CC BY
1
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 3
УДК 631.459.2 |(cc)T7aTTa
DOI: 10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-3-49-59
ЭРОЗИЯ И САМОВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОЧВ НА СРЕДНЕРУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ
А. П. Жидкин*, Д. В. Фомичева, Е. А. Заздравных
ФИЦ Почвенный институт имени В.В. Докучаева, 119017, Россия, Москва, Пыжевский пер., д. 7, стр. 2 * E-mail: [email protected]
В работе проанализированы мощности гумусовых горизонтов черноземов и серых лесных почв, измеренных в более чем тысяче точек обследования на трех участках площадью около 10 тыс. га каждый в северной (Орловская обл.), центральной (Курская обл.) и южной (Белгородская обл.) лесостепи на Среднерусской возвышенности. Измеренные мощности гумусированной толщи были сопоставлены со смоделированными мощностями. Моделирование мощностей гумусовых горизонтов проводилось на основе учета темпов эрозии и самовосстановления почв. Были использованы эрозионные модели WaTEM/SEDEM и ГГИ в модификации Г.А. Ларионова, С.Ф. Краснова, верифицированные ранее на малых водосборах в пределах или в непосредственной близости от участков исследования. Для установления длительности антропогенной эрозии в точках обследования была проведена реконструкция истории освоения исследованных участков. Использованный подход позволил с достаточной точностью смоделировать эрозионные потери почв в среднем по участкам исследования и рассчитать среднюю текущую мощность гумусированной толщи современных почв. Полученные результаты сопоставлений измеренных и смоделированных мощностей гумусированной толщи отчетливо свидетельствуют о значимой роли самовосстановления почв в формировании эрозионно-аккумулятивных структур почвенного покрова. Недостаточный учет самовосстановления почв приводит к значительному занижению расчетных мощностей гумусированной толщи и, как следствие, к завышению степени эродированности почвенного покрова. Темпы самовосстановления черноземов и темно-серых лесных почв составили около 0,4 мм-год-1, что согласуется с литературными данными исследований на ключевых участках. В ряду черноземы — темно-серые лесные — серые лесные — светло-серые лесные почвы отмечено увеличение различий между смоделированными и измеренными мощностями гумусированной толщи. Возможно, распашка почв лесного генезиса способствует увеличению потечности гумуса, запахиванию локально проявляющихся вторых гумусовых горизонтов, а также педо-турбацион-ным процессам, что потенциально может способствовать искажению полевой диагностики мощностей гумусированной толщи серых и светло-серых лесных почв и занижению степени деградации почвенного покрова в северной лесостепи.
Ключевые слова: почвообразование, черноземы, серые лесные почвы, гумусовый горизонт, эрозионное моделирование.
Введение
Всемирно признано, что эрозия почв представляет собой одну из основных угроз деградации почвенного покрова в мире [МоП:апаге11а, 2016]. Под темпами эрозии почв, как правило, подразумеваются темпы эрозионно-аккумулятивных процессов, измеряемые в тоннах ежегодно смываемой почвы с единицы площади. В свою очередь степень смы-тости почв определяется через эрозионные потери за агрикультурный период, измеряемые на основе сопоставления эталонной и текущей мощностей почвенных горизонтов. Очевидно, что темпы эрозии почв и степень деградации почвенного покрова от эрозии связаны друг с другом. Однако важно от-
© Жидкин А.П., Фомичева Д.В., Заздравных Е.А., 2024
метить, что эта связь не абсолютная, поскольку под действием почвообразовательных процессов происходит постепенное частичное восстановление плодородного горизонта почв, то есть самовосстановление почв.
Интенсивность самовосстановления почв является дискуссионным вопросом. В исследованиях [Геннадиев и др., 1987; Геннадиев, 1990; Пацукевич и др., 1997] показано, что скорости почвообразования для серых лесных почв варьируют в пределах 0,35-0,40 мм-год"1, для черноземов выщелоченных и оподзоленных — от 0,40 до 0,45 мм-год-1. В исследованиях [МсСогтаск et а1., 1981] показаны существенные различия в темпах почвообразования на сельскохозяйственных землях и в целинных ус-
ловиях. Согласно ^о1ешоу, Lisetskii, 2008], самовосстановление лесостепных почв — нелинейный во времени процесс, характеризующийся сложной последовательностью неравновесных динамических переходов к квазиклимаксному состоянию. Современная скорость прироста гумусовых горизонтов черноземов лесостепной зоны составляет около 0,04 мм-год-1, но в краткосрочные периоды времени, при сильных нарушениях, скорость самовосстановления может возрастать в десятки раз [Голеусов, Лисецкий, 2009; Go1eusov, Lisetskii, 2008].
В связи с варьированием оценок и относительно небольшой скоростью самовосстановления почв эти процессы зачастую игнорируются при оценках эрозии почв и степени эродированности почвенного покрова. Тем не менее за долгосрочный период времени такой прирост гумусового горизонта в результате самовосстановления может оказывать существенное влияние на степень эродированности почв [Геннадиев и др., 1987; Пацукевич и др., 1997]. Предыдущие исследования авторов по сопоставлению оценок темпов эрозии почв, получаемых разными методами, показали, что недостаточный учет темпов самовосстановления почв влияет на точность оценок темпов эрозии, получаемых на основе почвенно-морфологического метода [Голосов и др., 2024; Zhidkin et а1., 2023]. При этом наиболее близкие к другим оценкам темпы эрозии почв получались при значениях самовосстановления серых лесных почв и черноземов, равных 0,35-0,4 мм-год-1, соответствующих оценкам [Геннадиев и др., 1987; Пацукевич и др., 1997]. Тем не менее важно отметить, что данные оценки очень приблизительные, поскольку оценки темпов эрозии почв на основе почвенно-морфологического метода зависят в том числе от выбора эталона, метода интерполяции данных в точках обследования на окружающее пространство, от точности реконструкции длительности распашки и т.д. Другие же методы оценок эрозии почв также обладают своими допущениями и значительным варьированием оценок [Zhidkin et а1., 2023]. Кроме того, предыдущие исследования авторов были проведены на относительно небольших по площади участках (42-96 га) с относительно однородным в таксономическом плане почвенным покровом. Представляет интерес проведение подобного рода исследований на больших по площади территориях.
Разные типы почв обладают разной способностью к смыву (эродируемостью) и при этом разными темпами самовосстановления. Например, эродируемость серых лесных почв в несколько раз выше, чем черноземов [Ларионов, 1993; Фомичева и др., 2024]. При этом скорость самовосстановления серых лесных почв ниже, чем у черноземов. Таким образом, теоретически при прочих равных условиях рельефа, сельскохозяйственного использования, эрозионного потенциала осадков темпы деградации серых лесных почв должны быть выше, чем черно-
земов в связи с их большей эродируемостью и меньшей способностью к самовосстановлению.
Цель данной работы заключалась в сопоставлении мощностей гумусовых горизонтов почв, диагностированных в полевых условиях, с мощностями почв, смоделированными на основе потенциальных темпов эрозии и самовосстановления почв, в масштабе агрохозяйств (бассейнов малых рек), расположенных в северной, центральной и южной лесостепи на Среднерусской возвышенности.
Объекты и методы
Объекты. Выбор объектов исследования был обусловлен тем, что Среднерусская возвышенность является одним из важнейших сельскохозяйственных регионов России и в условиях расчлененного рельефа здесь достаточно интенсивно развиты процессы эрозии почв. При этом структура почвенного покрова в различных частях Среднерусской возвышенности существенно различается.
В пределах Среднерусской возвышенности были выбраны три участка: «Шебекинский», «Воробжа» и «Мценский», расположенные в Белгородской, Курской и Орловской областях, соответственно. Участки имеют практически одинаковую площадь сельскохозяйственных полей — от 10 до 12 тыс. га и в значительной степени отражают особенности строения почвенного покрова и протекания эро-зионно-аккумулятивных процессов в южной, центральной и северной лесостепи Среднерусской возвышенности. Климат умеренно-континентальный с
мягкой зимой (средние температуры января--8°С)
и теплым летом (средние температуры июля +19°С). Годовое количество осадков варьирует от 400 до 600 мм. Более половины годовой нормы выпадает с мая по август. Осадки носят преимущественно ливневой характер. Коэффициент увлажнения в Белгородской и Курской областях может варьировать от 0,6 до 1, в Орловской области от 0,8 до 1. Стабильный снежный покров устанавливается в середине декабря и держится до начала апреля, имеет мощность до 15-30 см. Рельеф территории холмисто-увалистый, на междуречьях преобладают выпуклые и слабовыпуклые склоны крутизной 2-5°. Длина склонов достаточно высокая, как правило, более 500 метров, иногда более 1 км. Почти повсеместно доминирующей почвообразующей породой являются остаточ-но карбонатные лессовидные суглинки и покровные суглинки, их мощность варьирует от 2 до 8 м. Подстилающие породы представлены мергелями и меловыми отложениями верхнемелового возраста, которые вскрываются в обнажениях в глубоких оврагах и балках [Целищева, Дайненко, 1967]. Абсолютные высоты междуречий 200-250 м, максимальная высота составляет порядка 290 м.
Участок «Шебекино» находится в южной части Среднерусской возвышенности, в междуречье рек Нежеголь и Нежеголек. Участок располагается в
зоне южной лесостепи. Высоты колеблются от 130 до 290 м. Почвенный покров представлен преимущественно очень близкими по своим свойствам черноземами типичными и выщелоченными, однако небольшие площади могут занимать серые лесные почвы. Участок «Воробжа» расположен в 15 км к юго-западу от г. Курск, в пределах бассейна р. Воробжи, левобережного притока р. Сейм, в лесостепной зоне. Территория исследования имеет высоты от 174 до 235 м. На междуречных равнинах почвенный покров представлен пятнистостями черноземов типичных и выщелоченных с участием луговато-черноземных почв в днищах водосборных понижений. Участок «Мценский» расположен на севере Среднерусской возвышенности на границе лесной и лесостепной зон. Участок находится в пределах хорошо дренированных междуречий р. Оки и двух ее притоков р. Зуши и р. Лисицы. Максимальные абсолютные высоты не превышают 290 м. Почвенный покров территории неоднороден: на юге развиты черноземы, на севере преобладают серые лесные почвы [Фридланд, 1988].
Методы. Диагностика мощностей гумусовых горизонтов почв на основе данных полевого обследования. Обследование почв проводилось преимущественно при помощи почвенного бура Эдельмана, в некоторых точках закладывались опорные разрезы почв. Бурение проводилось до верхней границы горизонта В, а в некоторых случаях — ВС. В среднем глубина бурения почв составляла около 100-120 см, максимально — до 170 см. При описании почв фиксировались глубины почвенных горизонтов, отмечались их структура, цвет и гранулометрический состав. Особое внимание уделялось наличию признаков элювиирования (белесая присыпка, обилие и глубина) и иллювиирования (кутаны, утяжеление гранулометрического состава). Фиксировались наличие и характер переходных горизонтов А1А2, А1В или А2В, ВА1 или ВА2. Диагностика типовой (под-типовой) принадлежности почв проводилась на основании Классификации и диагностики почв СССР [Егоров и др., 1977]. Всего морфологические свойства почв были проанализированы в 1093 точках обследований, в том числе на участке «Шебекино» — в 366 точках, на участке «Воробжа» — в 181 точке, на участке «Мценский» — в 546 точках. Под гумусиро-ванной толщей понималась совокупная мощность гумусового горизонта (А1) и переходного горизонта (А1В).
Во всех точках фиксировалась мощность гу-мусированной толщи почв, то есть суммарная мощность горизонтов А1+А1В. Нижняя граница горизонта А1В диагностировалась по изменению окраски (от буро-серой до серо-бурой) и доминирующей структуры (от комковатой до ореховатой), также отмечалось увеличение плотности почв. В большинстве точек обследования переход от А1В к В был ясным.
Моделирование мощностей гумусовых горизонтов почв. Моделирование мощностей гумусовых горизонтов почв проводилось согласно формуле (1).
Hn=Нэт- Ax T + S х T, (1)
где Hn — смоделированная мощность гумусирован-ной толщи в точке обследования (см), Нэт — эталонная мощность гумусированной толщи, единая для каждого участка (см), A — темпы эрозии почв (см-год-1), T — длительность распашки (лет), S — темпы самовосстановления почв (см-год-1).
Темпы ливневой эрозии рассчитывались по WaTEM/SEDEM v.2004 [Van Rompay et al., 2001]. Данная модель является пространственно-распределенной, с ее помощью можно не только оценивать объем и темпы эрозии почв, но и моделировать пространственную структуру протекания эрозионно-аккумулятивных процессов. WaTEM/SEDEM принадлежит к семейству моделей RUSLE [Renard et al., 1997]. В качестве входных данных используются параметризованные факторы эрозии почв. Эрозионный потенциал дождевых осадков, R (МДж-мм-м-2-час-1-год-1), рассчитывается по модифицированному уравнению и описывается формулой [Fan et al., 2013]. В данной работе использовались средние значения из открытой базы данных Global Rainfall Erosivity [Panagos et al., 2017]. Коэффициент эроди-руемости почв, K (кг-ч-МДж-1-мм-1), вычисляется по формуле [Renard et al., 1997] на основе аналитических данных о свойствах почв — содержании органического углерода и гранулометрическом составе почв. Расчет эрозионного потенциала рельефа проводился по цифровым моделям рельефа для участка «Шебекино» ЦМР с разрешением 20 м, которые строились по высотным отметкам топографической карты. На участок «Воробжа» использовалась ЦМР из открытого источника (Copernicus DEM) с пространственным разрешением 30 м. Для участка «Мценский» ЦМР была получена в результате съемки БПЛА, пространственное разрешение было изменено до рекомендуемого для расчета размера по модели, 20 м. Агроэрозионный потенциал сельскохозяйственных культур определялся на основе анализа состава севооборотов и агротехнологий. Темпы талого смыва рассчитывались по модели ГГИ в модификации Г.А. Ларионова, С.Ф. Краснова [Ларионов, 1993]. Данная модель принадлежит к семейству моделей USLE. В качестве входных данных также используются параметризованные факторы эрозии почв. В данной работе использовались средние значения эрозионного потенциала талого стока из литературных источников [Ларионов, 1993]. Коэффициент эродируемости почв вычислялся на основе аналитических данных о свойствах почв (содержании органического углерода и гранулометрическом составе почв). Расчет эрозионного потенциала рельефа проводился по цифровым моделям рельефа. Агроэрозионный потенциал сель-
скохозяйственных культур определялся на основе анализа состава севооборотов и агротехнологий.
Для каждого участка были использованы верифицированные эрозионные модели. Так, для участка «Мценск» верификация проводилась на малом водосборе «Ломовец», расположенном в северо-западной части данного участка [Голосов и др., 2024]. Для участка «Воробжа» верификация проводилась на малом водосборе «Спокоевка», расположенном в центральной части данного участка [Голосов и др., 2022]. Для участка «Шебекино» была проведена верификация на основе исследований эрозии почв на разновозрастных пашнях участка «Батрацкие дачи» [Жидкин и др., 2016], расположенном в 25 км к западу от участка «Шебекино». На данных участках количественные оценки эрозии почв проводились в том числе с применением методов радио-цезиевого и магнитного трассеров, не зависимых от почвообразовательных процессов.
Смоделированные темпы эрозии почв, выраженные в т-га_1-год-1, пересчитывались на см-год-1 с учетом различной плотности почв. Расчеты велись по двум сценариям, при плотностях почв, равных 1,2 и 1,3 г-см-3. Варьирование получаемых показателей в связи с использованием различной плотности учтено при сопоставлении измеренных и смоделированных мощностей гумусированной толщи.
Кроме того, важно отметить, что реконструкция темпов эрозии почв за агрикультурный период является в некоторой степени приблизительной, поскольку не позволяет детально учесть изменение всех факторов эрозионно-аккумулятивных процессов. Наиболее сложно реконструировать фактор агроэрозионного индекса сельскохозяйственных культур и агротехнологий (С-фактор), поскольку отсутствует подробная информация о ежегодном составе высеваемых культур, а также использовавшихся агротехнологиях. Тем не менее для Среднерусской возвышенности данный показатель в среднемноголетнем периоде варьирует не более чем в пределах 0,3-0,5 [Голосов и др., 2024; Zhidkin et а1., 2023]. При моделировании эрозии почв расчеты велись по сценариям минимально возможного С-фактора, равного 0,3, и максимально возможного, равного 0,5. Варьирование получаемых показателей в связи с использованием различных агроэрози-онных индексов сельскохозяйственных культур и агротехнологий учтено при сопоставлении измеренных и смоделированных мощностей гумусиро-ванной толщи.
Примерное время распашки устанавливалось по Планам Генерального межевания и литературным источникам. Сельскохозяйственное освоение Европейской территории России шло неравномерно, с севера на юг по мере присоединения новых земель. Пограничное земледелие обычно носило очаговый характер, участки пашни сосредоточивались в основном вокруг поселений. Планы Гене-
рального межевания (ПГМ) — первый подробный картографический источник информации, дающий представление об ареалах пахотных угодий (XVIII-XIX вв.). Восстанавливая более давнюю историю освоения, приходится руководствоваться только косвенными данными о начале заселения местности и возрасте крупных населенных пунктов. На все участки были созданы карты длительности распашки на основе оцифрованных границ пашни по ПГМ. Согласно архивным материалам, с определенной долей условности длительность распашки на участке «Шебекино» варьирует от 170 до 310 лет, на участке «Мценский» — от 200 до 300 лет, а на участке «Воробжа» — от 160 до 250 лет. Поскольку дальнейшие вычисления проводились с учетом максимального и минимального сценариев в достаточно широких пределах расчетных темпов эрозии почв, на наш взгляд такая реконструкция длительности распашки представляется приемлемой для поставленной цели исследования.
Темпы самовосстановления почв анализировались в диапазоне от 0 (то есть не учитывались) до 0,4 мм-год-1 согласно [Геннадиев и др., 1987; Па-цукевич и др., 1997].
Смоделированные остаточные мощности гумусовых горизонтов в точках обследования были немного подкорректированы. Во-первых, в некоторых случаях математический расчет приводил к достижению отрицательной мощности гумусированной толщи. Отрицательные мощности свидетельствуют о размыве залегающих под гумусовыми срединных горизонтов почв. Так как почвенные горизонты не могут принимать отрицательные значения, они были приравнены к 0. Во-вторых, было принято допущение, что самовосстановление почв должно идти только на эродированных почвах. В точках обследования, в которых смоделированная мощность гумусированной толщи превышала эталонную, она была приравнена к эталонной мощности гумуси-рованной толщи либо исходной мощности данной почвы при ее исходном превышении эталонных значений.
Результаты
Почвенный покров и степень эродирован-ности почв. На участке «Шебекино» практически равное участие в почвенном покрове имеют черноземы выщелоченные (50% от выборки) и типичные (45%). Отмечается преобладание черноземов выщелоченных в юго-восточной и в северо-западной частях участка, а черноземов типичных — в центральной и в восточной частях. Однако в целом можно отметить достаточно равномерное распределение этих подтипов почв и их тесное соседство в пределах почти всей анализируемой территории. Серые лесные почвы были встречены только на одном поле в ЮЗ части участка. Серые лесные почвы занимают порядка 2% от общей выборки.
Черноземы типичные карбонатные и черноземы оподзоленные встретились локально, в единичных точках обследования. Мощности гумусированной толщи на участке «Шебекино» варьируют от 14 до 127 см, преимущественно в связи с эрозией почв. Отмечаются экспозиционные различия в степени эродированности почв. Почвы южных и юго-западных склонов эродированы в большей степени. Средняя эталонная мощность почв на приводораз-дельных слабонаклонных поверхностях составляет около 84 см. Более половины точек, 64% от всей выборки, отнесены к несмытым почвам, к слабосмы-тым отнесено 10% от всей выборки, на средне- и сильносмытые почвы приходится 19 и 6% соответственно. На намытые почвы приходится 1%.
На участке «Воробжа» доминирующие позиции занимают черноземы типичные (62% выборки), черноземы выщелоченные — вторые по распространенности (26%), оставшаяся часть приходится на черноземы типичные карбонатные и черноземно-луговые почвы (12%). Две трети диагностированных черноземов выщелоченных приурочены к склонам северной и восточной экспозиции. Черноземы типичные карбонатные, напротив, превалируют на склонах южной экспозиции. На теплых склонах черноземов типичных карбонатных в полтора раза больше, чем черноземов выщелоченных, и вдвое больше, чем на склонах северной экспозиции. Черноземно-луговые почвы отмечены локально в нескольких точках в днищах ложбин на холодных склонах. Мощность гумусированной толщи во всех точках варьирует от 25 до 170 см, при этом среднее значение по всей выборке составляет 72 см. Средняя мощность гумусированной толщи эталонов на плоских приводораздельных участках составила 88 см.
На территории участка «Воробжа» отмечаются специфические особенности строения почвенного покрова, так называемые реликтовые криогенные
морфоструктуры (РКМ) [Величко и др., 1996], распространенные в виде вытянутых, как правило, вдоль склонов, полос почв шириной в несколько десятков метров с аномально высокой мощностью гумусовых горизонтов. Особенно заметно РКМ проявляются на весенних космических снимках как более темные (влажные) линии. Повышенная мощность гумусовых горизонтов почв в РКМ, вероятно, не связана с современными процессами почвообразования, а обусловлена реликтовыми особенностями формирования почвенного покрова. Наличие РКМ вносит варьирование в оцениваемые мощности гумусовых горизонтов. Около 30% точек обследования имело мощность большую, чем в эталонах. Таким образом, возможно, наличие РКМ в некоторой степени «маскирует» степень деградации почвенного покрова на данной территории, поскольку завышает среднюю по участку мощность гу-мусированной толщи. Несмытые почвы составляют 32% от всей выборки. На слабосмытые приходится 15%, доли средне- и сильносмытых почв на участке «Воробжа» составляют 26 и 12%. Оставшиеся 14% приходятся на намытые почвы.
На участке «Мценский» доминируют серые лесные почвы, составляющие почти половину от точек обследования. Суммарная доля светло-серых, серых и темно-серых лесных почв составляет более 80% выборки. Ареалы черноземов оподзоленных и выщелоченных приурочены к южной и восточной частям района. Черноземы выщелоченные тяготеют к дренируемым междуречьям. Черноземы оподзо-ленные формируются на слабонаклонных поверхностях междуречий. Неоднородность почвенного покрова и высокое разнообразие почв обусловливают значительную вариабельность мощности верхних горизонтов. Мощность гумусированной толщи (А1+А1В) варьирует от 0 до 155 см. На приводораздельных участках средняя мощность гумусиро-
6&4Г* л ЧьА
ЩрЖУ -Л^
* ш V
• Точки обследования | Границы полей
Темпы эрозии почв, тта-1тод-1
<20
2-5-5
ш
15-20 | | 0-2,6
10-15 | | 0-10 алумуляция
7.5-10 >10 аккумуляция
5-7.5
9
0 1 2 4 6 8
Рис. 1. Темпы эрозии и расположение точек обследования почв на участке «Шебекино»
Рис. 2. Темпы эрозии и расположение точек обследования почв на участке «Воробжа»
ванной толщи светло-серых лесных почв составила 46 см, серых лесных и темно-серых лесных — 58 и 65 см соответственно. Для черноземов выщелоченных и оподзоленных средняя эталонная мощность горизонтов А1+А1В составила 70 см. Высокая неоднородность почвенного покрова и сильная вариабельность гумусированной толщи вызывают проблемы с определением мощности эталонов на данной территории и как следствие диагностики степени эродированности почв. Суммарная доля несмытых почв на данном участке составляет 46% от всей выборки. Слабосмытые почвы составляют 16% от точек обследования, на средне- и сильно-смытые почвы приходится 20 и 14% соответственно. Оставшиеся 4% приходятся на намытые почвы. Среди светло-серых лесных почв доля средне- и сильносмытых на «Мценском» участке состав-
ляет 47%, в то время как в серых лесных и темно-серых лесных подтипах почв она варьирует от 33 до 38%.
Темпы эрозии почв и степень эродированности почвенного покрова. На участке «Шебеки-но» средние многолетние темпы эрозии почв на всем участке составили 8,2 т-га_1-год-1. Средние темпы смыва в точках обследования составили 10,4 т-га-1-год-1. При этом в 39% от общего количества точек отмечен смыв более 10 тта_1тод_1 (рис. 1). На участке «Шебекино» эродированные почвы в основном тяготеют к теплым склонам.
На участке «Воробжа» средние многолетние темпы эрозии почв составляют 8,6 т-га_1-год-1. Средние темпы смыва в точках составили 17,7 т-га_1-год-1. 60% точек от всей выборки имеют темпы смыва выше 10 т-га_1-год-1 (рис. 2). На участке «Воробжа»,
т* Л
А $ ?» -
1 Ф * А* Л Р
Я Ч 1« п
9 Точки обспадованни Границы полей
Темпы эрозии почв, тта-1тод-1
■ " I I: Ш =
из
| 15-20 | | 10-15 | 75-10 I
] 25-5 | 0-2.5 0-101
I I"'
т
г*
1
г ш ""V
1
Г5
«.-А £
Т 4
1 * щ
т
|
Ж-у
1.5 3
Рис. 3. Темпы эрозии и расположение точек обследования почв на участке «Мценский»
так же как и на участке «Шебекино», выражен экспозиционный эффект: средние темпы смыва на теплых склонах в 1,2 раза выше, чем на холодных, также 70% от общего количества средне- и сильно-эродированных почв приурочено к склонам южной и западной экспозиций.
Средние многолетние темпы эрозии почв на участке «Мценский» составляют 10,4 т-га-1-год-1 (рис. 3). При этом средние темпы эрозии почв во всех точках опробования равны 11,6 т-га-1-год-1. Темпы смыва более 10 т-га-1-год-1 выявлены в 44% точек от всей выборки. Среди всех серых лесных почв темпы смыва более 10 т-га-1-год-1 отмечены в 45% точек, в черноземах — в 34%.
Обсуждение
На всех участках отмечается существенная разница между эталонной и средней мощностями гумусированной толщи, измеренными в точках обследования, демонстрирующая степень деградации почв от водной эрозии. В среднем по участкам эрозионные потери колеблются от 6 до 16 см, при этом локально на всех участках были диагностированы сильноэродированные почвы, смытые до горизонта В.
Важно отметить, что мощности гумусовых горизонтов в данном исследовании сопоставлялись только в точках обследования. Для оценки степени деградации почв в целом на участках необходим подсчет площадей ареалов почв разной степени эродированности. Такая оценка не входила в задачи данного исследования, однако представ-
ляется перспективной для будущих работ. Авторы целенаправленно провели данный анализ в точках обследования, поскольку основная задача заключалась в анализе эрозии и самовосстановления почв, а экстраполяция свойств почв от точек на окружающее пространство может вносить существенные и трудно контролируемые искажения.
Полученные результаты оценок эталонных, измеренных и смоделированных с разными допущениями мощностей гумусированной толщи почв представлены на рис. 4. Несмотря на существенное варьирование модельных оценок при разных допущениях, отчетливо проявляются следующие тренды.
При моделировании мощностей гумусирован-ной толщи без учета темпов самовосстановления почв данный показатель на всех участках исследования и для всех проанализированных типов и подтипов почв оказался ниже измеренных в поле мощностей (см. рис. 4). Разница между средними значениями измеренной и смоделированной без учета темпов самовосстановления почв мощностей гумусированной толщи составила: 5,1 см на черноземах участка «Шебекино»; 15,1 см на черноземах участка «Воробжа»; 11,5 см на черноземах участка «Мценский»; 12,5 см на темно-серых лесных, 15,2 см на серых лесных и 19 см на светло-серых лесных почвах участка «Мценский». Таким образом, различия между смоделированными и измеренными мощностями гумусовых горизонтов оказались даже больше, чем между эталонными и измеренными значениями.
1 2
1 2
I
ш
11
Рис. 4. Мощности гумусированной толщи (см) на участках: А — «Шебекинский», Б — «Воробжа», В — «Мценский»: В1 — черноземы, В2 — темно-серые лесные почвы, В3 — серые лесные почвы, В4 — светло-серые лесные почвы; 1 — эталонные мощности гумусированной толщи неэродированных почв в среднем по участку, 2 — средние измеренные в поле мощности гумусированной толщи в точках обследования, 3 — средние смоделированные мощности гумусированной толщи в точках обследования с темпом самовосстановления почв = 0 мм-год"1, 4 — средние смоделированные мощности гумусированной толщи в точках обследования
с темпом самовосстановления почв 0,4 мм-год-1
А
Б
90
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
Эрозионное моделирование проводилось на основе верифицированных входных параметров. Таким образом, полученные столь существенные различия между измеренными и смоделированными мощностями гумусированной толщи не могут быть обусловлены погрешностями эрозионного моделирования.
Тем не менее моделирование было проведено для различных сценариев с учетом варьирования входных параметров моделирования, а также с учетом разной плотности почв. Однако даже в случае применения диапазона варьирования темпов эрозии и плотности почв в подавляющем большинстве случаев измеренные мощности оказались выше максимальных мощностей, смоделированных без учета их самовосстановления (см. рис. 4). Таким образом, полученные результаты наглядно свидетельствуют о существенной роли самовосстановления почв и необходимости его учета.
Во введении показаны различные оценки темпов самовосстановления черноземов и серых лесных почв, полученные разными авторами. В данном случае были выбраны темпы 0,4 мм-год-1 согласно [Геннадиев и др., 1987; Пацукевич и др., 1997] как наиболее высокие среди литературных данных среднемноголетние темпы для лесостепных почв и долгосрочных периодов времени (в несколько сотен лет).
Мощности гумусированной толщи, смоделированные с учетом данных темпов самовосстановления, оказались значительно ближе к измеренным мощностям. Особенно хорошие значения были получены для черноземов. Разница между средними значениями измеренной и смоделированной с учетом самовосстановления почв мощностей гу-мусированной толщи для черноземов составила: 4,2 см для участка «Шебекино», 7,0 см для участка «Воробжа» и 0,2 см для участка «Мценский».
Более существенные различия на участке «Во-робжа» по сравнению с другими участками могут быть обусловлены следующими причинами. Во-первых, данный участок находится в центральной лесостепи вблизи от Центрально-Черноземного государственного природного биосферного заповедника имени В.В. Алёхина, то есть вблизи от черноземов, условно считающихся «эталонными». Возможно, данные почвы характеризуются несколько более высокими темпами самовосстановления, чем остальные черноземы, расположенные в северной и южной лесостепи. В случае если принять темпы самовосстановления почв здесь равными 0,6-0,65 мм-год-1, средние смоделированные и измеренные мощности практически совпадают.
Также, возможно, отмечаемые различия между смоделированными и измеренными мощностями гумусированной толщи обусловлены специфическими особенностями строения почвенного покрова. При полевом обследовании авторами
отмечались аномально повышенные мощности гу-мусированной толщи почв на склонах, вероятно, обусловленные реликтовыми криогенными морфо-структурами [Величко и др., 1996]. На расстоянии в несколько десятков метров в близких условиях развития эрозионно-аккумулятивных процессов различия в мощностях гумусированной толщи достигали 30-40 см на некоторых склонах. Возможно, измеренные мощности гумусированной толщи здесь несколько завышены в результате попадания в выборку почв с реликтовыми гумусовыми горизонтами, не связанными с современными процессами эрозии и почвообразования. Этим также объясняется повышенная доля диагностированных в поле «намытых» почв (14%), то есть почв с мощностью гумусированной толщи выше, чем эталонная.
В случае учета разных сценариев при варьировании входных параметров моделирования и плотности почв измеренные мощности гумусиро-ванной толщи черноземов находятся в пределах диапазонов варьирования смоделированных мощностей с учетом темпов их самовосстановления. Таким образом, данные исследования подтверждают выводы [Геннадиев и др., 1987; Пацукевич и др., 1997] о том, что среднемноголетняя скорость самовосстановления черноземов типичных и выщелоченных составляет около 0,4 мм-год-1. При этом следует подчеркнуть, что предыдущие исследования проводились на ключевых участках с небольшой площадью, а в данном случае исследования были выполнены в другом масштабе — на участках площадью 10-12 тыс. га.
Анализ почв на участке «Мценский» выявил любопытную тенденцию увеличения различий между измеренными и смоделированными с учетом самовосстановления почв мощностями гумусиро-ванной толщи в ряду черноземы — темно-серые лесные — серые лесные — светло-серые лесные почвы, различия составили 0,2 см на черноземах, 2,1 см на темно-серых лесных почвах, 5,1 см на серых лесных почвах и 11,5 см на светло-серых лесных почвах. При этом во всех случаях средняя измеренная мощность гумусированной толщи превышала смоделированную. Согласно литературным данным [Геннадиев, 1978, 1990; Геннадиев и др., 1987; Пацукевич и др., 1997; Голеусов, Лисецкий, 2009], скорость самовосстановления в этом ряду почв должна лишь уменьшаться. Таким образом, объяснить наблюдаемую тенденцию изменением темпов самовосстановления почв невозможно. Также различия вряд ли обусловлены погрешностями в расчетных темпах эрозии почв, поскольку они не могут быть выборочно искажены для каких-то отдельных типов и подтипов почв в пределах одного участка.
Возможно, выявленные различия обусловлены особенностями полевой диагностики гумусовых горизонтов в светло-серых и серых лесных почвах. Согласно [Караваева и др., 1985], интенсивная рас-
пашка почв лесного генезиса может способствовать увеличению потечности гумуса, а также педо-тур-бационным процессам, что потенциально могло повлиять на искусственное завышение оценок мощностей гумусированной толщи. В этом случае степень деградации почвенного покрова оказалась «замаскирована» за счет антропогенного «растягивания» почвенного профиля серых лесных почв. Степень такого «растягивания» теоретически может зависеть от таксономической принадлежности почв, увеличиваясь в ряду черноземы — темно-серые лесные — серые лесные — светло-серые лесные почвы. Кроме того, возможно, различия между измеренными в поле и смоделированными мощностями гумусированной толщи обусловлены локальными проявлениями второго гумусового горизонта. Данный вопрос требует дальнейших исследований.
Заключение
Проведенные в масштабе агрохозяйств (бассейнов малых рек) исследования мощностей гумуси-рованной толщи в почвах в северной, центральной и южной лесостепи на Среднерусской возвышенности свидетельствуют о существенной роли самовосстановления почв в формировании эрозион-но-аккумулятивных структур почвенного покрова и необходимости учета самовосстановления почв при ретроспективных либо прогнозных оценках деградации почвенного покрова от водной эрозии в среднесрочных и долгосрочных масштабах времени.
Применение эрозионного моделирования с использованием верифицированных на малых водосборах входных параметров позволило с достаточной точностью смоделировать эрозионные потери почв в среднем по участкам исследования и рассчитать текущую мощность гумусированной толщи современных почв.
Темпы самовосстановления черноземов и темно-серых лесных почв составили около 0,4 мм-год-1, что согласуется с литературными данными предыдущих исследований, выполненных в детальном масштабе.
В ряду черноземы — темно-серые лесные — серые лесные — светло-серые лесные почвы отмечено увеличение различий между смоделированными и измеренными мощностями гумусированной толщи. Возможно, распашка почв лесного генезиса способствует увеличению потечности гумуса, запахиванию локально проявляющихся вторых гумусовых горизонтов, а также педо-турбационным процессам, что потенциально может способствовать завышению оценок мощностей гумусирован-ной толщи.
Информация о финансировании работы
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 22-17-00071, https://rscf.ru/project/22-17-00071/).
СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ
В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Величко А.А., Морозова Т.Д., Нечаев В.П. и др. Па-леокриогенез, почвенный покров и земледелие. М., 1996.
2. Геннадиев А.Н. Изучение почвообразования методом хронорядов (на примере Приэльбрусья) // Почвоведение. 1978. № 12.
3. Геннадиев А.Н. Почвы и время: модели развития. М., 1990.
4. Геннадиев А.Н., Герасимова М.И., Пацукевич З.В. Скорость почвообразования и допустимые нормы эрозии почв // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1987. № 3.
5. Голеусов П.В., Лисецкий Ф.Н. Воспроизводство почв в антропогенно нарушенных ландшафтах лесостепи. М., 2009.
6. Голосов В.Н., Жидкин А.П., Петелько А.И. и др. Полевая верификация эрозионных моделей на основе исследований малого водосбора в бассейне р. Воробжи (Курская область) // Почвоведение. 2022. № 10. https://doi. org/10.31857/S0032180X22100045
7. Голосов В.Н., Шамшурина Е.Н., Колос Г.И. и др. Пространственно-временные изменения эрозионно-ак-кумулятивных процессов на малом водосборе в северной части Среднерусской возвышенности // Почвоведение. 2024. № 5. https://doi.org/ 10.1134/S1064229323603682
8. Егоров В.В., Фридланд В.М., Иванова Е.Н. и др. Классификация и диагностика почв СССР. М., 1977.
9. Жидкин А.П., Геннадиев А.Н., Кошовский Т.С. и др. Пространственно-временные параметры латеральной миграции твердофазного вещества почв (Белгородская область) // Вестн. Моск. ун-та. 2016. Сер. 5. География. № 3.
10. Караваева Н.А., Жариков С.Н., Кончин А.Е. Пахотные почвы Нечерноземья: процессно-эволюционный подход к изучению // Почвоведение. 1985. № 11.
11. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв: основные закономерности и количественные оценки. М., 1993.
12. Пацукевич З.В., Геннадиев А.Н., Герасимова М.И. Допустимая эрозия и самовосстановление почв // Почвоведение. 1997. № 5.
13. Фридланд В.М. Почвенная карта РФ масштаба 1: 2 500 000. 1988.
14. Фомичева Д.В., Жидкин А.П., Комиссаров М.А. Полимасштабные оценки варьирования эродируемости почв в условиях высокой неоднородности почвенного покрова северной лесостепи Среднерусской возвышенности // Почвоведение. 2024. № 2.
15. Целищева Л.К., Дайненко Е.К. Очерк почв Стрелецкого участка Центрально-Черноземного заповедника // Труды Центрально-Черноземного заповедника им. проф. В.В. Алехина. Курск, 1967.
16. Fan J. R., Chen Y., Yan, D. et al. Characteristics of rainfall erosivity based on tropical rainfall measuring mission
data in Tibet, China // J. of Mountain Science. 2013 Vol. 10. https://doi.org/10.1007/s11629-013-2378-1
17. Goleusov P.V., Lisetskii F.N. Soil development in anthropogenically disturbed forest-steppe landscapes // Eurasian Soil Science. 2008. Vol. 41, № 13. https://doi. org/10.1134/S1064229308130188
18. Montanarella L., Pennock D.J., McKenzie N. et al., World's soils are under threat // Soil. 2016. Vol. 2. https://doi. org/10.5194/soil-2-79-2016
19. McCormack D.E., Yong K.K. Technical and sciential implication of soil loss tolerance // S. Conserv. Problem and Proc. Int Conf. 1981.
20. Panagos P., Borrelli P., Meusburger K. et al. Global rainfall erosivity assessment based on high-temporal resolution rainfall records // Sci Rep. 2017. Vol. 7. https:// doi.org/10.1038/s41598-017-04282-8
21. Renard K.G., Foster G.R., Weesies G.A. et al. Predicting soil erosion by water: a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) // Agriculture Handbook. 1997. № 703.
22. Van Rompaey A.J.J., Verstraeten G., Van Oost K. et al. Modelling mean annual sediment yield using a distributed approach // Earth Surface Processes and Landforms. 2001. Vol. 26.
23. Zhidkin A.P., Gennadiev A.N., Fomicheva D.V., et al. Soil erosion models verification in a small catchment for different time windows with changing cropland boundary // Geoderma. 2023. Vol. 430. https://doi.org/10.1016/j. geoderma.2022.116322
Поступила в редакцию 19.02.2024 После доработки 16.04.2024 Принята к публикации 06.05.2024
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 3
EROSION AND DEVELOPMENT
OF SOILS ON THE CENTRAL RUSSIAN UPLAND
A. P. Zhidkin, D. V. Fomicheva, E. A. Zazdravnykh
The article presents an analysis of the thickness of humus horizons of chernozems and gray forest soils, measured at more than a thousand survey points in three areas with an area of about 10 thousand hectares each in the northern (Oryol region), central (Kursk region) and southern (Belgorod region) forest-steppe on the Central Russian Upland. The measured thicknesses of the humus horizons was compared with the modeled thicknesses. Modeling of the thickness of humus horizons was carried out based soil erosion modelling and taking into account soils development. An assessment of soil erosion rates was carried out by WaTEM/SEDEM (rainfall erosion) and State Hydrological Institute in the Larionov modification (snowmelt erosion), previously verified on small catchments within or in close proximity to the study sites. Land use history was reconstructed using historical maps. The approach made it possible to model with sufficient accuracy the average erosion losses of soils and calculate the average current thickness of the humus horizon. The obtained results of comparisons of measured and modeled thicknesses of the humus horizon clearly indicate the significant role of soil development in the formation of erosion-accumulative structures of the soil cover. Insufficient consideration of soil development leads to a significant underestimation of the calculated thickness of the humus horizon and, as a consequence, to an overestimation of the degree of soil degradation. The rate of development of chernozems and dark gray forest soils is about 0.4 mm-year-1, which is consistent with literature data from case studies. An increase in differences between the modeled and measured thicknesses of the humus layer was noted in the series: chernozem - dark gray forest soil - gray forest soil - light gray forest soil. Perhaps the plowing of gray forest soils contributes to an increase in the flow of dissolved humus, as well as pedoturbations, which could potentially contribute to a measurement distortion of the thickness of the humus horizon and an underestimation of the degree of degradation of the soil cover in the northern forest-steppe.
Keywords: soil formation, chernozems, gray forest soil, humus horizon, erosion modeling.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Жидкин Андрей Петрович, канд. геогр. наук, вед. науч. сотр., заведующий лабораторией эрозии почв Почвенного института имени В.В. Докучаева, e-mail: [email protected]
Фомичева Дарья Владимировна, аспирант, мл. науч. сотр. лаборатории эрозии почв Почвенного института имени В.В. Докучаева, e-mail: [email protected]
Заздравных Евгений Александрович, канд. геогр. наук, специалист отдела грантов и перспективных исследований Почвенного института имени В.В. Докучаева, e-mail: [email protected]
© Zhidkin A.P., Fomicheva D.V., Zazdravnykh E.A., 2024
