При анализе предрасположенности каждого из почвенных профилей, расположенных на склоне, к воздействию водно-эрозионного процесса может быть использован расчет средневзвешенного скользящего значения рельефной функции, обычно учитывающей длину и крутизну склона, а для выявления различий почвообразовательного потенциала - оценку склоновой дифференциации условий тепло- и влагообеспеченности расчетным методом [6]. Микроклиматические условия имеют существенное влияние на агроэкологию склонов, но они в расчетных формулах чаще всего не отражаются, т. к. трудно поддаются формализации [10]. Поэтому изучение в реальных условиях особенностей функционирования почв, расположенных в пределах склоновых микрозон, и количественная оценка выявленных различий представляется актуальной задачей.
Объекты исследования
Позиционно-динамическая последовательность почвенных разновидностей, сформировавшихся, как правило, на одних и тех же материнских породах, но при различиях высотного уровня, уклона рельефа и неодинаковых характеристиках стока воды, называется катеной. Склоновая дифференциация поверхностного стока (при сходных инфильтрационных свойствах почв) определяет различия в глубинах затухания процесса ассимиляции подгумусовых горизонтов и представляет одну из причин закономерного изменения морфологии почвенных профилей на топокатене. В последнее время понятие катена стало более широким: почвенно-гидрологический и ландшафтно-геохимический аспекты термина дополнены почвенно-эволюционным содержанием. Этому способствовало появление результатов изучения топокатен на датированных объектах, включая рукотворные. Справедливо отмечено [2], что до последнего времени при почвенно-археологических исследованиях памятников, включая курганы, основное внимание уделялось изучению погребенных педохронорядов и в гораздо меньшей степени - дневных.
Курганы представляют собой локальные геокомплексы с фациями куполовидной вершины с ксероморфной растительностью, разноэкспонированных склонов и рва с мезофитной растительностью. На больших курганах, порой имеющих высоту до 19 м, сформировались ландшафтные микрозоны с вертикальной дифференциацией растительности [9] и почв. Земляные валы чаще всего уступают курганам по высоте, а соответственно и по длине катен, но на валах легче перейти от уникальности объектов к их типичности. Изучение почвенного покрова и катенарных различий почвенных свойств на оборонительных валах античного времени было предпринято ранее [5].
При выявлении экологических различий разноэкспонированных склонов, особенно в условиях агроландшафта, трудно соблюсти принцип единственного различия (из-за их удаленности, особенностей рельефа и почвенного покрова, включая его эродированность). Этим объясняется выбор объектов данного исследования - датированных земляных сооружений, полярные склоны которых находятся на небольшом линейном удалении друг от друга. Такие земляные насыпи, как курганы и валы, можно рассматривать в качестве натурных моделей склоновых ландшафтов.
В настоящей работе представлены результаты изучения разноэкспонированных склонов вала возрастом 360 лет и кургана возрастом 3000 лет. Дополнительный аргумент в пользу выбора антропогенных земляных сооружений древности для сравнительного анализа разноэкспонированных склонов обусловлен тем, что первоначально их отсыпали смесью гумусовых горизонтов почвы и, таким образом, их можно рассматривать в качестве моделей с идентичными по свойствам субстрата стартовыми условиями почвообразования.
Земляной вал представляет собой часть «Белгородской засечной черты» общей длиной почти 800 км. Изучали хорошо сохранившийся фрагмент оборонительной системы (городок и примыкающий к нему вал), который находится в 1 км от х. Бриллиантов, у трассы Белгород-Томаровка (рис. 1, 2). Этот участок вала соединял города-крепости Белгородской черты - Карпов и Болховец, выстроенные в 1646 г.
Рис. 1. Топографическая карта 1955 г.
Рис. 2. Космоснимок района исследования (стрелками указано местоположение земляного вала)
Оборонительный вал был отсыпан на приводораздельном плато с абсолютными высотами 190-200 м. Фоновая почва - чернозем типичный мощный слабогумусированный высоковскипающий среднесуглинистый. Трансект, заложенный через систему «вал-ров», т.е. с СВ на ЮЗ, позволил получить следующие морфометрические характеристики оборонительного сооружения: общая длина поперечного сечения вала со рвом - 17,8 м, ширина вала по основанию - 8,5 м, относительная высота вала над уровнем тальвега рва - 3 м. Средняя крутизна южного микросклона (длиной 9,4 м) от гребня до днища рва - 17,6º (31 %). Почвообразующей породой является насыпной субстрат, состоящий из почвенного материала, перемешанного с лессовидным суглинком. Степень участия последнего выше в зоне «ядра» вала. Очевидно, что весь период педотопокатена находилась под воздействием степных условий. Ныне здесь доминирует разнотравно-злаковая растительность (полынно-шалфейно-ковыльная ассоциация) с возрастающей мезофитизацией фитоценозов в нижней части склонов. Мощность новообразованного гумусового горизонта меняется по склону от 10 до 35 см.
Второй объект исследования - типичный курган, который находится в 1,5 км от с. Цаповка Борисовского р-на Белгородской области. Он расположен на водоразделе с высотами 230-240 м, диаметр насыпи составляет около 30 м, ее относительная высота- 4 м, на турбированной вершине кургана еще недавно находился пункт триангуляции. Курган задернован злаково-разнотравной растительностью и незначительно различается по количеству видов флоры (6-7) на вершине и склонах. Средняя крутизна склонов кургана - 12,20 (21 %). В 32 м от этого кургана, в пределах пашни находится низкий (1,2 м) курган, на вершине которого зафиксирована мощность гор. А и АВ=25 и 24 см, что позволило почвенно-хронологическим методом датировать время его сооружения - 3000 лет назад. Этим же временем (эпохой бронзы) можно гипотетично датировать большой курган и почвы на его склонах, предполагая синхронность сооружения курганов в пределах одного могильника.
Методика
По результатам теодолитной съемки построен поперечный профиль вала (рис. 3) и трехмерная модель кургана (рис. 4). Координаты объектов исследования по GPS-приемнику: 50º39/52// с. ш., 36º 23/6// в. д. (вал), 50º28/13// с. ш., 35º58/59// в. д. (курган)).
Рис. 3. Поперечный профиль земляного вала Белгородской черты
Рис. 4. Трехмерная модель кургана и его окружения
В мае-июне для характерных местоположений топокатен (на вершинах, бровках, склонах и подошвах северной и южной экспозиции) отбирали послойно (0-20, 20-40, 40-60 см) почвенные образцы в трехкратной повторности. В образцах определяли влажность почвы и объемную массу до глубины 40 см.
На минимально возможном удалении от каждого из объектов, но при сходных растительных условиях заложены контрольные почвенные разрезы, в которых также одновременно определяли влажность почвы.
Статистическое сравнение двух независимых выборок сводилось к проверке нулевой гипотезы о различии запасов влаги в слое почвы 40 см на вершине вала и склоне северной экспозиции, вершине и склоне южной экспозиции, а также между полярными склонами.
Результаты
Сопоставление условий увлажнения в отдельных геоморфологических микрозонах земляного вала можно выполнить по влажности почвы на глубинах 0-60 см, а также по запасам влаги на глубинах почвы до 40 см (табл. 1).
Таблица 1. Характеристики увлажнения отдельных геоморфологических микрозон земляного вала
Глубина, см |
Объемная масса, г/см3 |
Влажность, % |
Запас влаги (мм) в слое почвы |
|
0-20 см |
0-40 см |
|||
Вершина вала |
||||
0-20 |
1,07 |
18,38 |
39,31 |
76,70 |
20-40 |
1,00 |
18,68 |
37,39 |
|
40-60 |
- |
19,82 |
- |
- |
Бровка северного склона |
||||
0-20 |
0,95 |
19,56 |
37,11 |
82,97 |
20-40 |
0,93 |
24,69 |
45,86 |
|
40-60 |
- |
20,66 |
- |
- |
Склон северной экспозиции |
||||
0-20 |
1,00 |
23,32 |
46,89 |
93,78 |
20-40 |
0,98 |
23,83 |
46,89 |
|
40-60 |
- |
23,11 |
- |
- |
Подошва северного склона |
||||
0-20 |
1,11 |
20,89 |
46,52 |
94,37 |
20-40 |
0,99 |
24,26 |
47,85 |
|
40-60 |
- |
24,73 |
- |
- |
Бровка южного склона |
||||
0-20 |
1,09 |
17,02 |
37,20 |
77,56 |
20-40 |
0,98 |
20,53 |
40,36 |
|
40-60 |
- |
19,83 |
- |
- |
Склон южной экспозиции |
||||
0-20 |
0,99 |
17,93 |
35,34 |
76,03 |
20-40 |
1,01 |
20,65 |
40,69 |
|
40-60 |
- |
24,41 |
- |
- |
Подошва южного склона |
||||
0-20 |
1,01 |
24,06 |
48,77 |
107,20 |
20-40 |
1,22 |
23,91 |
58,43 |
|
40-60 |
- |
25,03 |
- |
- |
Очевидно, что чем больше увлажнение склонов, тем более выразительную картину перераспределения влаги можно получить. Однако искусственные сооружения, особенно курганы, обособлены в рельефе, что, видимо, сказывается на формировании более аридной обстановки, чем у обычных склонов. Действительно, эту особенность подтвердили проведенные исследования. Оказалось, что на вершине кургана влажность почвы в слое 0-60 см меньше на 7,6 %, а на вершине вала - на 5,4 %, чем на ровном участке соответственно, запасы влаги в слое почвы 0-40 см в 1,5 и 1,2 раза меньше (по сравнению с ровным местом) на вершинах кургана и вала соответственно. Наиболее характерное различие разноэкспонированных склонов прослеживается в точках отбора образцов в пределах транзитной части вала. Бровки же в меньшей степени отражают различия, хотя отчетливо наблюдается тенденция большей увлажненности северной бровки. Возможно, что преимущественно из-за несимметричности северного и южного склонов отмечаются наиболее резкие отличия в увлажнении микрозон подошвы вала.
Объемная масса почвы практически по всем местоположениям вала близка к единице, что отражает равную степень уплотнения почвы, достигнутую за три столетия. Процессы атмосферного увлажнения, испарения, перераспределения влаги по горизонтали и вертикали, а также особенности водоудерживающей способности почв в отдельных микрозонах склонов отражаются в запасах почвенной влаги.
Используя непараметрический критерий Вилкоксона (Уайта), установлено, что гипотезы об отсутствии попарных различий на вершине вала и склоне северной экспозиции, склонами северной и южной экспозиции статистически отвергаются на уровне значимости 5 %. Следовательно, с вероятностью 95 % можно утверждать, что запасы влаги в слое почвы 40 см на вершине и северном склоне, северном и южном склонах различны. По запасам почвенной влаги в слое 0-40 см микроклиматические различия между северным склоном и вершиной, северным склоном и южным склоном составляют 17 и 18 мм соответственно. Однако на заданном уровне значимости недостоверными оказались различия на вершине и южном склоне, что связано с близкой степенью ксероморфности этих местоположений.
Процессы перераспределения влаги на кургане имеют в большей мере не позиционно-динамический (строго катенарный) характер, как на валу, а субрадиальный. Этим, по-видимому, можно объяснить некоторые различия в особенностях увлажнения микрозон на кургане (табл. 2). В частности, если между склонами и бровками северной и южной экспозиции различия в запасах влаги (в слое почвы 0-40 см) незначительны (4-5 мм), то зоны подножий в экспозиционном отношении наиболее контрастны - на 20 мм в пользу северной ориентации. Так что данные по кургану неплохо дополняют результаты, полученные по земляному валу.
Первое упоминание о возможном различии разноэкспонированных склонов содержит книга В. В. Докучаева «Русский чернозем», где автор, отмечая скудность данных «о проблеме определения величины, с какою уменьшается мощность чернозема в зависимости от угла склона», приводит наблюдения проф. Леваковского о различной мощности черноземов на северных и южных склонах [8]. Общепринятым стало мнение о том, что более подвержены эрозии почвы на южных склонах, чем на северных [7]. Западные склоны по интенсивности эрозии тяготеют к южным, а восточные к северным. Для оценки условий почвообразования важно отметить значительные различия полярных склонов по температурному режиму и степени увлажнения, что наиболее контрастно проявляется весной. В ЦЧР южные склоны имеют менее благоприятные агроэкологические условия, чем северные, для которых отмечено большее снегозадержание и замедленное снеготаяние [3]. Ранжированный ряд экспозиций по увлажнению при сопоставимых условиях выглядит следующим образом: С > СВ > ЮВ > В > З > ЮВ > ЮЗ > Ю [1].
Таблица 2. Характеристики увлажнения геоморфологических микрозон кургана
Глубина, см |
Объемная масса, г/см3 |
Влажность, % |
Запас влаги (мм) в слое почвы 0-20 см |
Запас влаги (мм) в слое почвы 0-40 см |
Вершина кургана |
||||
0-20 |
1,00 |
13,16 |
26,33 |
53,68 |
20-40 |
1,08 |
12,70 |
27,35 |
|
40-60 |
- |
13,54 |
- |
- |
Бровка склона северной экспозиции |
||||
0-20 |
0,98 |
12,41 |
24,37 |
50,57 |
20-40 |
0,85 |
15,37 |
26,20 |
|
40-60 |
- |
17,79 |
- |
- |
Склон северной экспозиции |
||||
0-20 |
1,10 |
12,91 |
28,39 |
69,19 |
20-40 |
1,12 |
18,16 |
40,80 |
|
40-60 |
- |
22,45 |
- |
- |
Подошва склона северной экспозиции |
||||
0-20 |
0,94 |
14,47 |
31,06 |
80,30 |
20-40 |
1,00 |
24,72 |
49,24 |
|
40-60 |
- |
26,83 |
- |
- |
Бровка склона южной экспозиции |
||||
0-20 |
1,01 |
12,73 |
25,84 |
55,58 |
20-40 |
1,07 |
13,87 |
29,74 |
|
40-60 |
- |
16,26 |
- |
- |
Склон южной экспозиции |
||||
0-20 |
0,98 |
14,96 |
29,42 |
65,20 |
20-40 |
1,08 |
16,51 |
35,78 |
|
40-60 |
- |
18,78 |
- |
- |
Подошва склона южной экспозиции |
||||
0-20 |
0,98 |
13,59 |
26,63 |
59,82 |
20-40 |
1,01 |
16,38 |
33,19 |
|
40-60 |
- |
21,72 |
- |
- |
На обоих изученных объектах склоны северной ориентации были более увлажнены, чем южные: это превышение в пользу северной покатости колеблется в пределах от 7 до 23 относительных %. Более убедительные различия в увлажнении разноэкспонированных склонов удалось выявить для вала: поправочные коэффициенты, рассчитанные по средней влажности в слое 0-60 см, составляют 1,24 (северный склон) и 1,07 (южный склон), а по запасам почвенной влаги в слое 0-40 см, - 1,22 (северный склон) и 0,99 (южный склон).
Очевидно, что выявленные различия гидротермического режима разноэкспонированных склонов должны находить выражение в особенностях почвообразовательного процесса, морфологического строения гумусового профиля на педотопокатенах.
В пределах южной катены (см. рис. 3), по мере удаления от вершины вала (9,4 м по оси Х на рис. 5) мощность гумусового горизонта почв увеличивается на 25 см, что связано с быстрым переходом микрозон от эрозионной к транзитной и аккумулятивной. При этом, как следует из рис. 6, отмечается устойчивое уменьшение вниз по склону соотношения горизонтов А1/А1В (от 0,8 до 0,4), что объясняется снижением функциональной зрелости морфологического строения гумусового профиля по градиенту склона. Северная катена на валу более короткая, и хотя различия в мощности гор. А1 здесь также существенны - до 20 см, но почвенно-геоморфологические связи менее определенные. В частности, из-за трудностей в выделении переходного горизонта почв не удается определить изменения в соотношении горизонтов в гумусовом профиле в разных частях северной катены.
Рис. 5. Изменение мощности гумусового горизонта почв (А1+А1В, см) по длине склона разноэкспонированных педотопокатен земляного вала
Рис. 6. Зависимость соотношения горизонтов А1/А1В от длины южной педотопокатены
Таким образом, дифференциация почв на топокатенах, достигнутая за время формирования нового почвенного покрова после создания антропогенных почвенно-грунтовых насыпей, объясняется спецификой регулярно повторяющихся микроклиматических (и шире - ландшафтных) процессов в отдельных микрозонах склоновых ландшафтов.
Созданные человеком в древности земляные насыпи (курганы, валы) не только ценные объекты археологического наследия, но и уникальные памятники природы, которые можно считать невоспроизводимыми натурными моделями природных процессов [4]. Эти модели привлекательны для изучения, так как полярные склоны у таких сооружений находятся на небольшом линейном удалении друг от друга, их датированный почвенный покров сформирован на однородном субстрате. Изучение топокатен земляного вала показало, что статистически доказуемые различия запасов влаги в слое почвы 40 см между вершиной и северным склоном, северным склоном и южным склоном составляют 17-18 мм. Для агроэкологической дифференциации склоновых ландшафтов необходима количественная оценка экспозиционных различий увлажнения почв. Поправочные коэффициенты, рассчитанные по влажности и запасам почвенной влаги, составляют (при сравнении с характеристиками на ровном месте) 1,22-1,24 (северный склон) и 0,99-1,07 (южный склон). На педотопокатене южной экспозиции мощность гумусового горизонта почв закономерно увеличивается, но при этом наблюдается снижение функциональной зрелости морфологического строения гумусового профиля по градиенту склона.
Рецензенты:
- Смирнова Л. Г., доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией Белгородского НИИ сельского хозяйства (Россельхозакадемия), г. Белгород.
- Чернявских В. И., доктор сельскохозяйственных наук, зам. директора Ботанического сада Белгородского государственного национального исследовательского университета, г. Белгород.