Оценка физических свойств почвы на тропах в березняках Красноярского академгородка

Введение. Следствием активной застройки красноярского Академгородка стало заметное увеличение количества жителей и обусловленное этим возрастание рекреационной нагрузки на его парковые леса. Среди целого ряда вызванных рекреацией негативных для леса последствий особое место занимают стихийно возникающие тропы, на которых наблюдается резкое ухудшение всех физических свойств и режимов почвы, что в конечном итоге может привести к деградации и даже гибели рекреационных лесов [6, 13, 15].

В большинстве известных работ по данной тематике авторы ограничиваются лишь изучением плотности и общей пористости почвы [1, 6, 13–15, 17], совершенно не рассматривая ее структуру, хотя именно она является основным фактором, определяющим указанные почвенные физические характеристики [2, 4, 7, 12]. Исходя из этого, более глубокая оценка физических свойств почвы на тропах, где степень их рекреационной трансформации максимальна, является актуальной.

Цель исследования : детальная оценка физических свойств почвы на тропах, где степень их рекреационной трансформации является максимальной.

Объекты и методы исследования. Исследование проводили в чистом разнотравном березняке, произрастающем в нижней части красноярского Академгородка. В результате длительного интенсивного рекреационного воздействия здесь образовалось несколько троп, местами достигающих ширины 2 м, на которых полностью был уничтожен живой напочвенный покров. Учитывая различия в степени воздействия на разные части троп, исследования проводили в их центре и на обочине. Контролем служил участок насаждения, где рекреационное воздействие практически не наблюдалось.

Используя общепринятые методы полевых и лабораторных исследований почвы [2, 10, 11], изучали три ее верхних слоя (0–5; 5–10; 10–20 см), в которых, по литературным данным [ 1, 6, 13-15, 17 ] , влияние рекреационных нагрузок проявляется наиболее сильно. Плотность почвы определяли буром Качин-ского (n = 10), плотность твердой фазы – пикнометрическим методом, общую пористость – расчетным путем по соотношению указанных показателей. Капиллярную пористость находили методом насыще-

Вестник КрасГАУ. 2018. № 5 ния образцов, а вычитая ее величину из общей пористости, вычисляли ее некапиллярную часть. Структуру изучали методом ситового анализа. Коэффициенты структурности и водопрочности рассчитывались, соответственно, как отношения содержания мезоагрегатов к суммарной доле микро- и макроагрегатов и содержания агрегатов крупнее 0,25 мм при мокром и сухом просеивании. Содержание органического вещества определяли методом прокаливания, гумуса – по Тюрину, сумму обменных оснований – по Каппену.

Результаты исследования и их обсуждение . Анализ морфологических признаков нескольких прикопок на контрольном участке позволил классифицировать исследуемую почву как серую среднемощную среднесуглинистую [ 8 ] . Одним из очевидных результатов длительного рекреационного воздействия стало сильное уплотнение верхних слоев ее темногумусового горизонта (табл. 1).

Таблица 1

Слой, см	Контрольный участок	Центральная часть троп	Обочина троп
0–5	0,65 ± 0,033	1,36 ± 0,033	1,21 ± 0,070
5–10	1,01 ± 0,065	1,34 ± 0,065	1,25 ± 0,053
10–20	1,14 ± 0,066	1,33 ± 0,030	1,33 ± 0,050

Плотность исследуемых слоев почвы, г/см3

Анализ таблицы 1 выявил наибольшее уплотнение центральной части троп и особенно их верхнего слоя 0–5 см, непосредственно испытывающего давление пешеходов, плотность которого более чем вдвое превосходит контрольные значения. На обочинах же, используемых только при наличии луж в центральной части троп, уплотнение почвы проявляется в меньшей степени.

По мнению ряда авторов [ 1, 6, 13-15, 17 ] , именно уплотнение почвы является наиболее существенным отрицательным фактором рекреации, способным вызвать быструю деградацию насаждений. Столь резко негативный эффект уплотнения, прежде всего, обусловлен ухудшением структуры, что связано с переорганизацией первоначального сложения почвы, которое заключается в деформировании и укрупнении агрегатов. При этом, чем плотнее почва, тем больших размеров агрегаты образуются [ 12 ] . Подобные изменения структурного состава почвы на тропах в полной мере отражают представленные в таблице 2 данные.

Как можно заметить, в слое 0–5 см не только центральной части троп, испытывающем наиболее интенсивные нагрузки, но и на их обочине доминируют структурные отдельности крупнее 10 мм (макроагрегаты). Их содержание превышает 30 %, однако с увеличением глубины оно постепенно уменьшается и в слое 10–20 см составляет 19,2– 14,3 %. На контрольном же участке содержание макроагрегатов в несколько раз ниже (всего 4,1–7,4 %), а его изменение, напротив, имеет обратный характер.

Однако, общеизвестно, что наибольшую агрономическую ценность представляют структурные отдельности размером от 10 до 0,25 мм, т. е. мезоагрегаты [ 2, 10 ] . Как видно из таблицы 2, во всех почвенных слоях троп мезоагрегаты являются преобладающей группой структурных отдельностей, составляя от 60 до 73,5 %, тогда как на микроагрегаты приходится лишь 5,7–12,5 %. Вследствие этого коэффициенты структурности слоев почвы на тропах имеют довольно высокие значения (1,50–2,77), соответствующие хорошей оценке структурного состава. При этом следует отметить возрастание с увеличением глубины слоя всех рассматриваемых показателей, а также более высокие их значения на обочине троп.

Показатели структурного состояния исследуемых слоев почвы

Таблица 2

Слой, см	Ссодержание агрегатов, % (числитель – «сухое просеивание», знаменатель – «мокрое»)									Мезоагрегаты	Д ср. , мм*	К стр .**	К в. ***
	Размер агрегатов, мм
	>10	10–7	7–5	5–3	3–2	2–1	1–0,5	0,5–0,25	< 0,25
Контроль
0–5	4,1 1,7	1,6 3,8	7,6 6,1	23,7 18,6	19,5 12,5	7,8 13,2	9,8 8,5	8,6 4,5	17,3 31,1	78,6 67,2	3,09 2,40	3,67	0,83
5–10	5,4 2,0	5,2 7,3	14,3 7,9	25,8 18,5	13,7 14,9	5,5 11,5	7,6 8,2	7,7 6,1	14,7 23,6	79,8 74,4	3,94 2,89	3,98	0,90
10–20	7,4 7,0	9,6 6,4	13,7 8,0	20,1 16,4	10,2 9,7	6,3 10,6	6,4 7,4	9,2 7,6	17,1 26,9	75,5 66,1	4,38 3,60	3,08	0,88
Центральная часть троп
0–5	34,3 27,2	11,6 6,3	7,6 6,5	13,3 9,0	10,0 6,3	6,0 11,2	7,1 10,8	4,4 5,3	5,7 17,4	60,0 55,4	9,25 7,17	1,50	0,88
5–10	26,0 5,9	8,1 3,2	9,3 2,1	17,3 13,1	12,8 9,2	5,7 12,7	7,8 12,1	5,2 11,3	7,8 30,4	66,2 63,7	7,63 2,69	1,96	0,76
10–20	19,2 1,0	8,2 4,3	8,6 6,0	16,8 12,1	11,7 8,5	7,9 10,8	7,9 9,0	7,2 8,9	12,5 39,4	68,3 59,6	6,24 1,93	2,15	0,69
Обочина троп
0–5	31,2 22,2	7,5 7,2	9,0 6,3	14,7 9,4	10,5 8,2	6,3 11,5	7,3 9,6	5,1 6,0	8,4 19,6	60,4 58,2	8,45 6,30	1,53	0,88
5–10	21,1 10,6	6,8 7,6	11,0 5,6	19,3 12,6	12,5 9,5	6,9 13,6	8,1 11,2	5,4 7,9	8,9 21,4	70,0 68,0	6,74 4,19	2,33	0,86
10–20	14,3 1,2	8,3 2,9	11,7 7,8	20,8 13,1	12,3 9,2	5,6 12,4	8,4 11,2	6,4 9,2	12,2 33,0	73,5 65,8	5,59 2,05	2,77	0,76

* Средневзвешенный диаметр агрегатов.

** Коэффициент структурности.

*** Коэффициент водопрочности.

Исследуемые слои контрольного участка характеризуются несколько большим содержанием мезоагрегатов (79,8–75,5 %). Это в сочетании с крайне малой долей макроагрегатов во многом обусловило и более высокие значения коэффициентов структурности (3,08–3,98), даже несмотря на заметно большее, по сравнению с аналогичными слоями троп, содержание микроагрегатов (17,3–14,7 %).

Несмотря на общепринятые размеры агрономически ценной структуры, наилучшие физические условия почвы, по мнению В.Р. Вильямса и Н.А. Ка-чинского [ 3, 8 ] , создаются при величине агрегатов от 2 до 5 мм. Именно такие почвенные отдельности преобладают в структурном составе слоев контрольного участка, вследствие чего средневзвешенный диаметр агрегатов находится в интервале от 3 до 4 мм. На тропах же из-за отмеченного доминирования макроагрегатов данный показатель оказался почти в 2-3 раза выше (см. табл. 2).

Лучшие показатели структурного состава на контрольном участке обусловлены меньшей плотностью его слоев, что способствует образованию агрегатов оптимальных размеров [ 12 ] . Кроме того, здесь активно действует отсутствующий на тропах главный фактор образования комковатой или зернистой структуры гумусовых горизонтов – корневые системы травянистых растений [ 4, 16 ] .

Наряду с размерами при определении агрономической ценности агрегатов учитывается их форма. Агрономически ценной считают такую структуру почвы, в которой агрегаты представлены зернистыми и мелкокомковатыми отдельностями [ 10 ] . Именно

Вестник КрасГАУ. 2018. № 5 агрегаты такой формы преобладают во всех слоях контрольного участка, что позволяет назвать их структуру крупнозернисто-мелкокомковатой, тогда как во всех исследуемых слоях троп явное доминирование имеют структурные отдельности, относящиеся к плитовидному типу. При этом во всех исследуемых слоях центральной части троп они весьма близки по своим основным параметрам, исходя из которых такая структура является плитчатосланцеватой. На обочине же троп отмечены некоторые отличия в соотношении различных видов агрегатов в разных слоях, что соответствующим образом отразилось на названии их структуры: 0–5 см – плитчато-сланцеватая, 5–10 см – грубочешуйчатосланцеватая, 10–20 – сланцевато-плитчатая.

Для полной оценки структурного состояния почв необходимо располагать данными о водопрочности агрегатов, которая, главным образом, определяется гранулометрическим и химическим составом почвы [ 4 ] . Кроме того, особое значение для образования водопрочных агрегатов имеет содержание в составе органического вещества детрита, а также гумуса [ 3, 9, 16 ] .

Исходя из этого, мы попытались выявить зависимость между указанными факторами и показателями водоустойчивости структуры, в качестве которых рассматривались коэффициент ее водопрочно-сти (К в. ), средневзвешенный диаметр водопрочных агрегатов (Д ср. ) и содержание водопрочных мезоагрегатов. Все эти характеристики приведены в таблице 3.

Агрохимические показатели почвы и показатели водопрочности ее структуры

Таблица 3

Слой, см	Органическое вещество, %	Гумус, %	Сумма обменных оснований, ммоль/100 г	Водопрочные мезоагрегаты, %	Д ср. водопрочных агрегатов, мм	К в.
Контроль
0–5	25,96	7,04	48,0	67,2	2,40	0,83
5–10	14,07	6,23	36,5	74,4	2,89	0,90
10–20	11,34	5,81	36,3	66,1	3,60	0,88
Центральная часть троп
0–5	17,24	5,46	44,8	55,4	7,17	0,88
5–10	11,94	5,02	37,5	63,7	2,69	0,76
10–20	8,60	4,42	33,6	59,6	1,93	0,69
Обочина троп
0–5	19,45	6,33	39,8	58,2	6,30	0,88
5–10	14,53	5,89	42,7	68,0	4,19	0,86
10–20	10,05	5,35	35,5	65,8	2,05	0,76

Анализ таблицы 3 позволяет сделать вывод, что в целом более низкая, в сравнении с контролем, водопрочность структуры на тропах обусловлена некоторым ухудшением агрохимических показателей их почвенных слоев. Прежде всего, это касается органического вещества и гумуса, содержание которых заметно уменьшилось в результате резкого сокращения поступающих в почву растительных остатков.

Отмеченное увеличение плотности почв на тропах определило и соответствующее снижение функ- ционально связанной с ней общей пористости [4]. Для ее расчета использовалась величина плотности твердой фазы почвы, меньшие значения которой в слоях контрольного участка обусловлены более высоким содержанием в них органического вещества (см. табл. 3) [10, 11].

Судя по приведенным в таблице 4 качественным оценкам плотности и общей пористости почвы, наилучшие физические условия имеют слои 5–10 и 10–20 см контрольного участка.

Таблица 4

Слой, см	Плотность, г/см3	Плотность твердой фазы, г/см3	Вид пористости, %
			Общая	Капиллярная	Некапиллярная
Конт			рольный участок
0–5	0,65	2,29	71,6	25,7	45,9
5–10	1,01	2,44	58,6	31,5	27,1
10–20	1,14	2,50	54,4	32,3	22,1
Центральная часть троп
0–5	1,36	2,33	41,6	32,5	9,1
5–10	1,34	2,50	46,4	31,8	14,6
10–20	1,33	2,57	48,3	34,4	13,9
Обочина троп
0–5	1,21	2,30	47,4	31,0	16,4
5–10	1,25	2,49	49,8	30,4	19,4
10–20	1,33	2,54	47,6	29,3	18,3

Основные физические характеристики почвы

Вместе с тем знание только общей пористости не позволяет получить полное представление о физическом состоянии почвы. Это обусловлено тем, что составляющие общую пористость мелкие капиллярные и крупные некапиллярные поры выполняют в почве различные функции. Поэтому для создания в поровом пространстве оптимального соотношения воды и воздуха капиллярная и некапиллярная пористость должны быть примерно равны, составляя порядка 25–30 % от общего объема почвы [4, 11]. Между тем, в уплотненных почвенных слоях троп большая часть порового пространства представлена мелкими капиллярными порами (см. табл. 4).

По мнению А.Г. Дояренко [5], распределение пор по размерам главным образом определяется размером и формой агрегатов. Из этого следует, что разное соотношение между капиллярной и некапиллярной пористостью исследуемых почвенных слоев обусловлено соответствующими различиями их структурного состояния. В свою очередь, плитовидная структура на тропах, вероятно, связана не только с деформационным воздействием, но и со значительной долей капиллярных пор, определяющих высокое содержание влаги. В результате влияния образующихся при ее замерзании линз льда и формируются агрегаты плитовидной формы.

Выводы . Рекреационные нагрузки на парковые леса Академгородка приводят к стихийному образованию многочисленных троп, физические свойства почвы на которых испытывают существенные негативные изменения. Прежде всего, они заключаются в увеличении плотности и уменьшении общей пористости за счет сокращения крупных некапиллярных пор. Во многом это обусловлено ухудшением структуры, что связано с переорганизацией первоначального сложения почвы, которое заключается в деформировании и укрупнении агрегатов.

Исходя из этого, для минимизации негативного рекреационного влияния на почвы, которое может привести к деградации парковых лесов Академгородка, следует проводить благоустройство образовавшейся тропиночной сети с целью улучшения ее почвенных физических параметров.