Свойства рассмотрены на примере ВПК первого-четвертого типов.
Физические свойства ВПК первого типа. По физическим свойствам, как и по морфологии, западины молодых ВПК представляют собой усеченный почвенный профиль. Если вести отсчет от поверхности ненарушенной почвы, то на одной и той же глубине характер кривой и числовые показатели удельной поверхности, плотности (dv) порозности в западине близки к контролю. Параметры свойств в западине не выходят за пределы доверительных интервалов для аналогичных горизонтов ненарушенной почвы. Доверительные интервалы для свойств ненарушенной почвы определяли, исходя из варьирования этих свойств в траншее за пределами ветровального нарушения. Повторность отбора образцов n = 5—6. Если же рассматривать верхние минеральные горизонты, следующие непосредственно за подстилкой, то между западиной и контролем имеются различия (в контроле это горизонт A1A2, в западине — А2). Так, плотность и общая порозность западины и контроля 20—30-летнего ВПК различаются соответственно в 1,4 и 1,3 раза. Разрыхление западины с возрастом осуществляется медленно. К 80—100 годам плотность верхних 6—10 см минеральной толщи в западине по-прежнему соответствует подзолистому горизонту. Изменение удельной поверхности в верхней части профиля отражает накопление гумуса (формирование + вмывание). К 80—100 годам ее величина близка к нижней границе доверительного интервала контрольного горизонта A1A2.
Для минеральной массы свежеосыпавшегося бугра типично хаотичное чередование максимумов и минимумов на кривой распределения. С возрастом плотность, порозность и удельная поверхность почвы стремятся ко все более закономерному распределению. В 80—100 лет характер кривых в верхней части бугра напоминает элювиальный профиль ненарушенной почвы, хотя по числовым значениям новообразованные горизонты A1 и A1A2 еще не достигли контроля.
Большое диагностическое значение имеют свойства погребенного гумусового горизонта. Среди исследованных ВПК эти горизонты наиболее четко выражены в профиле 50—60 и 80—100-летних бугров. На графиках им соответствуют изгибы кривых на глубине 10—20 см ниже нулевой отметки. Исследованные физические свойства погребенного гумусового горизонта за прошедший период изменились незначительно. К 80—100 годам наблюдается некоторое уплотнение горизонта, уменьшение общей порозности. Величина удельной поверхности колеблется в пределах ненарушенных A1 и A1A2.
Показательно сравнение верхнего минерального слоя бугра с горизонтом A1A2 ненарушенной почвы. Наибольший градиент свойств наблюдается в 50— 60-летнем ВПК, находящемся в стадии интенсивного разложения корней ветровального дерева. Образующиеся при этом многочисленные полости резко уменьшают плотность и увеличивают порозность верхушки бугра. Отношение dv бугра : dy контроля не превышает 0,6—0,7. Удельная поверхность этого слоя также существенно превышает контроль за счет интенсивного поступления в него продуктов разложения древесины. К 80—100 годам наблюдается сближение почвенных свойств на поверхности бугра и ненарушенной почвы. Бугор заметно уплотняется. Плотность почвы на вершине бугра измеряется 0,8—1 г/см3, что близко к доверительному интервалу для ненарушенного горизонта A1A2. Удельная поверхность продолжает превышать средние данные для контрольного А1А2.
Рассмотренные возрастные изменения касаются лишь центрального профиля бугра и не раскрывают свойств других его частей. Характеристика всей толщи ВПК была получена при исследовании траншеи в целом. Неоднородность морфологического строения ветровального бугра сказывается на его физических свойствах в течение всего изучаемого периода. В органической части бугра до 100 лет и более сохраняются участки с плотностью почвы 0,5—0,7 г/см3 и общей порозностью 80 %. В 80—100 лет формирующийся горизонт A1A2 в минеральной части бугра уплотнен сильнее, чем контрольный A1A2. Его плотность равна 1,1 —1,2 г/см3. Плотность формирующегося подзолистого горизонта А2 повысилась до уровня верхних слоев ненарушенного А2 (1,3—1,4 г/см3).
Характер распределения плотности почвы в траншеях иллюстрирует также возможную зависимость направления вывала дерева от свойств почвы (в данном случае от ее плотности). Среди исследованных траншей в двух случаях из трех в «ненарушенном» профиле, расположенном под бугром, имеется зона пониженной дифференцированности почвы по плотности. Если на всем протяжении траншеи область с dv=1,4—1,6 г/см3 расположена на глубине от 20—30 до 40—50 см, то на этом участке она достигает 70—80 см. Это могло способствовать более глубокому закреплению якорных корней, сыгравших при вывале роль центра вращения.
Величина удельной поверхности в толще 80—100-летнего бугра варьирует от 30—40 до 70—100 м2/г. Наибольшие значения — в зоне погребенных древесных остатков, наименьшие — в формирующемся подзолистом горизонте. Формирующийся горизонт А1А2 по величине общей удельной поверхности близок к ненарушенному A1A2.
Значения плотности твердой фазы почвы (ds) также отражают слоистость старого ветровального бугра. К 80—100 годам формирующийся горизонт A1A2 в среднем характеризуется той же величиной ds, что и ненарушенный A1A2. Плотность твердой фазы формирующегося горизонта А2 соответствует ds верхних слоев ненарушенного А2.
Исследование механического состава ВПК первого типа было проведено на вывалах 30—40 и 75—90-летней давности. Следует отметить, что в силу поверхностного характера ветровальных нарушений первого типа механический состав бугра не отличается разнообразием. Он соответствует верхней элювиальной толще подзолистых почв, вовлеченной в ветровальное перемешивание. Тем не менее исследованные ВПК отразили некоторые особенности изменения механического состава бугра и западины с течением времени. К 30—40 годам отдельные участки профиля бугра могут нести некоторые следы намечающейся дифференциации слагающего его материала. Верхняя часть профиля западины к этому времени, несмотря на однотипный с контролем характер распределения отдельных фракций, может отличаться по сравнению с ненарушенной почвой более низким содержанием илистых частиц. При этом наблюдается некоторое утяжеление нижних горизонтов профиля западины. К 75—90-летнему возрасту механический состав ВПК первого типа заметно изменяется. В содержании фракций ила и крупной пыли в профиле бугра отмечаются сдвиги в сторону облегчения материала его верхней части (на глубине залегания горизонта А2 в ненарушенном профиле). Горизонт А2 в западине по содержанию илистых частиц обычно не отличается от контроля.
Рассмотренные примеры иллюстрируют следующие особенности ВПК. Почва на ВПК первого типа имеет тенденцию к восстановлению генетически присущих ей черт. Продолжительность этого восстановления превышает 100 лет. В течение первых 50—60 лет «эволюции» ВПК физические свойства почвы в ветровальных западинах изменяются незначительно. К 80—100 годам верхние слои минерального материала на дне западины по исследованным свойствам приближаются к ненарушенному A1A2, однако продолжают сохранять повышенную плотность, характерную для подзолистого горизонта. В толще ветровального бугра к 80—100 годам происходят существенные изменения. В его минеральной части на основе перемешанного сильно разрыхленного субстрата формируются непрерывные слои, физические свойства которых близки к свойствам ненарушенных почвенных горизонтов. В органической части бугра сохраняется повышенная рыхлость, большая удельная поверхность и малая плотность твердой фазы субстрата.
Физические свойства ВПК второго типа. Данные ВПК затрагивают не только подзолистый горизонт, но и более глубокие почвенные слои. В ельниках Московской обл. на дерново-слабоподзолистых среднесуглинистых почвах на дне ветровальных западин 1—3-летней давности вскрывается горизонт А2В, реже В. При вывале дерева дно западины в значительной степени сохраняет свойства, присущие этому горизонту. Дно западины приблизительно в 1,5 раза превышает по плотности гумусовый горизонт ненарушенной почвы. Плотность твердой фазы почвы в западине также превышает контроль (на 7—8%). Величина удельной поверхности р западине в 1,4 раза ниже, чем в ненарушенном горизонте А1.
Таким образом, ветровальные западины молодого возраста представляют собой контрастные пятна на фоне ненарушенной почвы. Однако по ряду свойств они в меньшей степени отличаются от фона, чем западины первого типа. Например, дно ветровальных западин первого типа, сложенное материалом подзолистого горизонта, имеет удельную поверхность почвы не в 1,4, а в 2,1 раза меньшую, чем соответствующий гумусовый горизонт ненарушенной почвы. Это можно связать с тем, что дно западины второго типа сложено материалом с более высоким содержанием ила. Различия в удельной поверхности между горизонтами А2В и A1 дерново-слабоподзолистой почвы оказываются меньше, чем между горизонтами А2 и A1A2 в сильноподзолистых почвах. Относительная близость свойств ветровальных западин и ненарушенной почвы может способствовать более быстрому стиранию различий между ними, поэтому можно предположить, что почва в западинах второго типа восстанавливается быстрее, чем в западинах первого типа.
Некоторые свойства старых ветровальных бугров данного типа можно представить по литературным данным. В работах Лутца исследовались ВПК на сильно дифференцированных подзолистых почвах. Эти ВПК, по данным автора, затрагивают горизонт В, поэтому они могут быть отнесены к выделенному нами второму типу. В почве ветровальных бугров, датированных 80—100 годами, Лутц определил следующие особенности:
1. Объем пор в 10 см верхнего слоя ветровального бугра значительно больше, чем в ненарушенном слое фоновой почвы. Разница в среднем составляет 5,8 ± 2,5 %.
2. Аэрация ветровального бугра на 4,7 ± 1,1 % выше, чем ненарушенной почвы.
3. Плотность почвы (dv) на ветровальном бугре в среднем на 14—16 г/дм3 (0,01—0,02 г/см3) меньше, чем на ненарушенных участках.
4. На ветровальном бугре может отмечаться инверсия почвы по щебнистости. По сравнению с поверхностью ненарушенной почвы в верхнем слое бугров содержится больше крупномерных фракций (5—40 мм) и меньше мелкозема (≤2 мм).
5. В механическом составе мелкозема бугра и фоновой почвы также обнаружено различие. На бугре отмечается повышенное содержание илистых частиц, но эти различия недостаточно велики, чтобы иметь существенное экологическое значение.
Действительно, поскольку иллювиальная часть почвенного профиля в бугре ВПК второго типа представлена в основном материалом горизонтов А2В, существенного утяжеления верхней толщи почвы не происходит. Даже в молодых ВПК (<10 лет) увеличение содержания ила в верхней части бугра невелико, хотя определенная инверсия по данному свойству и наблюдается. К 60— 75 годам процесс элювиирования материала нижних горизонтов профиля, попавшего в вышележащую толщу, достигает в ВПК второго типа заметного развития. Особенно наглядно в этом отношении распределение фракций ила и крупной пыли в профиле западины, свидетельствующее прежде всего об обострении в данной части ВПК элювиально-иллювиальных процессов, вследствие чего произошло обезыливание слагающего западину материала на большую глубину (по сравнению с ненарушенным профилем).
В целом приведенные данные указывают на то, что различия между бугром ВПК второго типа и ненарушенной почвой сохраняются, как и в первом типе, не менее 100 лет. Западины трансформируются быстрее. В работах Лутца западины не получили специального рассмотрения. Не исключено, что это связано с малой площадью западин и относительно коротким периодом регенерации их профиля.
Физические свойства ВПК третьего типа. Бурые горно-лесные маломощные почвы Среднего Урала отличаются слабой дифференцированностью профиля по физическим свойствам. Для ВПК третьего типа характерно равномерное увеличение плотности почвы (dv) и ее твердой фазы (ds) в расчете на мелкозем от поверхности к горизонту ВС, переходящему в элювий коренных пород. Распределение ила в составе мелкозема относительно равномерное с незначительным увеличением к нижним горизонтам. Удельная поверхность нижних горизонтов несколько меньше, чем поверхностных, в связи с увеличением доли мелкокаменистого материала в составе почвенной массы.
Отсутствие подзолистого горизонта сокращает градиенты свойств между нарушенной и ненарушенной территориями. Воздействие фактора времени способствует сближению этих свойств. Тем не менее физические свойства почвы на ВПК 120—150 лет подтверждают вертикальное деление бугра на различные по составу части (органическую и минеральную). Проявляется это в том, что новообразованные почвенные горизонты на бугре характеризуются различными свойствами, в зависимости от того, в какой части бугра они сформированы. Горизонт A1 минеральной части бугра по сравнению с A1 органической части характеризуется меньшей удельной поверхностью и порозностью, а также большей плотностью. По отношению к окружающей ненарушенной почве горизонт A1 минеральной части бугра также избыточно уплотнен. Эти различия не велики, однако они статистически значимы.
Мелкозем искоревой смеси, слагающей остальную толщу минеральной части бугра, по исследованным свойствам не отличается от горизонтов АВ и ВС ненарушенной почвы. Органическая часть бугра, напротив, включает в себя морфоны, в 1,5 раза более рыхлые, чем наиболее разрыхленный из ненарушенных горизонтов — А1. В отдельных ее точках плотность субстрата опускается до 0,60 г/см3. Плотность твердой фазы почвы в этой части бугра местами равна 2,5—2,6. Общая порозность может достигать 78 %, что на 10 % выше, чем в горизонте А1 ненарушенной почвы. По величине удельной поверхности различия с контрольной почвой менее резкие, хотя и этот показатель в среднем оказывается выше, чем в А1 ненарушенной почвы (135 и 107— 120 м2/г соответственно).
Западина 120—150 лет отличается своеобразностью физических свойств почвы. Горизонт A1 имеет рыхлое сложение, dv = 0,6—0,8 г/см3. Накопление органического вещества сопровождается увеличением общей удельной поверхности до 120—125 м2/г. В то же время ряд параметров, характеризующих западину (dv, ds удельная поверхность), встречается и на ненарушенной почве, например под периферийными частями еловых и пихтовых крон. Физические свойства западины вписываются в естественную пестроту почвенного покрова биогеоценоза. Дальнейшие исследования выявили статистическую незначимость повышенной удельной поверхности и низких значений плотности в горизонте А1 хотя при индивидуальном сравнении западин с контролем эта тенденция прослеживается.
Таким образом в толще 120—150-летнего ветровального бугра третьего типа совместно присутствуют черты, сближающие его с фоном, и черты исключительно ветровального характера. К первым относится новообразованный почвенный профиль в минеральной части бугра. По физическим свойствам мелкозема этот профиль близок к профилю ненарушенной почвы. Его отличительной особенностью является повышенная плотность и пониженная удельная поверхность горизонта А1. К исключительно ветровальным чертам относятся свойства органической части бугра. К 120—150 годам эта часть по-прежнему заметно отличается от ненарушенной почвы и является индикатором ветровального происхождения бугра.
Развитие западины к 120—150 годам достигло этапа, при котором отклонения в свойствах мелкозема в общем не выходят за рамки обычного варьирования почвенных свойств.
Физические свойства ВПК четвертого типа. Для ВПК данного типа один из наиболее информативных показателей ветровальных педотурбаций — разрыхление почвенной толщи. За исключением верхних 10—20 см, в профиле фоновых почв отсутствует резкое изменение окраски, плотности, структуры, механического состава. Несмотря на глубокое распространение ветровальных нарушений, их морфологическое проявление не наглядно. Так, у 150-летнего ВПК вся минеральная толща бугра выглядит монолитной массой со слабым варьированием окраски. В то же время распределение плотности (dv) в толще бугра показывает гораздо большую неоднородность. На глубине 70—110 см от вершины бугра наблюдается разрыхленная зона с dv = 0,96—1,11 г/см3. Это на 25—15 % меньше, чем плотность окружающей толщи, тогда как окраска воздушно-сухой почвы в этой зоне не отличается от окраски соседних участков.
Рассмотренный случай является примером того, что в теле ветровального бугра в течение 100 с лишним лет могут сохраняться разрыхленные участки. В целом же бугор уплотнен на протяжении всей своей толщи, до самой вершины. Погребенный и новообразованный горизонты A1A2 по плотности почти не отличаются от искоревой смеси. На вершине бугра и на его склоне, обращенном к западине, до 150 лет сохраняется dv 1,2—1,28 г/см3. Даже с противоположной более рыхлой стороны бугра плотность почвы в верхней части склона превышает 1 г/см3. Высокая плотность бугра — специфическая особенность ВПК четвертого типа. Изменение удельной поверхности в толще бугра незначительно. Закономерно повышается величина удельной поверхности в той части бугра, где расположена гумусированная зона. На поверхность бугра выведен материал с плотностью твердой фазы (ds) 2,71—2,75 г/см3. Такие величины в профиле ненарушенной почвы характерны для самых нижних горизонтов. Алогичное распределение величины ds в толще бугра — одно из проявлений ветровальной инверсии физических свойств почвы.
Итак, к 150 годам ветровальный бугор четвертого типа резко отличается от ненарушенной почвы. В его толще можно отметить следующие особенности: крайне слабая дифференцированность по физическим свойствам; высокая плотность бугра, в том числе его поверхностных слоев; инверсия плотности твердой фазы почвы в толще бугра.
Для ветровальных западин 150-летнего возраста в отличие от бугров характерна резкая смена свойств с глубиной. Так, плотность почвы dv на поверхности западины (верхний слой горизонта A0A1) равна 0,4—0,5 г/см3, а на глубине 40 см от поверхности — уже 1,5 г/см3, т. е. в 3 раза выше. Контрастность физических свойств в профиле таких западин — их специфическая особенность. Контрастность отражает строение западин, в которых мощный новообразованный органогенный горизонт резко переходит в «ненарушенный» минеральный профиль, во многом сохранивший черты нижних почвенных горизонтов. Трансформация минеральной части профиля заторможена, на что указывает отсутствие в западине выраженного горизонта A1A2 при мощном А0А1.
К особенностям данных западин относится также резкая дифференцированность горизонта А0А1 более резкая, чем в ненарушенной почве. Это связано с генетическими особенностями горизонта: благодаря интенсивному механическому переносу опада в западину и, возможно, в связи с его замедленным разложением значительная часть A0A1 представлена слабо разложившимися органическими остатками.
Распределение физических свойств в профиле старой западины в отличие от бугра имеет тот же характер, что и в ненарушенной почве. Однако профиль в западине обладает ярко выраженными особенностями. Органогенный горизонт имеет повышенные рыхлость и удельную поверхность, минеральный профиль несет следы усеченности (в нем отсутствует прослойка со свойствами, аналогичными ненарушенному A1A2). Почва в западине в большей степени, чем на бугре, приближена к фоновой почве, однако продолжает оставаться неполнопрофильной.
Рассматривая ВПК четвертого типа, следует упомянуть еще об одном явлении. В «ненарушенной» почве, примыкающей к ВПК, нередко наблюдаются зоны разрыхленного, но не перемещенного материала. Подобная зона выявлена в траншее, проложенной через 20—30-летний ВПК первого типа. Такие разрыхленные участки профиля образуются в момент вывала при разрыве древесных корней. В ВПК четвертого типа они выражены в наибольшей степени, чему способствует распространение данных ВПК по горным склонам. Исследования показали, что не только в молодых, но и в старых ВПК обширный ненарушенный участок почвы, расположенный у края западины выше нее по склону, заметно разрыхлен.
Таким образом, ВПК четвертого типа представляют собой образования, долгое время отличающиеся от фоновой почвы. Это особенно характерно для ветровального бугра. До 150 лет и более бугор продолжает выделяться повышенной плотностью мелкозема, крайне слабой дифференцированностью профиля. Заметна инверсия почвенных свойств. Ветровальные западины, напротив, благодаря интенсивному развитию органогенного горизонта и несколько заторможенной трансформации минеральной части профиля отличаются резкой дифференцированностью почвенных свойств.
Ветровальные педотурбации относятся к разряду механического воздействия на почвенную толщу. Основные агенты этого воздействия — разрыв, переворачивание, разрыхление, перемешивание почвенной массы. Простейший физический показатель подобного нарушения в первые годы после вывала — аномалии в плотности сложения почвы. Нетипичное распределение плотности и общей порозности в профиле почвы наблюдается во всех без исключения ВПК. По этому показателю ветровальные пятна характеризуются высокой контрастностью во всех типах лесных почв. Общие для всех ВПК особенности распределения плотности почвы заключаются в следующем. По сравнению с ненарушенной почвой дно ветровальных западин отличается повышенной плотностью, а внешняя сторона бугра (со стороны ствола) — повышенной рыхлостью сложения. Эти закономерности находят свое максимальное выражение на молодых ВПК со свежеосыпавшимися буграми. Характер и скорость нивелирования различий зависят от биогеоценотических особенностей местности и определяются типом ВПК. Не менее универсальный показатель ветровального нарушения — физические свойства почвы, связанные с ее плотностью: водопроницаемость и др.
Почвенные свойства, связанные с минералогическим и механическим составом почвенной массы, при ветровальных педотурбациях проявляются не так четко и подчиняются следующей закономерности: чем выше градиент физических свойств ненарушенной почвы в толще, затронутой вывалом, тем в большей степени эти свойства отражают ветровальное нарушение. Так, на подзолистых почвах, профиль которых сильно дифференцирован по содержанию ила, глубокое ветровальное перемешивание проявляется в выносе на поверхность материала иллювиального горизонта (ВПК второго типа). В толще ветровальных бугров обнаруживаются нехарактерные для элювиальных горизонтов морфоны с повышенным содержанием илистых частиц. Дно свежих западин еще более отличается от фоновой поверхности по своему механическому составу. В то же время на неглубоких, поверхностных вывалах в условии сильноподзолистой почвы роль механического состава как индикатора ветровальных педотурбаций оказывается заниженной, так как перемешиванию подвергаются малоконтрастные обедненные илом горизонты элювиальной толщи (ВПК первого типа). На почвах, слабо дифференцированных по содержанию ила, однако развитых на элювии горных пород и отличающихся заметным изменением с глубиной щебнистости или каменистости (ВПК четвертого типа), ветровальное перемешивание проявляется в алогичном распределении щебня в профиле почвы, нередко в отчетливой инверсии этого показателя. В таких условиях ветровальные бугры отличаются от фоновой почвы повышенной щебнистостью верхних горизонтов. Аналогично проявляет себя плотность твердой фазы почвы, отражающая минералогический состав почвенных горизонтов. При достаточно резком изменении этого параметра в ненарушенном почвенном профиле и в случае глубокого захватывания почвы при вывале минеральная часть ВПК отличается повышенным, а органическая часть — пониженным значением плотности твердой фазы по сравнению с фоновой почвой.
Таким образом, физические свойства почвы неодинаково отражают ветровальные нарушения, хотя вывал деревьев, преобразуя строение и свойства почвы, несомненно изменяет большинство физических свойств почвы в районе ВПК. В особую группу следует отнести вторичные изменения физических свойств, связанные с изменением почвообразовательной обстановки в пределах ВПК. Изучение этих изменений в связи с изменением почвенных режимов на месте вывала — предмет дальнейших исследований.