Почвоведение, 2021, № 4, стр. 502-520

ВВЕДЕНИЕ

Добыча минеральных и топливно-энергетических ресурсов в таежной зоне сопровождается сведением лесов и формированием техногенных ландшафтов. В условиях возрастания антропогенной нагрузки на природные экосистемы усиливается интерес исследователей к познанию их регенеративных возможностей, установлению закономерностей формирования техногенных почв [3, 15, 24, 39, 57]. В Российской Федерации изучение первичного почвообразования на нарушенных землях таежной зоны, как в ходе самозарастания, так и после проведения рекультивации, ведется на территории Урала [21], Сибири [8, 33], северо-запада [1, 2] и северо-востока [9] европейской части России. Установлено, что в процессе начального педогенеза при уменьшении неоднородности почвенно-растительного покрова происходит накопление подстилки, аккумуляция органического углерода и азота, подкисление почвы, увеличение емкости поглощения, уменьшение плотности верхних горизонтов [1, 2, 21, 39, 50]. По мнению одних авторов [30, 33, 56], ведущий процесс в ходе первичного почвообразования – преобразование минерального субстрата. Другие считают, что основные процессы, определяющие формирование профиля “молодых” почв, – биогенная аккумуляция и трансформация органического вещества [2, 9, 36]. Специфика почвенного органического вещества на разных стадиях сукцессии во многом определяется видовым составом и структурой растительного сообщества [9, 21, 39, 50, 54]. Наибольшая скорость гумусонакопления в экосистемах техногенных ландшафтов характерна для начальных стадий сукцессии, по мере стабилизации биологического круговорота она уменьшается [14, 33, 54]. Существенное влияние на почвообразование оказывают особенности состава материнских пород [29, 53]. Значительные изменения в химических и морфологических свойствах почвы, свидетельствующие о развитии процессов оподзоливания, могут наблюдаться, по одним данным – через несколько десятков лет [37, 40, 45], по другим – несколько сотен [46, 47, 49, 52].

Ускорить процесс восстановления наземных экосистем на месте техногенных ландшафтов можно приемами рекультивации, в том числе лесной [9, 48]. В связи с тем, что сукцессионный процесс на базе искусственно созданного растительного сообщества характеризуется более высокой скоростью развития, рекультивированные площади являются удобным объектом для исследования особенностей первичного почвообразования. В настоящее время опубликован ряд работ о результатах изучения процессов восстановления растительности и почв на посттехногенных территориях таежной зоны Республики Коми [9, 19, 20], но эти исследования нуждаются в продолжении и систематизации.

Цель работы – выявление особенностей первичного почвообразования на нарушенных территориях (карьеры с разным гранулометрическим составом субстратов) после проведения лесной рекультивации в подзоне средней тайги (северо-восток европейской части России, Республика Коми). Особое внимание уделено формированию гумусово-аккумулятивного горизонта и роли растительности в его образовании.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Изучение почв, формирующихся на техногенных субстратах после рекультивации разработанных карьеров, проводили в окрестностях г. Сыктывкар. В геоморфологическом отношении объекты исследования расположены на территории Вычегодско-Мезенской равнины. Современный рельеф сформировался в четвертичное время, большое значение в его образовании имела деятельность экзогенных факторов: ледниковой и водно-ледниковой эрозии и аккумуляции. Территория представляет собой пониженную полого-увалистую, местами значительно расчлененную равнину, на которой моренные отложения частично перекрыты с поверхности маломощным покровом флювиогляциальных песков и супесей [7]. Климат района умеренно-континентальный, характеризуется длительной холодной зимой с устойчивым снежным покровом и коротким прохладным летом. Среднегодовая температура воздуха +0.4°С, сумма осадков 560 мм [11]. Согласно почвенно-географическому районированию [27], участок исследований относится к Луза-Сысольскому округу подзолистых и болотно-подзолистых почв подзоны средней тайги. По ботанико-географическому районированию, территория приурочена к восточно-европейской части подзоны средней тайги [28], полосе среднетаежных лесов Кольско-Печорской подпровинции Североевропейской таежной провинции Евразиатской таежной (хвойнолесной) области [26].

Объектами исследования послужили два карьера, в которых осуществлялась добыча строительных материалов (песка): 1 – “Даса” (61°43′ N, 50°38′ E), 4 – “Важелью” (61°38′ N, 50°40′ E). Рельеф местности в окрестностях карьера 1 пологоволнистый с абсолютными высотами порядка 125–140 м над ур. м., карьера 4 – холмисто-увалистый с высотами 125–160 м над ур. м. (рис. 1). Дневная поверхность днища карьеров в пределах их контуров выположена. Их преобладающие высоты – 115 (карьер 1) и 110–115 (карьер 4) м над ур. м. Восточная часть карьера 4 имеет небольшой уклон (крутизна около 5°). Грунтовые воды в обоих случаях залегают глубже 18–20 м от поверхности, однако учитывая специфику климатических условий (преобладание осадков над испарением), в периоды снеготаяния и выпадения обильных дождей возможна верховодка как в почвах фоновых участков, так и субстрате днища карьеров.

Рис. 1.

Карты-схемы территории расположения карьеров 1 “Даса” (А) и 4 “Важелью” (Б), сплошные горизонтали проведены через 5 м (карты-схемы составлены с использованием программ QGIS, Google Earth Pro, SAS. Планета; источник – картографическая база данных ArcticDEM https://www.pgc.umn.edu/data/arcticdem/).

После окончания эксплуатации (карьер 1 разрабатывали до 1996 г., карьер 4 – до 1991 г.) карьеры рекультивировали. Технический этап, включавший уборку строительного мусора и планировку поверхности, на карьере 1 проведен в 1998 г. (площадь территории 5.8 га), 4 – в 1999 г. (5.0 га). Субстраты карьеров по таким показателям, как значения рН, содержание гумуса, СaCO₃, отсутствие токсичных солей, сумма фракций менее 0.01 мм, согласно ГОСТ 17.5.1.03-78¹¹, были пригодны для биологической рекультивации. В ходе биологического этапа (спустя 1–2 года) на территории карьеров (в их днища) были высажены 2‑летние сеянцы сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) высотой около 10–15 см. На карьере 4 перед проведением посадочных работ были проложены плужные борозды через каждые 4 м с помощью лесного двухотвального плуга с оборотом пласта вразвал. Это способствовало образованию хорошо выраженного микрорельефа – чередование перевернутых пластов (гряд), плужных борозд и междурядий. Сеянцы сосны высаживали в гряды, сформированные по обоим краям борозд. На территории карьера 1 посадку культур осуществляли без дополнительной механической подготовки субстрата. Густота посадки 4 (карьер 1) – 5 (карьер 4) тыс. шт./га. Ширина междурядий 2.5–3 м. Дополнительные агротехнические мероприятия (внесение удобрений, посев трав) не проводили.

Наблюдения проводили в период с 2000 по 2018 гг., соответственно на 1–5, 12, 18-й годы управляемой сукцессии. Выполняли геоботанические описания [6], закладывали почвенные разрезы, проводили морфологическое описание, отбирали образцы почв для физико-химических исследований, определяли плотность почв (повторность трехкратная). Массу подстилки учитывали металлическим шаблоном площадью 98 см² в 10-кратной повторности. В качестве контроля (фон) использовали лесные участки в окрестностях карьеров с ненарушенным почвенно-растительным покровом. Вблизи карьера 1 фоном послужил сосняк бруснично-зеленомошный, почва – подзол иллювиально-гумусово-железистый со строением профиля О1–О2–Е1–Е2–BHF–B–BCg–С (Albic Podzol (Arenic)); карьера 4 – сосново-еловый травяно-чернично-зеленомошный лес, почва – подзолистая грубогумусовая потечногумусовая (Оао–ЕLhi–EL–BEL–BT–BCg–С) (Albic Epistagnic Retisol (Humic)).

Гранулометрический состав определяли по Качинскому [12], рН водной (${\text{p}}{{{\text{H}}}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}$) и солевой (рН_КСl) суспензий – потенциометрически (ГОСТ 26423-85²² и 26483-85³³ соответственно), гидролитическую кислотность (Hr) – по Каппену, обменную кислотность (H⁺, Al³⁺) – по Соколову, содержание обменных катионов (Са²⁺, Mg²⁺) – по Гедройцу с вытеснением 1 M NH₄Cl и последующим атомно-эмиссионным определением на ICP Spectro Ciros CCD (Германия); оксалаторастворимых соединений железа (ω(Fe₂O₃)_o) и алюминия (ω(Al₂O₃)_o) – по Тамму, дитиониторастворимых (ω(Fe₂O₃)_d) – по Мера–Джексону [32]; содержание карбонатов – объемно-метрическим методом [ISO 10693]⁴⁴. Для оценки степени гидроморфизма почв использовали критерий Швертмана – соотношение содержания в почвах оксалато- и дитиониторастворимых соединений железа (Fe_o : Fe_d) [13].

Содержание общего азота (ω(N_общ)) и углерода (ω(C_общ)) оценивали методом газовой хроматографии на элементном CHNS-O анализаторе ЕА 1110 (Carlo Erba, Италия). Для почв с ${\text{р}}{{{\text{Н}}}_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}}$ < 6.8 выполняется равенство ω(С_общ) = ω(С_орг), так как следовые количества неорганического углерода не превышают погрешности метода. В менее кислых образцах, где ω(С_общ) > ω(С_орг) в связи с присутствием неорганического углерода, значения ω(С_неорг) рассчитывали как разницу между ω(С_общ) и ω(С_орг). Содержание органического углерода (ω(С_орг)) в образцах почв определяли по Тюрину с фотометрическим окончанием [32]. Расчет запасов элементов (Q) в отдельных горизонтах (слоях) почв проводили с учетом их плотности (г/см³), мощности и содержания в них соответствующего элемента (углерода, азота). Общие запасы элемента вычисляли простым суммированием Q_Σ = Q₁ + Q₂ + … + Q_n, где n – количество горизонтов (слоев).

Содержание углерода лабильных органических веществ учитывали после их экстракции из образцов почв растворами гидроксида (0.1 M NaOH) и пирофосфата (0.1 M Na₄P₂O₇ + 0.1 M NaOH) натрия [5]. Оптические свойства гуминовых кислот (ГК), выделенных в составе лабильных органических веществ ускоренным пирофосфатным методом, определяли в соответствии с [23]. Общее содержание углерода органических $\left( {\omega {{{\left( {{{{\text{С}}}_{{{\text{орг}}}}}} \right)}}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}} \right)$ и неорганических $\left( {\omega {{{\left( {{{{\text{С}}}_{{{\text{неорг}}}}}} \right)}}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}} \right)$ соединений в водных вытяжках из образцов почв измеряли методом высокотемпературного каталитического окисления с бездисперсионной ИК-регистрацией на анализаторе общего углерода ТОС VCPH по методике измерений М-02-2405-09⁵⁵. Для выявления динамики подкисления почв в ходе первичного почвообразования на нарушенных землях использовали коэффициент дифференциации (K_диф), предложенный Махониной [21]: отношение наибольшей в пределах почвенного профиля концентрации протонов (ммоль/дм³), рассчитанной по актуальной кислотности, к соответствующей величине в почвообразующей породе.

Минералогический состав субстратов определяли рентгеновским методом на приборе XRD-6000 (Shimadzu, Япония), элементный (валовый) состав – приближенно-количественным методом на рентгенофлуоресцентном спектрометре XRF-1800 (Shimadzu, Япония).

Для диагностики и идентификации почв использовали принципы классификации почв России [25]. Привели корреляцию наименований почв с системой мировой базы почвенных ресурсов [44].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Почвообразующие породы карьеров. Техногенно-поверхностные образования (абралиты) днища карьеров, выполняющие роль почвообразующей породы, различаются по гранулометрическому составу и близки к почвообразующим породам соответствующих фоновых участков. В субстрате карьера 1 преобладает фракция мелкого песка (около 70%), карьера 4 – фракции мелкого песка (28–38%), ила (19–28%) и крупной пыли (14–25%). Почвообразующие породы фоновой почвы вблизи карьера 1 имеют песчано-супесчаный состав с преобладанием фракций крупного (около 67%) и мелкого (около 25%) песка, в окрестностях карьера 4 – среднесуглинистый с преобладанием фракций мелкого песка (около 30–34%), ила (27–28%) и крупной пыли (15–16%).

В минералогическом составе абралитов обоих карьеров преобладает кварц, содержание полевых шпатов (преимущественно альбитового состава) небольшое, присутствуют рутил, кальцит и доломит. В субстрате карьера 4 обнаружены слюда и хлорит (рис. 2). Присутствие кальцийсодержащих минералов в породах согласуется с данными Андреичевой [7] о карбонатности морены вычегодского (московского) возраста в бассейне р. Вычегда, обусловленной наличием обломков известняков и доломитов. Содержание карбонатов в абралитах составляет 2–3%, их присутствие морфологически не выражено, однако отмечено вскипание мелкозема при обработке 10% раствором HCl. Реакция среды – слабощелочная (рН около 8). В профиле фоновых почв кальцит и доломит до глубины 50–70 см не были обнаружены (рис. 2), что характерно для подзолистых почв, представленных в окрестностях г. Сыктывкар, где карбонаты встречаются, начиная с глубины 140–170 см [31].

Рис. 2.

Рентгендифрактограммы образцов почвообразующих пород карьеров и фоновых почв (глубина 50–70 см): 1 – карьер 1; 2 – карьер 4; 3 – фоновая почва в окрестностях карьера 1; 4 – фоновая почва в окрестностях карьера 4.

Для абралитов характерно низкое содержание органического углерода (не более 0.3–0.4%) и азота (не более 0.02–0.03%). Эти значения близки к соответствующим показателям почвообразующих пород фоновых участков (ω(С_орг) не более 0.2–0.3%, ω(N_общ) не более 0.02–0.03%).

Динамика растительного покрова и морфология почв. К середине первого десятилетия после посадки сосны обыкновенной высота саженцев на обоих карьерах составила около 0.5 м, к началу второго десятилетия – 2–3 м, к его концу – 5–7 м при сомкнутости крон 0.4–0.5 и густоте 2.3–2.9 тыс. шт./га.

Песчано-супесчаный карьер. На территории карьера 1 в первые 5 лет растительное сообщество находилось на стадии пионерных группировок. Заметных изменений морфологического строения и химических свойств субстрата в пределах днища карьера не наблюдалось.

В начале второго десятилетия отмечено слабое развитие растительного покрова в междурядьях. Разреженный травянистый ярус с проективным покрытием не более 20% формировали синантропные, ксерофильные и луговые виды (Agrostis tenuis, Calamagrostis epigeios, Chamaenerion angustifolium, Trifolium pratense), моховой ярус – пионерные (Ceratodon purpureus, Polytrichum piliferum, P. juniperinum). Под растительными группировками в почвенном профиле начал обособляться гумусово-слаборазвитый горизонт (W), в минеральной толще появились признаки оглеения – серые и охристые пятна на светло-буром фоне. В соответствии со строением профиля: W(0–0.5)–С˙˙са(0.5–15)–С˙˙са,g(15–30 см), на данном этапе формирующаяся почва диагностирована как псаммозем гумусовый остаточно-карбонатный глееватый (Сalcaric Arenosol (Stagnic)).

В конце второго десятилетия в напочвенном покрове появляются пионерные лишайники (Cladonia gracilis ssp. turbinata, C. mitis, C. subulata, C. verticillata и др.). Травяно-кустарничковый ярус остается слабо развитым (проективное покрытие 20%). Формирование лесной среды за счет роста лесных культур обусловило внедрение сосудистых растений (Antennaria dioica, Orthilia secunda, P. chlorantha, P. media, Vaccinium myrtillus, V. vitis-idaea) и мхов (Dicranum polysetum, D. scoparium, Hylocomium splendens, Pleurozium schreberi), характерных для сосняков зеленомошных. Около 80% поверхности днища карьера покрыто хвоей сосны. Мощность слоя хвойного опада возрастает в подкроновом пространстве. Почвы в прикомлевой части сосен и в междурядье начинают различаться по морфологическому строению. Накопление хвои под кроной сосны (0.94 ± 0.08 кг/м²) способствует формированию рыхлой подстилки Wао бурых тонов, под которой выделяется подгоризонт We с признаками оподзоливания – присутствуют белесоватые пятна на общем темно-сером фоне. С глубины 10 см отмечены сизовато-серые и охристые пятна, свидетельствующие о протекании глеевых процессов. Для почвы под кроной сосны характерен профиль со строением: Wао(0–2(2.5))–W1e(2(2.5)–3)–W2e(3–5))–C˙˙са(5–10)–С˙˙са,g(10–55 см), что позволяет идентифицировать ее как псаммозем гумусовый грубогумусированный оподзоленный остаточно-карбонатный глееватый (Сalcaric Arenosol (Nechic, Stagnic)).

В междурядьях формирование горизонта W выражено слабее, масса подстилки меньше (0.60 ± ± 0.03 кг/м²), морфологических признаков оподзоливания не отмечено. Строение профиля: Wао(0–1)–W(1–4)–С˙˙са,g(4–55 см). Почва – псаммозем гумусовый грубогумусированный остаточно-карбонатный глееватый (Сalcaric Arenosol (Stagnic)).

Суглинистый карьер. На территории карьера 4 в первый год наблюдений растительный покров был представлен единичными пионерными и луговыми растениями. Формирование сомкнутого травостоя, образованного луговыми видами (Agrostis sp., Festuca pratensis, Poa pratensis, Trifolium sp., Vicia sp. и др.), завершилось к концу третьего года. Накопление органического вещества за счет поступающей отмершей растительной массы обусловило заметное, по сравнению с карьером 1, прокрашивание верхнего маломощного слоя грунта в темно-серые тона. Ниже морфологические изменения субстрата не отмечены. Строение профиля: W(0–0.2)–C^═са(0.2–50 см). Почва – пелозем гумусовый остаточно-карбонатный (Сalcaric Regosol).

В начале второго десятилетия из-за невысокой сомкнутости крон сосны (0.2) растительный покров междурядий образуют луговые травы, что обусловило насыщенность корнями горизонта W. Под подгоризонтом W1 с начальной стадией аккумуляции гумуса залегает скрепленный живыми корнями легкосуглинистый подгоризонт W2, переходящий в слабо преобразованный минеральный субстрат. Строение профиля: W1(0–2)–W2(2–5)–C^═са(5–50 см). Почва – пелозем гумусовый остаточно-карбонатный (Сalcaric Regosol).

В конце второго десятилетия растительность междурядий представлена в основном травянистыми растениями. В связи с увеличением сомкнутости крон сосны (0.4–0.5) усилилась роль опушечного и лесного разнотравья (Aegopodium podagraria, Calamagrostis arundinacea, Equisetum sylvaticum, Hieracium altipes, Pyrola rotundifolia, Rubus saxatilis, Vicia sylvatica) и мхов (Dicranum scoparium, Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens). Под кроной сосны травостой изрежен, поверхность почвы покрыта слоем опада хвои (1.00 ± 0.06 кг/м²). В прикомлевой части влияние фитогенного поля сосны и специфика опада обусловили вычленение в верхней части профиля маломощной подстилки (Wао до 1.5 см) и подгоризонта Wel с признаками элювиирования (наличие осветленных минеральных зерен). На глубине 4–22 см отмечено присутствие органических включений, наличие которых связано с погребением верхней части субстрата днища карьера c единичными растениями при нарезании гряд во время проведения биологического этапа рекультивации. В минеральной толще профиля (20–50 см) имеются ржаво-охристые и сизые пятна, свидетельствующие об окислительно-восстановительных процессах. Строение профиля: Wао(0–1.5)–W1el(1.5–2)–W2el(2–3(4))–C^═tu,са(3(4)–10)–C^═tu,ca,g(10–22)– C^═са,g(22–40 см). Почва – пелозем гумусовый грубогумусированный элювиированный турбированный остаточно-карбонатный глееватый (Сalcaric Regosol (Relocatic, Stagnic)).

В междурядье формирующаяся под сомкнутым травостоем подстилка представлена остатками трав, в меньшей мере – мхов и хвоей разной степени разложения (1.03 ± 0.09 кг/м²). Дерновый процесс здесь выражен сильнее, чем под кронами сосен, морфологические признаки элювиирования не отмечены. Горизонт W достиг мощности 7 см. Строение профиля: Wао(0–2.5)–W1(2.5–3)–W2(3–7)–C^═са,g(7–50 см). Почва – пелозем гумусовый грубогумусированный остаточно-карбонатный глееватый (Сalcaric Regosol (Stagnic)).

В почвах на суглинистом субстрате к концу второго десятилетия сукцессии наблюдается некоторое облегчение гранулометрического состава горизонтов W и в подкроновом пространстве, и в междурядье с образованием “иллювиального максимума” в подстилающем минеральном слое (табл. 1). Аналогичная картина отмечена и другими авторами [34, 56].

Минералогический состав почв. На 18-й год управляемой сукцессии в профиле почв карьеров преобладает кварц, в небольшом количестве содержатся полевые шпаты, диагностирован рутил (рис. 3). Суглинистая почва (карьер 4) отличается от песчано-супесчаной (карьер 1) присутствием слюды и хлорита. На начальных стадиях почвообразования изменение минералогического состава происходит прежде всего за счет менее устойчивых компонентов минеральной части. Так, кальцийсодержащие минералы (доломит и кальцит), присутствующие в абралитах, в горизонтах W почв не обнаружены (рис. 3), что обусловлено, по-видимому, их выщелачиванием. Данные валового анализа также показывают существенное уменьшение содержания СаО в верхних горизонтах молодых почв.

Рис. 3.

Рентгендифрактограммы образцов нижней части гумусово-аккумулятивных (W) горизонтов и почвообразующих пород (Сg) почв карьеров 1 (А) и 4 (Б).

Качественный состав минералов в почвах фоновых участков практически идентичен. Во всех горизонтах преобладает кварц, в небольшом количестве присутствуют натриевые и калиевые полевые шпаты. С глубины 10 см диагностированы слюда и хлорит. Судя по выраженности пиков на рентгендифрактограммах, подзолистая грубогумусовая почва характеризуется более высоким содержанием этих минералов, чем подзол иллювиально-гумусово-железистый. Почвы карьеров отличаются от фоновых в основном наличием кальцийсодержащих минералов. Учитывая различия почв по гранулометрическому составу, выделение илистой фракции, изучение содержания и состава в ней глинистых минералов позволят более детально оценить преобразование минеральной части почв.

Динамика кислотности почв. В течение первого пятилетия сукцессии дифференциация актуальной кислотности в профиле формирующихся почв выражена слабо (рис. 4). Во втором десятилетии значения рН водных вытяжек значимо уменьшаются в верхних горизонтах, что согласуется с данными ряда авторов [2, 21, 39]. Однако подкисление по сравнению с фоновыми почвами охватывает только верхнюю часть профиля почв карьеров – на глубину не более 10 см от их поверхности (табл. 2). Максимальные величины кислотности приурочены к горизонту W.

Рис. 4.

Динамика распределения актуальной кислотности $({\text{p}}{{{\text{H}}}_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}})$ в верхней части профилей почв, формирующихся на песчано-супесчаном (А) и суглинистом (Б) субстратах карьеров: 1 – исходный субстрат; 2 – 12-й год сукцессии; 3 – 18-й год сукцессии (крона сосны); 4 – 18-й год сукцессии (междурядье); 5 – фоновые почвы.

Увеличение кислотности почв демонстрирует значимое возрастание коэффициента K_диф. На территории песчано-супесчаного карьера K_диф в первое пятилетие наблюдений составил около 1, в начале второго десятилетия – 6, в конце – 20 (в междурядье) и 79 (под сосной). В почве суглинистого карьера K_диф в конце первого пятилетия достиг 4, в начале второго десятилетия – 13, в конце – 17 (под сосной) и 25 (в междурядье). С подкислением почв в ходе сукцессии связано выщелачивание карбонатов кальция из почвообразующей породы. Если в абралитах распределение CаСО₃ было равномерным в толще субстрата, то к концу второго десятилетия наблюдается значимое уменьшение его содержания в верхней части профиля почв. Потери от обработки 2 н. раствором НCl [12] в минеральных горизонтах фоновых почв составляют 0.22–0.96%, в почвах карьеров этот показатель возрастает вниз по профилю и достигает в нижних горизонтах 2.0–2.6% (карьер 1) и 2.5–7.0% (карьер 4). Профильное распределение величины ω(С_неорг), рассчитанной как разница между ω(С_общ) и ω(С_орг), показывает аналогичную закономерность, которая более четко выражена в песчано-супесчаной почве карьера 1 (табл. 3). В этом карьере существенное подкисление почвы под кроной сосны, по сравнению с междурядьем, происходит за счет поступления на поверхность большего количества хвои [51]. Значения K_диф, рассчитанные для почвы карьера 4, значительно ниже, что обусловлено изначально более высоким содержанием в почвообразующей породе карбонатов и тонкодисперсной фракции. О развитии процессов подкисления свидетельствует некоторое увеличение обменной и гидролитической кислотности в верхних горизонтах новообразованных почв. Однако неполное выщелачивание карбонатов и, возможно, биогенная аккумуляция обменных оснований [34] способствуют сохранению на данном этапе высокой степени насыщенности основаниями (82–92%) горизонтов W.

Динамика накопления углерода и азота в почвах. Содержание органического углерода и азота в исходном субстрате карьеров низкое, отношение ω(С_орг)/ω(N_общ) составляет 5–11. В соответствии с формированием, развитием и дифференциацией горизонтов W на грубогумусовую и гумусово-аккумулятивную части, в профилях почв на территории карьеров количества взаимосвязанных в них С_орг и N_общ (уравнение регрессии: ω(N_общ) = = 0.026ω(С_орг) + 0.45; R² = 0.93) приближаются к таковым в органогенных горизонтах фоновых почв, но еще не достигают их значений. Вниз по профилю величина соотношения ω(С_орг)/ω(N_общ) закономерно уменьшается, что связано с относительным обогащением органического вещества азотом по мере разложения растительных остатков [20]. Элювиально-иллювиальное распределение С_орг и N_общ, характерное для профиля фоновых подзолистых почв, в почвах карьеров не выражено.

В почве карьера 1 (песчано-супесчаный субстрат) запасы С_орг в верхнем 20-сантиметровом слое (включая подстилку) возросли от 4.8 (первые годы сукцессии) до 6.0 (междурядье) и 7.5 т/га (под кроной сосны) к 18-му году сукцессии. Эти величины примерно в 3 раза меньше по сравнению с запасами С_орг в зональных автоморфных почвах, развитых под пологом сосновых лесов [22, 35]. Скорость накопления С_орг в 20-сантиметровом слое почвы междурядья на территории карьера 1 составила 0.07, под кроной сосны – 0.16 т/га/год.

На карьере 4 (суглинистый субстрат) во все сроки наблюдений запасы С_орг в верхнем 20-сантиметровом слое почв были выше, по сравнению с почвами карьера 1. В первые годы сукцессии они составили 7.2, к концу второго десятилетия – 13.5 (междурядье) и 11.6 (под кроной сосны) т/га. Это примерно в 2 раза меньше, чем в подзолистых почвах еловых лесов [18]. Скорость накопления С_орг достигала 0.37 (междурядье) и 0.26 (под кроной сосны) т/га в год. Максимальные значения данного параметра, зафиксированные на карьере 4 в почвах междурядий, а на карьере 1 – в подкроновом пространстве, согласуются со строением и структурой растительного покрова. Более быстрые темпы накопления органического углерода в почвах, формирующихся на суглинистых породах по сравнению с песчано-супесчаными связаны не только с лучшим развитием растительного покрова, но и с высоким содержанием в минеральной части профиля глинистых частиц [42].

Данные по динамике накопления С_орг в исследованных почвах согласуются с результатами, полученными Абакумовым [2] при изучении первичного почвообразования на песчаных карьерах северо-запада России и Махониной [21] – на промышленных отвалах в таежной зоне Урала, где скорость накопления С_орг на первых этапах первичного почвообразования находилась в пределах 0.2–0.3 т/га/год. В биоклиматических условиях Нидерландов [41] и Польши [53, 55, 57] процесс накопления С_орг происходит быстрее. В частности, в супесчано-песчаных почвах, развитых на техногенных отвалах после проведения лесной рекультивации [55], запасы углерода в слое 0–20 см (с учетом горизонта лесной подстилки) спустя 19 лет после посадки сосны составили порядка 29 т/га, что в 3.8–4.8 раза больше по сравнению с запасами органического углерода в исследованных нами почвах карьера 1 на 18-й год развития посадок сосны. По [53] скорость накопления С_орг в почвах, формирующихся на отвалах и карьерах Польши в районах добычи полезных ископаемых, варьирует от 0.7 до 5.3 т/га в год.

Содержание $\omega {{\left( {{{{\text{С}}}_{{{\text{орг}}}}}} \right)}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ в горизонтах W карьера 1 достигает 8.9 г/кг, постепенно уменьшаясь вниз по профилю до 0.01 г/кг. В фоновой почве данный показатель меняется от 7.08 до 0.03 г/кг. Максимальная экстрагируемость водой С_орг из твердой фазы отмечена в верхних горизонтах почвы карьера 1 под кроной сосны, где доля $\omega {{\left( {{{{\text{С}}}_{{{\text{орг}}}}}} \right)}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ от ω(С_орг) составляет 3.53–7.15% (в фоновой почве – 1.56–1.62%). Возможно, это связано с большей подвижностью органического вещества в молодых почвах, более активным протеканием процессов его минерализации, незрелостью механизмов, препятствующих потере углерода экосистемой.

В минеральных горизонтах фоновых почв содержание $\omega {{\left( {{{{\text{С}}}_{{{\text{неорг}}}}}} \right)}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}},$ как правило, не превышает 0.01 г/кг, в почвах карьеров в связи с наличием карбонатов $\omega {{\left( {{{{\text{С}}}_{{{\text{неорг}}}}}} \right)}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ достигает 0.03 и 0.07 г/кг соответственно. Доля $\omega {{\left( {{{{\text{С}}}_{{{\text{неорг}}}}}} \right)}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ от ω(С_орг) в почвах карьеров увеличивается вниз по профилю, что обусловлено уменьшением степени выщелоченности карбонатов в его нижней части, еще не затронутой (или затронутой в малой степени) процессами почвообразования. В фоновых почвах это отношение сохраняется во всех горизонтах примерно на одном уровне.

На примере карьера 1 рассмотрены процессы накопления и изменения на первых этапах почвообразования лабильных компонентов почвенного органического вещества в поверхностных горизонтах (рис. 5). Доля углерода лабильных органических веществ (С_ЛОВ) в подгоризонтах Wao1 (0–1 см) и Wao2 (1–2 см) новообразованной почвы варьирует для щелочных экстрактов в пределах 43.9–77.1%, для пирофосфатных – 45.7–88.9% от ω(С_орг). Меньшие показатели этого параметра в подстилочно-торфяном горизонте (О) фоновой почвы (соответственно 22.8–24.1 и 23.0–24.1%) могут быть связаны со значительным содержанием в нем трудноразлагаемых компонентов – негидролизуемого остатка [10, 22]. Присутствие карбонатов кальция в субстрате карьеров обусловило, по-видимому, возможность закрепления части новообразующихся гумусовых веществ в форме комплексов (солей) с ионами кальция. Об этом свидетельствует наличие разницы в количестве С_ЛОВ, экстрагируемых из образцов почв щелочной и пирофосфатной вытяжками. Доля С_ЛОВ, извлекаемых пирофосфатной вытяжкой, на 1.2–10.9% больше, по сравнению с содержанием С_ЛОВ, экстрагируемых раствором гидроксида натрия. Содержание С_ЛОВ в подгоризонтах O1 и O2 фоновой почвы имеет близкие значения при использовании указанных экстрагентов: разница между С_ЛОВ в пирофосфатной и щелочной вытяжках из образцов фоновой почвы составляет всего 0.1–0.2%. Это подтверждает отсутствие в составе гумусовых веществ фоновой почвы фракций ГК и ФК, связанных с кальцием [10, 22].

Рис. 5.

Содержание углерода гуминовых (ГК) и фульвокислот (ФК), экстрагируемых щелочной (I) и пирофосфатной (II) вытяжками из образцов органогенных горизонтов почвы карьера (псаммозем) и фонового участка (подзол) и величина коэффициента цветности (Е₄/Е₆) растворов гуминовых кислот.

Снятие оптических спектров растворов ГК, выделенных из щелочных и пирофосфатных экстрактов образцов почв, характеризующих горизонты W почвы карьера 1, и расчет коэффициентов цветности (E₄₆₅/E₆₅₀) свидетельствуют об их более высоких значениях (соответственно 6.9–8.8 и 6.4–8.4), по сравнению с образцами органогенного горизонта фоновой почвы (соответственно 5.4–5.5 и 5.9–6.0) (рис. 5). Полученные данные указывают на большее содержание в структуре ГК почвы, формирующейся на песчано-супесчаном субстрате днища карьера, периферических нерегулярных цепей алифатической природы и меньшую долю – ароматических компонентов, что позволяет судить об относительной “молодости” ГК почвы карьера.

Начало подзолообразования. В почвах фоновых участков четко выражен элювиально-иллювиальный характер распределения валовых (табл. 1) и оксалаторастворимых (рис. 6) форм соединений алюминия и железа. Максимум ω(Al₂O₃)_о несколько смещен вниз по профилю относительно максимума ω(Fe₂O₃)_о в связи с большей подвижностью соединений алюминия (III) в кислой среде [38].

Рис. 6.

Профильное распределение оксалаторастворимых соединений алюминия (А) и железа (Б): почва карьера 1 (1 – под кроной сосны, 2 – в междурядье); почва карьера 4 (3 – под кроной сосны, 4 – в междурядье); 5 – фоновая почва вблизи карьера 1; 6 – фоновая почва вблизи карьера 4.

В почвах карьеров отмечено равномерное распределение валового содержания алюминия и железа по профилю. Вместе с тем наблюдающееся в горизонте W небольшое увеличение содержания SiO₂ при некотором обеднении Al₂O₃ и Fe₂O₃ свидетельствует, по всей видимости, о развитии начальных стадий процессов оподзоливания при слабой морфологической визуализации диагностических горизонтов [46]. Тенденция элювиально-иллювиального распределения железа и алюминия находит подтверждение и в распределении по профилю их оксалаторастворимых форм, общее содержание которых незначительно (рис. 6). Абакумов с соавт. [37] отмечали появление подзолистого горизонта в почвах, формирующихся на песчаных отвалах под сосновым лесом в подзоне южной тайги, уже через 20 лет от начала почвообразования. Не исключено, что в исследованных почвах процессу оподзоливания препятствует карбонатность техногенного субстрата карьеров. При наличии карбонатов подкисление формирующихся на техногенных отвалах почв и появление признаков подзолообразования могут отсутствовать даже спустя 20–30 лет от начала почвообразования [21, 55].

Глееобразование. В почвах фоновых участков морфохроматические признаки оглеения не отмечены. Однако развитие здесь глеевых процессов в условиях периодического поверхностного переувлажнения, характерного для почв Республики Коми, в том числе автоморфных [10, 31], подтверждается наличием в элювиальной толще почв Fe–Mn-конкреций диаметром до 1–2 мм и повышенными значениями коэффициента Швертмана – 0.6–0.8 (табл. 2). В иллювиальных горизонтах значения этого индекса составляют 0.2–0.5, что условно соответствует слабой степени гидроморфизма и свидетельствует о формировании нижней части профиля фоновых почв преимущественно в окислительных условиях. Полученные данные согласуются с мнением [4], что применение критерия Швертмана более корректно для диагностики в почвах поверхностного гидроморфизма.

В молодых почвах признаки глееобразования в виде пятен сизоватых и охристых тонов, отмеченные в профилях на глубине 5–10 см и ниже, зафиксированы только во втором десятилетии. Появление зон восстановления соединений железа связано как с периодическим переувлажнением почв (наличие верховодки), так и с миграцией в профиле последовательно аккумулирующегося в ходе развития растительного сообщества почвенного органического вещества [13, 16, 17]. В почвах карьеров по сравнению с фоновыми почвами отсутствуют Fe–Mn-новообразования и отмечены меньшие значения критерия Швертмана (0.2–0.5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования особенностей формирования почв и растительности, проведенные в течение практически двух десятилетий после лесной рекультивации (посадка сосны обыкновенной) территории карьеров, где велась добыча строительных материалов, показали следующее. Процессы почвообразования и развития растительного покрова функционально взаимообусловлены и взаимосвязаны и определяются свойствами почвообразующих пород. Более активное протекание процессов почвообразования на песчано-супесчаном карьере отмечено под кронами сосны, как основного источника растительного опада, на суглинистом – в междурядьях под сомкнутым травостоем.

На песчано-супесчаном карьере представлен следующий динамический ряд: 1) техногенно-поверхностное образование (абралит) без растительного покрова → 2) культуры сосны на стадии приживания, начало формирования мохового покрова, незначительные изменения субстрата → 3) культуры с сомкнутостью крон менее 0.2, напочвенный покров из пионерных мхов, почва псаммозем гумусовый остаточно-карбонатный → 4) молодое лесное сообщество с сомкнутостью крон 0.4–0.5, напочвенный покров из пионерных мхов, почва псаммозем гумусовый грубогумусированный оподзоленный остаточно-карбонатный глееватый. На суглинистом карьере: 1) техногенно-поверхностное образование (абралит) практически без растительного покрова → 2) культуры сосны на стадии приживания, формирование травостоя, почва пелозем гумусовый остаточно-карбонатный → 3) культуры сосны с сомкнутостью крон менее 0.2, травостой, почва пелозем гумусовый остаточно-карбонатный → 4) молодое лесное сообщество с сомкнутостью крон 0.4–0.5, деградация травостоя, почва пелозем гумусовый грубогумусированный элювиированный остаточно-карбонатный глееватый.

В средней тайге темпы биогенной аккумуляции органического вещества замедлены. За 20-летний период в верхнем 20-сантиметровом слое почв песчано-супесчаного карьера аккумулируется до 2.7 т/га органического углерода, суглинистого – до 6.3 т/га. Скорость накопления С_орг достигает соответственно 0.16 и 0.37 т/га в год.

Молодость почв карьеров, короткий временной срок развития в них процессов подстилкообразования, гумусообразования и гумусонакопления определяют бóльшую долю содержания лабильных компонентов в составе органического вещества их гумусово-аккумулятивных горизонтов, по сравнению с фоновыми подзолистыми почвами, низкую степень конденсированности гуминовых кислот, максимальную экстрагируемость водорастворимых органических соединений из твердой фазы почв.

В ходе формирования почв карьеров после лесной рекультивации происходит подкисление верхних горизонтов и выщелачивание карбонатов, о чем свидетельствуют отсутствие кальцита и доломита в минералогическом составе новообразованных горизонтов W, существенное уменьшение в них валового содержания кальция, а также CаСО₃. Скорость развития процессов подкисления ниже в почвах более тяжелого гранулометрического состава (K_диф в суглинистых почвах до 25, песчано-супесчаных – до 79), что обусловлено, по-видимому, как свойствами субстрата, так и спецификой поступающего на поверхность почвы опада.

Во втором десятилетии сукцессии отмечены слабовыраженные процессы элювиирования и иллювиирования (начало подзолообразования), о чем свидетельствуют морфологические признаки (наличие осветленных минеральных зерен и белесоватые пятна в нижней части гумусово-аккумулятивного горизонта и в верхней части минеральной толщи), перераспределение соединений кремния, железа и алюминия, а также в профиле суглинистых почв – фракции физической глины.

Периодическое переувлажнение почв, обусловленное биоклиматическими условиями средней тайги, проявляется в почвенных профилях в виде пятен сизоватых и охристых тонов во втором десятилетии управляемой сукцессии. Слабая выраженность перераспределения соединений железа (мобилизации и миграции) в условиях развития процессов глееобразования подтверждается невысокими значениями коэффициента Швертмана (0.2–0.5) и отсутствием Fe–Mn-новообразований.

Отмеченные в работе особенности почвообразовательного процесса на нарушенных землях таежной зоны могут быть учтены в практике лесной рекультивации.