощелочными – 10.5–11.6 [7], что обусловлено высокой концентрацией в золе углекислого калия (поташа). Однако после паводка и промывки атмосферными осадками рН золы снижается до 8.0–8.5. Эти величины связаны с повышенным содержанием в золе углекислых солей щелочноземельных металлов. В отличие от исходных торфяных почв пирогенные образования характеризуются ухудшением физических свойств [17], причем величины их набухания уменьшаются почти в 4 раза. В целом гидрофизические свойства пирогенных образований приближаются к свойствам минеральных субстратов.

Цель работы – оценка состояния аллювиально-болотной иловато-торфяной осушенной почвы, подвергшейся пирогенезу, на основе показателей продуктивности фитоценоза, содержания элементов питания и компонентного состава ее органического вещества.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Территория исследования расположена в лесостепной зоне Нижегородской обл., в Правобережном агропочвенном районе, где доминируют светло-серые лесные легкосуглинистые и среднесуглинистые почвы. Почвообразующими породами в этой зоне почти повсюду являются лессовидные суглинки. В условиях избыточного увлажнения в результате поемного процесса, при участии влаголюбивой растительности и ограниченном доступе воздуха в этой зоне также формируются аллювиальные болотные иловато-торфяные почвы, характеризующиеся частичным разложением отмирающих растительных остатков и накоплением торфа [18]. Параллельно происходит оглеение минеральных горизонтов с образованием в итоге 2-х слоев – торфяного (Т) и глеевого (G) [19]. Одним из основных условий их использования в качестве сельскохозяйственных угодий является проведение осушительных мелиоративных работ, что позволяет оптимизировать водно-воздушный режим, физические и агрохимические свойства таких почв при нивелировании избыточного увлажнения.

Данное исследование проводили в пойме р. Кудьма, на территории, осушенной в 60-е годы ХХ столетия системой дренажных каналов. Длительное время осушенные участки поймы использовали в кормовых севооборотах и в качестве сенокоса, а на рубеже XX–XXI вв. из-за сложных организационно-экономических условий активная сельскохозяйственная деятельность здесь была приостановлена, участок начал зарастать сорняками и мелколесьем и практически полностью перешел в категорию “залежь”. При этом водоотводные каналы на участке частично сохранили свое назначение в качестве осушительной мелиоративной системы, что явилось одной из причин того, что в первую очередь воздействию пожаров и возгоранию подверглись именно осушенные участки поймы, а не заболоченные неосушенные. Наиболее интенсивные и продолжительные пожары на данной территории отмечены в 2010 г., существенные локальные возгорания на отдельных участках отмечали в 2013–2014 гг., что продолжается по настоящее время. По данным визуального осмотра участка, порядка 80–90% его территории (площадь участка 63 га) имеют следы пирогенного воздействия на почву.

Учитывая, что при торфяных пожарах их негативное воздействие распространяется по глубине почвенного профиля, на участке было заложено несколько разрезов с полным описанием мощности отдельных горизонтов, их физического состояния, типичных признаков и особенностей материала, из верхних горизонтов которых были отобраны образцы для проведения агрохимических анализов.

Для сравнения почвенных разрезов и установления типа исходной фоновой почвы, а также определения мощности генетических горизонтов, включая определение мощности торфяного горизонта, был заложен фоновый разрез (разр. № 1). Данный участок возгоранию не подвергался, представлен залежью 10–12 лет с естественной разнотравно-злаковой растительностью.

На почве, подверженной пирогенезу, судя по внешним признакам, с разной степенью его проявления, заложено 3 почвенных разреза.

Разрез № 2 заложен на территории с понижением дневной поверхности на 1.0–1.5 метра, без признаков заболачивания. Проседание поверхности вызвано пожарами, имевшими место в период не позже 2010 г. Травостой изрежен, представлен в основном крупными злаками с преобладанием вейника.

Разрез № 3 заложен на территории с выраженными признаками заболачивания, вызванными, вероятнее всего, снижением уровня дневной поверхности из-за пожаров 2013–2014 гг. и сгорания торфа до глубины 70–80 см. Глеевый горизонт здесь обильно насыщен грунтовыми водами. Как отмечено в работе [20], горизонты почвы, подвергшиеся пирогенезу, обладают водоотталкивающими свойствами, что приводит к застою атмосферных осадков и способствует заболачиванию территории. Присутствует болотная растительность. В связи с выгоранием торфа на территории наблюдается волнообразное прогибание поверхности. В составе растительности наряду с вейником присутствует осока.

Разрез № 4 заложен практически на месте пожаров последнего года (2017 г.), здесь от торфяного горизонта осталось примерно 5–7 см глубины профиля. Поверхность почвы крайне не выровнена, причем как из-за физических нарушений при работе тяжелой техники во время тушения пожаров, так и по причине выгорания торфа, сопровождавшегося просадками поверхности с дальнейшим заболачиванием. Фитоценоз представлен злаками и осокой.

Агрохимический анализ почвенных проб выполнен с использованием методов, рекомендованных ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова [21]. Легкоразлагаемое органическое вещество (ЛОВ) определяли методом флотации в тяжелой жидкости по Ганжаре–Борисову [22], содержание гумуса – по ГОСТ 26213-84 (Определение гумуса по методу Тюрина в модификации ЦИНАО), содержание общего углерода почвы – методом Института торфа [23]. Суть последнего заключается в том, что почву заливают смесью концентрированной серной кислоты и бихромата калия и подвергают кипячению в течение 5 мин, вследствие чего экстрагированию подвергается практически все органическое вещество за исключением свежих растительных остатков. Данный метод применим к почвам различной степени оторфованности. Статистическая обработка аналитических данных выполнена с использованием метода дисперсионного анализа [24].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Морфологическая характеристика изученных почв приведена в табл. 1, урожайность биомассы растений на пробных площадках участка в месте закладки почвенных разрезов – в табл. 2.

В целом можно отметить, что доминирующий фитоценоз пойменных почв в основном представлен многолетними злаковыми травами семейства мятликовые (Poaceae): на фоновой территории это чаще всего лисохвост (Alopecúrus) и канареечник тростниковидный (Phalaris arundinacea), на пирогенных почвах – низкокачественные многолетние злаки: вейник тростниковый (Calamagróstis arundinácea), вейник наземный (Calamagróstis epigéjos), пырей ползучий (Elytrígia répens), щучка (Deschámpsia) и др. По берегам каналов ирригационной системы имеется древесно-кустарниковая поросль, состоящая, чаще всего, из ив и берез. Фитоценоз береговой линии представлен в основном жесткостебельным сорным травостоем, использование которого в кормовых целях затруднено и даже невозможно.

Учет количества наземной биомассы растений показал, что пожары на осушенных торфяных почвах крайне негативно отражаются на их продуктивности. Например, в среднем на участках, подверженным пирогенезу, снижение массы растений в сравнении с естественными их аналогами, превышало 50%. Отмечено также, что со временем на ранее осушенных аллювиально-болотных иловато-торфяных почвах происходило некоторое восстановление растительности. Результаты показали, что урожайность трав на участке, характеризуемом разр. № 2 (8 лет после пожара) была существенно больше, чем на участке, характеризуемом разрезом № 3 (4 года после пожаров), хотя и не достигала уровня фонового варианта.

Результаты анализа основных агрохимических показателей верхнего слоя фоновой аллювиально-болотной иловато-торфяной почвы свидетельствовали о том, что почва характеризовалась близкой к нейтральной реакцией среды, очень низким содержанием подвижных соединений фосфора и калия (табл. 3).

Установлено, что в торфяной почве после пожаров наблюдали тенденцию к увеличению содержания подвижных соединений фосфора и калия (относительно контроля – на 50%, но абсолютное содержание этих питательных элементов было очень низким). Отмечено также повышение величины показателя рН_KCl, т.е. происходила нейтрализация среды. Причиной некоторого повышения плодородия и нейтрализации среды могло быть накопление золы в обугленных горизонтах пирогенного профиля, что отмечали отдельные авторы [14].

В таких условиях для снижения негативного воздействия последствий торфяных пожаров на окружающую среду, а также для восстановления верхнего плодородного слоя почвы необходимо проведение специальных мероприятий, реализуемых в рамках рекультивации деградированных земель, среди которых должны присутствовать мероприятия не только технического этапа, но и биологического. На восстановление же растительности и флористического состава торфяников требуется не менее 3–5 лет [2, 25].

Органическое вещество аллювиальных болотных почв, в соответствии с генезисом, представлено оторфованными, не потерявшими анатомического строения растительными остатками, слабо минерализованными и частично гумифицированными. Кроме этого, в его состав входит легкоразлагаемое органическое вещество (ЛОВ) и собственно гумусовые вещества. Результаты определения компонентного состава органического вещества почвы приведены в табл. 4.

Валовые запасы общего углерода почвы в образцах торфяных горизонтов, не подвергавшихся возгоранию, велики и изменялись в диапазоне от 40 до 50%, что в среднем составило 45% к массе почвы. В целом это свидетельствовало о нормальном естественном почвообразовании и ненарушенном сложении почвенного профиля. В горизонте А0 (дернина, слой 0–4 см) запасы углерода органической массы почвы были несколько меньше, чем в торфсодержащем слое, что, по сути, есть следствие наличия в дернине большой массы живых корней (углерод свежего растительного вещества этим методом анализа не определяется).

Пирогенная аллювиальная болотная почва отличалась от естественных почв резким снижением содержания общего углерода во всей толще, подвергшейся возгоранию. По свидетельству [26], пожары на торфяниках оказывают значительное влияние на их углеродный баланс, что будет определять восстановление экосистем в дальнейшем. Например, в дернине пирогенной аллювиально-болотной иловато-торфяной почвы величина С_общ составляла 19.1% – это в 2 раза меньше, чем содержание общего углерода в дернине фоновой почвы. Содержание общего углерода в торфяных почвенных горизонтах пирогенных почв в сравнении с естественной (фоновой) почвой снизилось в 3 раза. Последнее можно объяснить не только результатом возгорания, но и следствием усиления минерализации за счет приобретения оторфованными растительными остатками гидрофобных свойств, что, например, отмечено в работе [21].

Осушенные аллювиальные болотные почвы характеризуются более интенсивным гумусообразованием в силу изменившегося водно-воздушного режима, поэтому, в отличие от аналогичных почв с естественным избыточным увлажнением, они содержат большее количество гумусовых веществ. Содержание углерода гумуса в торфяных горизонтах почв, не нарушенных пожаром, составляло 18.9%, в образцах почв пирогенных участков его содержание было в 5.8 раза меньше (среднее содержание – 3.28, с диапазоном от 2.30 до 3.82%) в сравнении с естественными почвами. При этом установлено, что на долю углерода гумуса в составе общего содержания органического вещества в почвах естественного состояния приходилось 40–49%, в пирогенных – от 15 до 26%. Разница между общим углеродом и углеродом гумуса при этом обусловлена присутствием в общем количестве углерода почвы не только углерода собственно гумусовых веществ, но и углерода неспецифического органического вещества (лигнинов, целлюлозы, в т.ч. детрита).

Важной характеристикой органического вещества почв является ЛОВ, в состав которого входят полуразложившиеся, потерявшие анатомическое строение и частично гумифицированные растительные остатки. ЛОВ принадлежит важная роль в обеспечении растений питательными элементами, в образовании почвенной структуры, в оптимизации физических свойств почв и в целом в формировании почвенного плодородия. В аллювиальных болотных осушенных почвах содержание легкоразлагаемого органического вещества меняется от 1.7 до 2.2%, что значительно больше по сравнению с зональными серыми лесными почвами [27]. В пирогенных почвах, вследствие того, что бóльшая часть органического вещества уничтожена пожаром, количество ЛОВ в почве конкретного участка (разр. №№ 2–4) снизилось во всех почвенных горизонтах, затронутых возгоранием, в среднем в 4 раза.

ВЫВОДЫ

1. Аллювиальные болотные иловато-торфяные осушенные почвы обследованного земельного участка, подвергшиеся возгоранию, утратили до 40–50% торфяной толщи, что отразилось на морфологическом строении профиля, “проседании” пирогенных участков на 60–70 см по сравнению с участками, не затронутыми пожаром. Это привело к застою влаги в образовавшихся замкнутых понижениях и их заболачиванию.

2. Установлено, что содержание подвижных соединений фосфора и калия в пирогенных почвах относительно фоновых почв естественного сложения повысилось на 50%, но абсолютное содержание этих питательных элементов осталось очень низким. Отмечено также повышение величины рН_KCl, что свидетельствовало о процессе нейтрализации среды.

3. Пирогенный фактор существенно отразился на содержании и составе органического вещества. Общее количество углерода в пирогенных почвах сократилось в 3 раза (с 40–49 до 14–15%) в основном за счет выгорания растительных остатков, составляющих основу торфа и легкоразлагаемого органического вещества, количество которого, в свою очередь, снизилось более чем в 4 раза по сравнению с почвами в естественном состоянии (с 1.94 до 0.47%).

4. Наибольшим негативным изменениям вследствие пожара подверглись собственно гумусовые вещества: содержание углерода гумуса снизилось более чем на 80 отн. %, меняясь в пределах 2.3–3.8% против 17.2–19.8% в почвах естественного сложения. Учитывая, что пирогенные горизонты приобрели ярко бурую окраску, можно констатировать, что наиболее глубокому расщеплению и гидролизу подверглись темноокрашенные гуминовые кислоты.

5. Продуктивность наземного фитоценоза аллювиально-болотных иловато-торфяных осушенных почв, подвергшихся пирогенезу, резко сократилась, составляя в настоящее время не более 50% продуктивности таких почв естественного сложения, оцениваемой в 1.06 т сена/га.