Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Формирование почвы как высокоорганизованной многофазно-твердофазной биокосной природной системы обеспечивается (в соответствии с центральной парадигмой почвоведения – формулой Докучаева – Иенни) взаимодействием факторов почвообразования (материнских пород, климата, биоты, рельефа, времени), которое реализуется в протекании элементарных почвообразовательных процессов (ЭПП) [7]. Результатом протекания ЭПП становится накопление и распределение в толще литоматрицы твердофазных остаточных продуктов функционирования (ТОПФ) [5, 6]. В концептуальном отношении самоорганизация почв выражается в переходе от функционирования почвенной системы, которое начинается с ноль-момента ее состояния и потенциально бесконечно, к собственно педогенезу – необратимому самотормозящему процессу, имеющему экзогенно и эндогенно обусловленные пределы реализации [8] в рамках биосферного, ландшафтного, экосистемного и собственно почвенного аттракторов. Под аттрактором в синергетике понимается [4] «притягивающее» состояние относительной устойчивости системы определённого типа, к которому сходятся индивидуальные траектории её развития, различающиеся начальными условиями. Это своего рода «цель развития» системы. В экологии этому понятию соответствует представление о климаксе (моноклимаксе, поликлимаксе, квазиклимаксе) экосистем, в географии – эквифинальное состояние геосистемы, а в почвоведении – понятие зональной, климаксной почвы. В представлении В.О. Таргульяна аттракторы развития почвы – это устойчивые диагностические признаки (горизонты) определенного типа почвообразования [8]. В данной статье представлена попытка выявления аттракторов развития гумусового горизонта чернозёмов путём анализа траекторий формирования его мощности, по результатам почвенно-хронологических исследований, проведённых автором в 1998–2015 гг.

Результаты исследования и их обсуждение

Гумусовый горизонт – наиболее важный в биосферном отношении почвенный морфон, развитие которого удобно исследовать методом хронорядов экспонированных почв. Нами (в сотрудничестве с проф. Ф.Н. Лисецким) составлен банк данных о мощности гумусового горизонта разновозрастных чернозёмов (База почвенно-хронологических данных. Свидетельство об официальной регистрации базы данных № 2010620434. Зарег. в Реестре баз данных 16.08.2010 г.), на основе изучения морфологии новообразованных почв, сформировавшихся на датированных поверхностях различного происхождения (археологические, беллигеративные, техногенные и др. объекты). Общий анализ этих данных представлен в монографии [2].

В развитии чернозёмов лесостепной и степной зон нами был установлен феномен резкого (на два порядка) замедления скорости формирования гумусового горизонта в хроноинтервале n·10² лет. На графике, объединяющем траектории индивидуального развития почв в различных по благоприятности для почвообразования условиях это замедление выглядит следующим образом (рис. 1). Замедление происходит при достижении 20 % от наибольшей среднестатистической мощности гумусового горизонта лесостепных чернозёмов. Для разных условий почвообразования можно сказать, что скорость роста гумусового горизонта резко замедляется при достижении мощности 150–200 мм.

Рис. 1. Зависимость скорости формирования гумусового горизонта лесостепных черноземов от степени его зрелости (предельной мощности, 1200 мм) в разных условиях почвообразования

Логике процесса формирования гумусового горизонта черноземов в первые десятилетия образования почв на экспонированном рыхлом субстрате, вероятно, соответствует модель, отражающая довольно быстрое возрастание скорости почвообразования (вследствие увеличения поступления органического вещества в субстрат в ходе развития фитоценоза, становления микробиоценоза, почвенной фауны). Затем, после достижения пика, модель должна отражать постепенное снижение скорости почвообразования по мере установления баланса органического вещества в зоне максимального освоения субстрата почвенной биотой. В дальнейшем, на тысячелетнем этапе педогенеза скорость формирования гумусового горизонта суббореальных чернозёмов может несколько возрастать (от 0,11 до 0,18 мм/год) как следствие перераспределения органического вещества по профилю, но в итоге медленно снижается до значений около 0,05 мм/год. В имитационном моделировании такие динамические особенности процесса могут быть описаны с помощью s-образной функции Гомперца [2] (рис. 2).

Гумусовый горизонт на ранних стадиях развития почв должен выполнить экосистемные функции накопления гумуса и элементов минерального питания, создания слоя, благоприятного по физическим свойствам для развития подземных органов растений (прежде всего, почек возобновления криптофитов и гемикриптофитов), для обитания почвенной фауны сапрофагов. Эти функции реализуются в слое мощностью до 200 мм, которая изначально обусловлена структурой подземных ярусов фитоценоза. Именно в этом слое гумифицируется значительная часть подземного опада травянистых растительных группировок, в которых доминируют злаки. Вероятно, на данном этапе почвообразования ведущую роль проявляют факторы биоты и материнской породы. Таким образом, в первые десятилетия роста мощности гумусового горизонта почвенная система достигает первого аттрактора развития, сохраняя асимптотическую устойчивость на протяжении нескольких столетий. При этом в процессе достижения гумусовым горизонтом определённого предела в функциональном развитии формируются предпосылки для медленного роста в области «притяжения» второго аттрактора, соответствующего климатически обусловленной предельной мощности гумусового горизонта. Возникает область перехода, характеризующаяся повышенной сенсорностью почвенной системы к действию нового ведущего фактора почвообразования – климата (рис. 2).

На рис. 3 представлена схема теоретических оснований для моделирования процесса роста гумусового горизонта новообразованных чернозёмных почв.

Процесс формирования гумусового горизонта лесостепных черноземов можно описать следующей системой уравнений, построенных на основе функции Гомперца:

(1)

где Нt – мощность гумусового горизонта, мм; t – время почвообразования, годы.

Рис. 2. Области действия и смены аттракторов на графике роста мощности гумусового горизонта лесостепных чернозёмов (Н, мм) во времени (t, годы). Ось времени представлена в логарифмированном виде

Рис. 3. Схема процесса роста гумусового горизонта лесостепных чернозёмов

Исследование полученного уравнения даёт следующие результаты. Скорость формирования гумусового горизонта лесостепных чернозёмов в основную фазу роста на начальном этапе рецентного почвообразования составляет 1,5–2,1 мм/год с максимумом в 28-летнем возрасте почвы. В наиболее благоприятных условиях скорость формирования генетического профиля почвы превышает 8 мм/год. Стабилизация процесса начинается в 60-летнем возрасте почвы. В это время, очевидно, происходит изменение соотношения механизмов роста гумусового горизонта: преимущественно «инситное» его формирование в зоне активного гумусонакопления сменяется превалированием элювиально-иллювиальной ассимиляции породного материала нижележащих горизонтов почвы. В масштабах общего характерного времени формирования гумусового горизонта черноземов этот период «перестройки» довольно узок: его продолжительность вряд ли превышает 100–200 лет. Расчетным путем (решением системы уравнений (1) и их производных) можно определить хроноинтервал развития почвы, в котором динамика формирования гумусового горизонта начинает описываться уравнением «медленного роста» – 70–170 лет.

С позиций синергетики такое поведение почвенной системы соответствует схеме кризиса в её развитии, обусловленного онтогенетическими причинами. Результатом этого кризиса является смена аттрактора. Это хорошо заметно на графике объединённых фазовых траекторий (рис. 3), построенном для хроноряда развития гумусового горизонта лесостепных чернозёмов с возрастом 7–7900 лет. В таблице представлены статистические характеристики выделенных аттракторов.

Рис. 4. Зависимость скорости формирования гумусового горизонта лесостепных чернозёмов от его мощности

Статистические характеристики аттракторов формирования гумусового горизонта чернозёмов

Первый аттрактор, названный нами «экосистемным», характеризуется медианной скоростью 2,67 мм/год, имеет более «рыхлую» структуру, по сравнению со вторым – «климатическим». Это связано с большей «свободой поиска» устойчивого состояния почвенной системы и, вероятно, с большей управляемостью её развитием. Главный предиктор роста гумусового горизонта на данном этапе почвообразования – мощность зоны активного гумусонакопления, соответствующая слою с наибольшей концентрацией подземного опада травянистых экосистем [3]. Второй аттрактор, с медианной скоростью роста гумусового горизонта 0,23 мм/год, обусловлен более жёстким предиктором – зональным биоклиматическим потенциалом почвообразования [1], который характеризуется меньшей вариабельностью в пределах одной климатической зоны, чем, например, разнообразие субстратно-фитоценотических условий почвообразования. Медианные центроиды аттракторов имеют следующие значения в системе координат мощность/скорость роста:

1) 94 мм; 2,64 мм/год;

2) 271 мм; 0,23 мм/год.

В онтогенетической шкале это положение соответствует 8 и 23 % от предельной мощности, а в хронологической – возрасту почв в 38 и 1188 лет.

Заключение

В эмпирически установленной смене режимов формирования гумусового профиля черноземов, очевидно, проявляется наличие кризиса, связанного со снижением фиксации гумусовых веществ в почвенном материале в зоне «инситного» гумусонакопления и высокой интенсивности зоогенного перемешивания, а также переходом к медленному распределению гумусовых веществ вниз по профилю за счёт преимущественно абиотических процессов. Это позволяет судить о разных по значимости уровнях мощности гумусового горизонта:

1) экологически достаточном, обеспечивающем устойчивое функционирование экосистемы;

2) климатически обусловленном – имеющем биосферное значение.

В управлении развитием почв необходимо особое внимание уделить воспроизводству почв в области «экосистемного аттрактора», т.к. это состояние почвенной системы определяет продукционные характеристики биоценоза. Вместе с тем задачи охраны почв обязательно должны включать сохранение полноценного габитуса гумусового профиля, как депонирующего углерод блока биосферы.

Исследования выполнены при поддержке гранта Президента РФ МД-6807.2015.5.