Восстановление и использование почвы: андосолей и реголита

Восстановление и использование почвы: андосолей и реголита

В рамках долгосрочной программы DREVO по восстановлению земель, созданию лесов, лесостепей и устойчивых лесосадов

1. Общая концепция

Долгосрочная программа DREVO должна работать не только с уже сформированными почвами, но и с более глубоким минеральным основанием территории.

В рамках проекта рассматриваются два принципиально разных природных ресурса:

андосоли — почвы, сформировавшиеся преимущественно из вулканического пепла и других вулканогенных материалов;

реголит — рыхлый или раздробленный материал, расположенный над коренной породой и включающий выветрелую породу, сапролит, минеральные обломки, наносы и иногда сформировавшиеся почвенные горизонты.

Реголит не следует автоматически называть плодородной почвой. Он может быть:

почти бесплодным минеральным субстратом;

сильно выветрелым материалом;

песчаным или щебнистым покрытием;

вулканическим пеплом;

лёссом;

аллювиальными или склоновыми отложениями;

засолённым материалом;

загрязнённым промышленным субстратом;

основой для постепенного формирования новой почвы.

В геологическом смысле реголит представляет собой покров рыхлого и выветрелого материала над более цельной коренной породой. Его состав и глубина могут значительно различаться даже в пределах одной территории. (usgs.gov)

Главная задача проекта:

не просто использовать минеральный материал как грунт, а постепенно преобразовать его в устойчивую живую почвенную систему.

Последовательность восстановления:

исходная порода или реголит → минеральный субстрат → первичная биологическая плёнка → растительный покров → органоминеральный горизонт → молодая почва → лесная почва → устойчивая почва лесосада.

2. Андосоли

2.1. Что такое андосоли

Андосоли формируются преимущественно в вулканических материалах, богатых вулканическим стеклом. Они особенно распространены в районах современной и древней вулканической активности. (isric.org)

Для них часто характерны:

высокая пористость;

сравнительно низкая объёмная плотность;

хорошая влагоёмкость;

развитая агрегатная структура;

способность накапливать значительное количество органического вещества;

высокая биологическая продуктивность при благоприятном управлении;

особая минералогия, связанная с аллофаном, имоголитом, ферригидритом и активными соединениями алюминия и железа;

сильное связывание фосфора.

Многие андосоли обладают высоким сельскохозяйственным потенциалом, однако их продуктивность нередко ограничивается интенсивной фиксацией фосфатов. Для коррекции этого свойства применяют органическое вещество, известкование, кремнийсодержащие материалы и тщательно рассчитанное фосфорное питание. (FAOHome)

2.2. Почему андосоли ценны для проекта

При сохранённой структуре андосоль может стать одной из лучших основ для:

горных лесов;

влажных лесосадов;

плодовых и орехоплодных систем;

питомников;

ягодников;

кофейных, чайных и других многолетних культур в подходящем климате;

накопления органического углерода;

водорегулирующих насаждений;

восстановления склонов.

Его физические свойства способны обеспечивать хорошее проникновение корней и воды. Однако свойства конкретного участка необходимо подтверждать анализом, поскольку андосоли существенно различаются по кислотности, глубине, степени выщелачивания, составу вулканического материала и содержанию органики.

2.3. Основные риски

Андосоли нельзя считать автоматически неуязвимыми.

Их деградация возможна вследствие:

вырубки леса;

пожаров;

глубокой вспашки;

чрезмерного выпаса;

пересушивания;

уплотнения техникой;

обнажения склонов;

водной и ветровой эрозии;

потери органического горизонта;

бесконтрольного внесения удобрений;

загрязнения тяжёлыми металлами и промышленной пылью.

В ненарушенном состоянии вулканические почвы могут хорошо сопротивляться эрозии, но после пожара или сильного нарушения их гидрологические свойства могут резко ухудшаться. (iforest.sisef.org)

Особенно опасно удаление верхнего тёмного органоминерального слоя. Его формирование могло занимать десятилетия или столетия, а восстановить его быстро невозможно.

3. Принципы восстановления андосолей

3.1. Сохранение существующего профиля

Первый принцип — максимально сохранить сформированные горизонты.

Необходимо избегать:

снятия плодородного слоя без необходимости;

перемешивания поверхностного горизонта с бедным нижним материалом;

движения тяжёлой техники по влажной почве;

длительного хранения снятой андосоли в высоких отвалах;

оставления почвы без покрытия;

выноса органической массы с участка без компенсации.

При строительстве или создании водных сооружений снятый верхний слой должен:

складироваться отдельно;

защищаться от размыва и пересыхания;

сохранять семенной и микробный материал;

возвращаться на поверхность восстановленного участка.

3.2. Восстановление органического горизонта

Используются:

листовой опад;

древесная щепа;

компост;

безопасный биоуголь;

измельчённые ветви;

покровные культуры;

бобовые растения;

многолетние злаки;

лесная подстилка из локальных безопасных источников;

зелёная масса, не содержащая загрязнителей.

Органическое вещество вносится постепенно. Нельзя превращать участок в толстый анаэробный слой неразложившегося материала.

3.3. Защита поверхности

На ранних стадиях применяются:

гидропосев местных трав;

мульча;

противоэрозионные маты;

ветви, уложенные по контуру;

живые кустарниковые барьеры;

террасирование;

контурные полосы;

небольшие водозадерживающие валы.

Структура почвы напрямую влияет на движение воды, аэрацию, развитие корней и устойчивость к эрозии. (FAOHome)

3.4. Управление фосфором

Поскольку андосоли способны очень сильно связывать фосфор, обычное увеличение дозы удобрения не всегда является лучшим решением.

Необходимы:

лабораторное определение доступного фосфора;

анализ pH;

оценка активного алюминия и железа;

применение органических материалов;

локальное, а не сплошное внесение;

использование микоризных растений;

подбор видов, способных эффективно использовать труднорастворимые формы фосфора;

исключение избытка фосфатов возле водных объектов.

Задача заключается не в максимальном внесении фосфора, а в создании стабильного биологического круговорота.

3.5. Работа с кислотностью

Часть андосолей имеет кислую реакцию.

В зависимости от результатов анализа могут применяться:

известняк;

доломит;

древесная зола только из чистого контролируемого сырья;

базальтовая мука;

органические материалы;

виды растений, приспособленные к умеренно кислой почве.

Известкование проводится постепенно, поскольку резкое изменение pH может нарушить микробное сообщество и изменить подвижность металлов.

4. Использование андосолей в структуре проекта

4.1. Природоохранные зоны

На наиболее глубоких, влажных и хорошо сохранившихся андосолях приоритет отдаётся:

природному лесу;

старовозрастным ядрам;

семенным рощам;

водосборным лесам;

территориям естественного возобновления.

Высококачественную андосоль не следует полностью переводить в интенсивное сельское хозяйство.

4.2. Природообразующий лес

В зависимости от климатической зоны могут использоваться:

дуб;

липа;

клён;

ясень;

бук;

каштан;

орех;

вяз;

пихта;

кедровая сосна;

местные вулканические лесные виды.

Выбор определяется не общей привлекательностью дерева, а:

высотой над уровнем моря;

температурой;

количеством осадков;

кислотностью;

ветровой нагрузкой;

глубиной почвы;

пожарным риском;

местной экологией.

4.3. Устойчивый лесосад

На безопасных андосолях возможно создание продуктивных зон:

плодовых деревьев;

орехоплодных;

ягодников;

винограда;

многолетних овощей;

лекарственных растений;

грибных культур.

При этом сохраняется часть природообразующего древесного каркаса, а плодовые культуры встраиваются в него постепенно.

4.4. Питомники

Благодаря хорошей влагоёмкости и структуре отдельные андосоли могут быть особенно ценными для питомников. Однако необходимо контролировать:

переувлажнение;

кислотность;

доступность фосфора;

повреждение структуры частой обработкой;

перенос почвенных патогенов;

вывоз плодородного материала вместе с саженцами.

5. Реголит

5.1. Что понимается под реголитом

В проекте DREVO термин «реголит» используется для обозначения рыхлого минерального покрова над коренной породой, который ещё не обязательно обладает полноценными свойствами почвы.

Реголит может включать:

выветрелую скальную породу;

сапролит;

щебень;

гравий;

песок;

пыль;

вулканический пепел;

лёсс;

наносы;

обломочные склоновые материалы;

минеральные отходы карьеров;

техногенно перемещённую породу.

Выветривание разрушает цельную породу и формирует раздробленный или зернистый материал, который впоследствии может поддерживать наземную жизнь и участвовать в образовании почвы. (pubs.usgs.gov)

5.2. Реголит как ресурс, а не готовая почва

Реголит может содержать полезный минеральный запас, но часто имеет серьёзные ограничения:

почти полное отсутствие органического вещества;

низкую биологическую активность;

слабую агрегатную структуру;

дефицит доступного азота;

ограниченный фосфор;

нестабильный водный режим;

высокую каменистость;

чрезмерную водопроницаемость или, наоборот, уплотнение;

токсичные минералы;

повышенную концентрацию металлов;

кислотность или щёлочность;

склонность к эрозии.

Поэтому цель проекта — провести педогенез, то есть управляемое формирование почвы на основе реголита.

6. Классификация реголита для проекта

Перед использованием реголит делится на функциональные категории.

Категория RG-1 — биологически перспективный

Материал:

не загрязнён;

имеет подходящий минеральный состав;

удерживает часть влаги;

доступен для корней;

не содержит опасного избытка солей;

может быстро преобразовываться в почву.

Применение:

лесостепь;

лесовосстановление;

защитные полосы;

будущий лесосад.

Категория RG-2 — бедный, но безопасный

Характеристики:

мало питательных веществ;

почти нет органики;

слабая водоудерживающая способность;

высокая каменистость.

Применение возможно после:

создания водосбора;

внесения органической массы;

посадки пионерных видов;

защиты от эрозии.

Категория RG-3 — физически проблемный

Материал:

уплотнён;

чрезмерно глинистый;

почти непроницаем;

слишком рыхлый;

нестабилен на склоне;

содержит крупные обломки.

Требует инженерно-почвенной подготовки.

Категория RG-4 — химически проблемный

Возможны:

высокая кислотность;

щёлочность;

засоление;

избыток бора;

токсичное содержание алюминия;

сульфидные минералы;

тяжёлые металлы.

Использование разрешается только после анализа и специальной ремедиации.

Категория RG-5 — опасный или непригодный

К ней относятся материалы, содержащие:

опасные промышленные отходы;

асбест;

радиоактивные компоненты;

высокие концентрации свинца, кадмия, мышьяка, ртути;

кислотогенерирующие шахтные породы;

другие неконтролируемые загрязнители.

Такой материал не используется в пищевых, лесосадовых или общественных зонах без изоляции и отдельного инженерного проекта.

7. Формирование почвы из реголита

Этап 1. Геологическое и химическое обследование

Определяются:

происхождение материала;

глубина;

гранулометрический состав;

минералогия;

pH;

электропроводность;

карбонаты;

соли;

доступные макро- и микроэлементы;

тяжёлые металлы;

способность образовывать кислотный сток;

водопроницаемость;

устойчивость склона.

Этап 2. Формирование рельефа

Реголит нельзя просто равномерно разровнять.

Создаются:

устойчивые склоны;

террасы;

микропонижения;

водосборные чаши;

контурные валы;

каменные линии;

безопасные переливы;

участки накопления мелкозёма;

защищённые карманы для посадки.

Этап 3. Создание мелкозёма

При слишком крупном и каменистом материале применяются:

механическое дробление части породы;

смешивание фракций;

добавление безопасной глины;

внесение мелкого минерального материала;

локальное устройство посадочных карманов;

удержание природной пыли и наносов.

Не следует полностью измельчать весь реголит. Крупные фрагменты:

защищают поверхность;

уменьшают испарение;

создают микроклимат;

удерживают мелкие частицы;

обеспечивают местообитания.

Этап 4. Внесение органического вещества

На начальном этапе органическое вещество вносится преимущественно локально:

в посадочные полосы;

в карманы;

вокруг кустарников;

вдоль водосборов;

под мульчу.

Используются:

компост;

древесная щепа;

солома;

листовой опад;

зелёная масса;

безопасный биоуголь;

ферментированный органический материал.

Большие дозы свежей органики нельзя глубоко закапывать в бедный реголит, поскольку это может вызвать анаэробные процессы.

Этап 5. Биологическое заселение

Последовательно вводятся:

бактерии и биологические плёнки;

лишайники и мхи — где они естественно развиваются;

однолетние травы;

многолетние злаки;

бобовые;

кустарники;

пионерные деревья;

долгоживущие природообразующие деревья;

лесной подлесок;

продуктивные элементы лесосада.

Этап 6. Формирование органоминерального горизонта

Через опад, отмирание корней, деятельность микроорганизмов и выветривание минералов формируется новый поверхностный горизонт.

Основные показатели:

появление устойчивых агрегатов;

увеличение содержания углерода;

снижение плотности;

улучшение инфильтрации;

рост влагоёмкости;

развитие грибной сети;

увеличение численности почвенных животных;

начало естественного возобновления растений.

8. Пионерные растения для реголита

Универсального набора не существует. Виды выбираются по климату и химии субстрата.

Для сухих и каменистых участков

местные засухоустойчивые злаки;

овсяницы;

житняк;

эспарцет;

люцерна при подходящем pH;

карагана;

лох;

можжевельник;

сосна;

дубы сухих местообитаний;

местные колючие кустарники.

Для влажных участков

ива;

ольха;

тополь;

осоки;

ситники;

тростниковые сообщества;

влаголюбивые травы.

Для кислых субстратов

берёза;

сосна;

некоторые виды ольхи;

вересковые;

кислолюбивые злаки;

местные лесные виды.

Для стабилизации склонов

многолетние злаки;

кустарники с разветвлёнными корнями;

ива на влажных склонах;

можжевельник;

местные почвопокровные растения;

деревья, адаптированные к неглубокой почве.

Пионерные виды используются как временная защитная система. Они не должны автоматически становиться единственным составом будущего леса.

9. Переход от реголита к лесу

0–5 лет

анализ;

формирование рельефа;

защита от эрозии;

управление водой;

локальное внесение органики;

первичный растительный покров.

5–16 лет

многолетние травы;

кустарники;

пионерные деревья;

первые долгоживущие деревья;

накопление подстилки;

мониторинг формирования почвы.

В 16 лет участок проходит первую расширенную экологическую оценку и может получить предварительный или постоянный паспорт природной зоны в соответствии с системой DREVO.

16–35 лет

расширение древесных групп;

создание лесостепной мозаики;

усиление грибной сети;

формирование молодого гумусового горизонта;

подсадка дуба, липы, клёна, ясеня, кедровых сосен и других каркасных видов.

35–75 лет

формирование молодого леса;

развитие нескольких ярусов;

появление естественного подроста;

создание световых окон;

начало осторожного включения плодовых и орехоплодных культур.

75–150 лет

зрелая лесная почва;

разновозрастный древесный состав;

природообразующий каркас;

лесостепные и водные зоны;

устойчивый лесосад на наиболее безопасных и плодородных участках.

150–300 лет

естественное обновление;

замена первых поколений деревьев;

сохранение старовозрастных ядер;

развитие глубокого почвенного профиля;

адаптация состава леса к изменившемуся климату;

передача паспортизированных зон следующим поколениям.

10. Искусственные почвенные композиции

В отдельных случаях реголит может использоваться для создания проектируемой почвы.

Возможная структура:

Нижний минеральный слой

крупный реголит;

дренирующий материал;

устойчивая выветрелая порода.

Средний корнеобитаемый слой

мелкий реголит;

песок;

суглинок;

глина;

минеральные добавки;

небольшая доля стабильного органического вещества.

Верхний биологический слой

зрелый компост;

местная безопасная почва;

листовой перегной;

мульча;

корни покровных растений.

Точные пропорции нельзя устанавливать универсально. Они рассчитываются по:

текстуре;

влагоёмкости;

климату;

назначению;

минеральному составу;

глубине профиля;

требованиям растений.

11. Использование вулканического реголита

Свежий вулканический материал может быть перспективным источником минералов, но не является готовой плодородной почвой.

Для его освоения необходимы:

стабилизация поверхности;

снижение ветрового переноса пепла;

управление водой;

накопление органического вещества;

заселение микроорганизмами;

внесение азотфиксирующих растений;

контроль доступности фосфора;

оценка кислотности;

проверка на токсичные элементы.

С течением времени вулканический реголит может перейти в молодую вулканическую почву, а затем при подходящих условиях — в почву с андическими свойствами.

12. Использование реголита в хозяйстве проекта

После подтверждения безопасности реголит может применяться для:

формирования террас;

противоэрозионных валов;

восстановления карьеров;

создания лесных посадочных площадок;

строительства водопроницаемых дорог;

устройства минеральных фильтров;

создания субстратов для непищевых растений;

получения минеральных фракций;

формирования искусственных почв;

устройства питомниковых смесей;

восстановления склонов.

Но перед перемещением материала необходимо оценивать:

не переносится ли загрязнение;

не разрушается ли естественный профиль;

не создаётся ли кислотный сток;

не изменяется ли водный режим;

не изымается ли ценный геологический или почвенный ресурс.

13. Ограничения

В рамках проекта запрещается:

добывать андосоль как обычный товарный грунт без экологического обоснования;

снимать верхний слой с природных вулканических лесов;

смешивать загрязнённый реголит с чистой почвой для «разбавления»;

использовать неизвестный шахтный материал в лесосадах;

высаживать пищевые растения на непроверенном субстрате;

глубоко закапывать большие объёмы свежей органики;

проводить сплошную посадку деревьев без оценки водного баланса;

считать появление растительности доказательством безопасности почвы;

вывозить минеральный материал из охраняемых природных зон;

создавать монокультуры на восстановленном реголите.

14. Паспорт андосоли и реголита

В цифровой паспорт природной зоны добавляется специальный почвенно-геологический раздел.

Для андосоли фиксируются

происхождение вулканического материала;

классификация почвы;

глубина профиля;

содержание органического углерода;

объёмная плотность;

влагоёмкость;

pH;

доступный и связанный фосфор;

активный алюминий и железо;

состояние структуры;

степень эрозии;

история пожаров;

тип растительности;

режим использования.

Для реголита фиксируются

геологическое происхождение;

глубина до коренной породы;

степень выветривания;

гранулометрический состав;

минералогия;

каменистость;

pH и соли;

содержание металлов;

водопроницаемость;

устойчивость склонов;

глубина формирующейся почвы;

содержание органического вещества;

стадия биологического освоения.

Статусы развития

15. Главный принцип проекта

Андосоль необходимо прежде всего сохранять и восстанавливать. Реголит необходимо исследовать, стабилизировать и постепенно превращать в живую почву.

Основная последовательность:

геологическая диагностика → оценка безопасности → управление рельефом и водой → защита поверхности → внесение органического вещества → биологическое заселение → травы и кустарники → пионерный лес → природообразующие деревья → зрелая лесная почва → устойчивый лесосад.

В масштабе 150–300 лет реголит рассматривается не как бесплодный материал, а как основание будущей почвы, а андосоль — не только как сельскохозяйственный ресурс, но и как ценное живое природное наследие.

Этот раздел логично связать с системой экологической паспортизации: в паспорт растения и природной зоны вносится не только тип почвы, но и стадия превращения реголита в живой почвенный профиль.

Лесосад нужно описать не как «деревья + кусты + травы», а как система воды, почвы, света, корней, опылителей, урожая и постепенной смены растительности.

Агролесоводческие системы при грамотном проектировании могут одновременно улучшать плодородие почвы, удержание воды, защиту от ветра, биоразнообразие и устойчивость производства. Но при неправильной плотности и подборе видов деревья начинают конкурировать с культурами за свет, воду и питание. (FAOHome)