Дискретная (прерывистая) обработка почвы, в том числе созданием микроповышений с помощью экскаваторов при искусственном лесовосстановлении, широко применяется за рубежом [1, 2]. Ее преимущества [3] вызвали большой интерес и в России, особенно их использование при создании микроповышений, что в определенных типах леса позволяет повысить приживаемость лесных культур [4, 5], особенно при использовании посадочного материала с закрытой корневой системой.
Микроповышения (приподнятые посадочные места) состоят из перевернутой почвы и лесной подстилки и лежат на ненарушенной почве. Они благоприятны для приживаемости и роста растений на свежих и влажных участках за счет лучшего прогрева, наличия в их толще органического вещества подстилки, оттока избыточной влаги [6]. Подготовка микроповышений при лесокультурном производстве не требует предварительной корчевки и является альтернативой плужной обработке почвы. Однако в этом случае оставшиеся на вырубке порубочные остатки, пни, камни могут привести к существенным различиям в качестве микроповышений. Этим различиям могут также способствовать почвенные условия, особенно глубина залегания почвообразующих пород, а также навыки работы экскаваторщика по глубине захвата почвы ковшом. Различия в строении микроповышений, участие в их сложении тяжелых по гранулометрическому составу нижних слоев почвы может изменить как химические, так и физические свойства корнеобитаемого слоя почвы, в котором будут укореняться посаженные сеянцы. Для успешного лесовосстановления рекомендуется принимать во внимание определение характеристик почвы в качестве важного показателя до или во время работ [7].
Изучение качества микроповышений в конкретных почвенно-лесорастительных условиях позволит провести корректировку технологических процессов и дать рекомендации по подготовке посадочных мест для повышения приживаемости и улучшения роста лесных культур.
Цель исследования – изучить строение и физические свойства в корнеобитаемом слое микроповышений, создаваемых экскаваторами при обработке почвы под лесные культуры в Республике Коми.
Материалы и методы исследования
Исследования проведены на 28 лесокультурных площадях в Двинско-Вычегодском таежном лесном районе в Койгородском, Сысольском и Прилузском лесничествах Республики Коми. По лесорастительному районированию территория исследований относится к подзоне средней тайги. Лесные культуры заложены в 2013–2023 гг. по общепринятым в регионе нормативам [8] на вырубках из-под ельников и сосняков черничного, брусничного, травяного, кисличного и долгомошного типов леса.
Обработка почвы на всех лесокультурных площадях была проведена тяжелыми экскаваторами с применением стандартного ковша объемом 0,8–1,1 м3 с созданием дискретных микроповышений шириной в среднем 1,1 м (от 0,6 до 1,6 м) и длиной 1,3 м (от 0,9 до 2,2 м). Расстояние между микроповышениями составляло от 1,0 до 3,0 м. Высота микроповышений, состоящих из переслоенных/перемешанных горизонтов захваченной ковшом экскаватора почвы составляла 5–60 см. Высаживали 1–3-летние сеянцы сосны и ели с закрытой корневой системой, применяя посадочные трубы Pottiputki. Густота культур не менее 2,0 тыс. шт. на 1 га.
При обследовании лесных культур закладывали учетные площадки размером 25 х 25 м, число которых зависело от площади вырубки. Кроме общепринятых показателей качества и роста лесных культур большое внимание уделено изучению почвенных условий в местах посадки растений, согласно принятым в почвоведении методам, применяемым в подобных исследованиях [9, 10].
На каждом участке лесных культур закладывали почвенный разрез, делали описание горизонтов почвенного профиля. Изучили физические свойства почвы в корнеобитаемом слое 0–20 см 10 микроповышений и 10 точек отбора на пасеке (в ненарушенных техникой условиях) на каждом участке лесных культур. Образцы почвы отбирали с середины корнеобитаемого слоя с помощью металлического цилиндра с режущими краями (бура) объемом 52,78 см3 (диаметр 4,1 см, длина 4 см). В лабораторных условиях определили полевую влажность, плотность сложения, плотность твердой фазы, общую пористость и пористость аэрации почвы. Изучили детальное строение толщи 55 микроповышений с разделением ее на составляющие горизонты.
Для проверки исследуемых выборок на нормальность распределения оценили их статистические показатели и применили критерий Колмогорова – Смирнова. Для сравнения физических свойств между микроповышениями и участками, где не было обработки почв, применили t-критерий на 0,05 уровне вероятности. Для установления взаимосвязи между показателями применили коэффициент Ро Спирмана. Для установления доли прямых и обратных связей применили коэффициент корреляции Тау-b Кендалла. Все расчеты были проведены в программе SPSS 22 (IBM Inc., Armonk, NY, USA).
Результаты исследования и их обсуждение
В подзоне средней тайги Республики Коми, где проводились наши исследования, наиболее распространены почвы подзолистого типа почвообразования [11, с. 102], что и наблюдалось на изученных участках лесных культур. Текстурно-дифференцированные подзолистые почвы встречены на 46 % изученных площадей лесных культур, остальные были представлены альфегумусными подзолистыми (с микропрофилем подзола) и подбурами (скрытоподзолистыми), которые составляли 18 и 36 % соответственно. В ряде случаев (долгомошные условия местообитания) отмечены признаки поверхностного оглеения.
Особенностью почв региона является их формирование на суглинистых моренных и покровных (пылеватых) суглинках [11, с. 29], что приводит к тому, что уже на глубине 30–40 см почвенного профиля наблюдается заметное увеличение содержания физической глины (частицы менее 0,01 см) до значений более 30 %. Формируются горизонты со среднесуглинистым и тяжелосуглинистым гранулометрическим составом [11, 12]. В нашем случае глубина залегания тяжелых по гранулометрическому составу горизонтов почвы, обозначенных нами ВС/С, составила от 32 до 85 см. Более чем в половине почвенных разрезов слои средних суглинков были на глубине менее 50 см и могли захватываться ковшом экскаватора и выноситься на поверхность микроповышений, участвуя в их строении. Более глубокое залегание средних суглинков было характерно для альфегумусных почв в хорошо дренированных условиях.
Захват почвы экскаватором достаточно изменчив. Высота микроповышений в культурах 1–5-летнего возраста значительно варьирует – от 10 до 60 см (в среднем 23,3 см). Однако через 5 лет после их создания микроповышение оседает, и переотложенная толща в культурах, созданных 6–10 лет назад, составляет от 5 до 28 см (в среднем 17,2 см). При этом толща переотложенных нижних средне- и тяжелосуглинистых горизонтов на поверхности микроповышений составляет до 80 % от высоты микроповышения. Посадка сеянцев ЗКС производится в толщу нижних неплодородных и тяжелых по гранулометрическому составу пород.
Изучение строения микроповышений, созданных экскаватором, показало, что в 69 % случаев на их поверхность выносится средний/тяжелый суглинок нижних горизонтов почвы, более чем в половине случаев (40 %) слой суглинка покрывает турбированный горизонт, состоящий из смеси или переслоенных горизонтов, составляющих верхние слои почвы (лесная подстилка, подзолистый, иллювиальный), имеющие более легкий гранулометрический состав. На участках подбуров, где подзолистый горизонт не выражен, формируются микроповышения, состоящие из смеси горизонтов В и ВС/С, имеющих близкий гранулометрический состав (средний суглинок). В ряде случаев (10 %) элювиальный горизонт сохраняет свою толщу (2–3 см) и оказывается в нижней части смешанного горизонта, контактируя с лесной подстилкой исходной почвы. При более глубоком расположении почвообразующей породы экскаватор захватывает только горизонты элювиальный (2 %) или иллювиальный (4 %) или их смесь (17 %), не вынося на дневную поверхность нижележащие тяжелые по гранулометрическому составу слои почвы. Однако по крайней мере в 70 % случаев корнеобитаемый слой представлен нижними горизонтами почвы, имеющими достаточно тяжелый гранулометрический состав (средний и тяжелый суглинок), который отразится на физических и химических свойствах, необходимых для роста растений.
Сравнили физические свойства (табл. 1) в корнеобитаемом слое микроповышений и нативной почвы на пасеках, не затронутых антропогенными нарушениями при обработке почвы под лесные культуры. Наиболее выражены различия (на уровне 95 %), обусловленные строением микроповышений, наблюдаются по влажности и общей пористости. Различия по плотности сложения доказаны на уровне 90 %), однако также подтверждают тенденцию существования различий в физических свойствах микроповышений относительно нативной почвы.
Проанализировали влияние нижних средне- и тяжелосуглинистых горизонтов почвы, участвующих в строении микроповышений, созданных экскаваторами, на физические свойства в корнеобитаемом слое (0–20 см). По 10 точкам опробования для каждой лесокультурной площади (всего 280 микроповышений) установили количество (%) микроповышений, в которых в месте отбора образцов (середина толщи исследования) присутствовал горизонт ВС/С (средний или тяжелый суглинок).
Таблица 1
Средние значения физических свойств почвы в корнеобитаемой толще микроповышений и пасек (t0,05 = 2,059; t0,1 = 1,701; n = 28)
|
Показатель |
Микроповышение |
Пасека |
Критерий Стьюдента |
|
Плотность сложения, г/см3 |
1,40 ± 0,041 |
1,28 ± 0,052 |
1,80* |
|
Полевая влажность, % |
23,3 ± 1,50 |
32,1 ± 3,30 |
2,45** |
|
Плотность, г/см3 |
2,41 ± 0,022 |
2,44 ± 3,300 |
0,91 |
|
Пористость общая, % |
41,5 ± 1,70 |
47,2 ± 2,16 |
2,07** |
|
Пористость аэрации, % |
10,1 ± 1,90 |
9,5 ± 1,40 |
0,25 |
Примечание: * – достоверные различия на 10 % уровне значимости; ** – достоверные различия на 5 % уровне значимости.
Данные, представленные на рисунке, показывают четко заметные тенденции повышения среднего показателя плотности сложения и снижения общей пористости, особенно пористости аэрации, в середине корнеобитаемой толщи микроповышений, при увеличении доли посадочных мест с наличием на их поверхности нижних горизонтов почвы, вынесенных ковшом экскаватора.
Данные закономерности подтверждаются статистически (табл. 2). Плотность сложения и общая пористость достоверны в 65 % случаях (на уровне 0,05), а пористость аэрации – в 77 % (на уровне 0,01).
Влияние доли нижних горизонтов (ВС/С) на физические свойства почвы в толще корнеобитаемого слоя микроповышений, создаваемых экскаваторами
Таблица 2
Корреляционная связь частоты встречаемости нижних горизонтов с физическими свойствами почвы в корнеобитаемой толще микроповышений, подготовленных экскаваторами (N = 27).
|
Показатель |
Коэффициенты |
|
|
Тay-в Кендалла |
Ро Спирмена |
|
|
Влажность, % |
0,045 |
0,036 |
|
Плотность сложения, г/см3 |
0,318* |
0,424* |
|
Пористость общая, % |
-0,300* |
-0,421* |
|
Пористость аэрации, % |
-0,536** |
-0,704** |
Примечание. * – достоверно на уровне 0,05; ** – достоверно на уровне 0,01.
Данные показывают, что вынос нижних горизонтов почвы, имеющих средне- и тяжелосуглинистый гранулометрический состав и расположенных в толще почв региона на глубине ниже 40 см, в верхнюю часть микроповышений, где расположен корнеобитаемый слой и место заглубления корней/стаканчиков ЗКС, может стать проблемой ухудшения приживаемости и роста сеянцев после посадки их на лесокультурную площадь. Физические свойства почвы во многом определяются генезисом почвообразующих пород и их гранулометрическим составом [13, с. 43]. Вынос нижних горизонтов почвы на место корнеобитаемого слоя изменит диапазон оптимума для обеспечения воздухом и влагой посаженных сеянцев, повлияет на обеспеченность элементами питания. Все это повлечет за собой снижение приживаемости посадочного материала, ухудшение роста сеянцев и скажется на качестве лесных культур.
Кроме того, наблюдается пестрота строения микроповышений, а следовательно, и свойств в зоне обитания корней высаженных сеянцев. Это будет увеличивать вариабельность роста лесных культур в посадочных местах. Немаловажно и то, что возрастает изменчивость свойств при определении средних значений для участка лесных культур при проведении исследований по оценке качества микроповышений и их соответствия условиям произрастания сеянцев сосны и ели.
Заключение
При подготовке микроповышений экскаватором для посадки лесных культур в Республике Коми имеется ряд региональных особенностей, связанных с характеристиками почвенного покрова. Одной из них является близость к дневной поверхности средне- и тяжелосуглинистых горизонтов почвы, что обусловлено как лессированием тонкодисперсных частиц при подзолистом типе почвообразования, так и формированием почв на суглинистых почвообразующих породах. Это приводит к значительному участию в строении микроповышений, особенно верхнего корнеобитаемого слоя (толщи 20 см), достаточно тяжелых пород нижних горизонтов почвы, что приводит к ухудшению физических свойств в местах распространения корней посаженных растений. Имеются достоверные тенденции в повышении плотности сложения, снижении общей пористости и пористости аэрации.
Подобные явления при обработке почвы под лесные культуры должны учитываться при подготовке машинистов-экскаваторщиков, чтобы снизить глубину захвата почвы ковшом и угрозу выноса нижних, достаточно тяжелых по гранулометрическому составу слоев почвы в корнеобитаемую толщу формируемых микроповышений. Возможно, следует применять более легкий, меньший по объему ковш экскаватора.