Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биогенный кремнезем почв сложного генезиса

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Биогенный кремнезем почв сложного генезиса"

РГ в од

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

на правах рукописи

БОБРОВА ЕЛЕНА КЛИМЕНТЬЕВНА БИОГЕННЫЙ КРЕМНЕЗЕМ ПОЧВ СЛОЖНОГО ГЕНЕЗИСА

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва -1995

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского Государственного Утюерситета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель - доктор биологических наук,

профессор Л.О.Карпачевский

Официальные оппоненты - доктор биологических наук,

профессор С.А.Шоба; кандидат биологических наук Н.К.Киселева.

Ведущее учреждение - Почвенный институт ^

им. В.В.Докучаева.

Защита состоится ШУ-ё^М 1995 года в/^""часов в аудиторш М-2 на заседании диссертационного совета МГУ им. М.ВЛомоносова.

Адрес диссертационного совета: 119899, Москва, ГСП, Воробьевы Горы, МГУ, Факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан "_"_ 1995 года.

Ученый секретарь специализированного совета

Г.В.Мотузова

Актуальность проблемы. Процессы выветривания горных пород и почвообразования сопровождаются активным включением в биогеохимический цикл многих элементов, наиболее распространенный из которых - кремний. Кремний относится к элементам-биофилам, поэтому среди его соединений важную роль играют биогенные новообразования -окремневшие растительные клетки (фитолиты), диатомовые водоросли, раковинные амебы и спикулы губок. Основная масса биогенного кремнезема чаще всего поступает в почву в виде фитолитов.

На накопление фитолитов в почвах впервые обратил внимание И.В.Тюрин (1937). В дальнейшем началось активное изучение фитолитов в растениях и почвах как у нас в стране, так и за рубежом. Морфологию и механизм образования фитолитов различных растений изучали Н.И.Парфенова, Е.АЛрилова (1962), C.R.Metcalf (1960), P.B.Kaufmann (1970), Н.К.Киселева (1983). В ряде почв определены количественные характеристики содержания фитолитов (Ярилова, 1950; Новороссова, 1951; Baríoli, 1971; Palmer, 1976; Каманина, 1992). Фитолиты изучались и археологами (Pipenio, 1988). Выполнялись работы по палеореконструкции климата и фитоценозов прошлого (Palmer, 1976; Bukry, 1980; Киселева, 1979). Однако, как отмечает D.R.Piperno (1988), до сих пор не разработана общепринятая методика фитолитного анализа. Недостаточно данных о скорости накопления биолитов кремнезема, их морфологическом разнообразии и принадлежности к определенным растительным таксонам. Редки попытки использования фитолитного анализа для изучения вопросов почвенной экологии и эволюции.

Цель работы. Изучить морфологию фитолитов в растениях; выяснить масштабы и особенности аккумуляции биогенного кремнезема в почвах Сихоте-Алиньского государственного заповедника, погребенных почвах и почвах со вторым гумусовым горизонтом центра Русской равнины; оценить скорость формирования биолитного профиля для разновозрастных почв южной тайги.

Задачи исследования.

1. Изучить морфологию фитолитов широко распространенных растительных семейств, определить информативные формы фитолитов в изученных растительных таксонах.

2. Определить масштабы накопления и профильного распределения биогенного кремнезема в почвах, сформированных на различных почвообразующих породах.

3. Провести биояитный анализ изучаемых почв по индикационным формам биогенного кремнезема.

4. С помощью биолитного метода попытаться провести реконструкцию условий почвообразования для палеопочв

Днепропетровской области и почв со вторым гумусовым горизонтом Владимирского Ополья.

5. Оценить' скорость и особенности формирования биолитного профиля, используя биолитный анализ для разновозрастных почв южной тайги и физико-химические характеристики изученных почв.

Научная новизна. Составлен атлас кремниевых фитолитоз 65 видов злаков и осок. Показано, что спектр морфологических форм фитолитов и их количество являются дополнительным показателем при реконструкции условий почвообразования. Дана оценка скорости формирования биолитного профиля дерново-подзолистых почв южной тайги. Показаны условия формирования различных типов биолитного профиля. Установлена корреляционная связь между содержанием гумуса и фитолитов в гу?сусово-аккумулятивных горизонтах автоморфных почв. Биолитный анализ позволил связать условия формирования второго гумусового горизонта серой лесной почвы Владимирского Ополья и погребенной почвы атлантического периода (Днепропетровская обл.) с луговыми фитоценозами; установлено, что формирование темноцветных почв Дальнего Востока связано с аэральным привносом материала.

Практическая значимость. Биолитный анализ позволяет устанавливать историю развития почв и может быть использован для решения спорных генетических вопросов почвоведения. Атлас кремниевых фитолитов позволяет идентифицировать растительные таксоны, являющиеся источником биогенного опала почв, может способствовать решению вопросов реконструкции климата и фитоценозов прошлого.

Апробация работы.. Материалы диссертации были представлены на VII Всесоюзном сьезде почвоведов (Новосибирск, 1989) и на IX международном симпозиуме по биогеохимии окружающей среды (Москва, 1989). Работа рассматривалась на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ (Москва, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Обьем работы. Диссертация изложена на страницах

машинописного текста, имеет с приложениями таблиц, рисунков. Состоит из введения, 7 глав и выводов. Список литературы включает наименований, из них на иностранных языках.

ГЛАВА 1. БИОЛИТЫ КРЕМНЕЗЕМА В РАСТЕНИЯХ И ПОЧВЕ.

Впервые обнаружил фитолиты немецкий ученый Струве в 1835 году при микроскопировании листьев растений. Его соотечественник, КЭренберг, в 1854 году выделил фитолиты из пыли. Закрепилось

предложенное им название "phytolitaria." Эренбергу принадлежит первая попытка классификации фитояитов. Работа И.В.Тюрина (1937) послужила толчком к активному изучению фитолитов в почвах и растениях (Усов, 1943; Парфенова, 1949; Ярилова, 1952; Smithson, 1958; Baker, I960; Рапу, Smithson, 1964 ).

Рядом ученых были разработаны методики изучения фитолитов, изучены вопросы о переносе фитолитов с атмосферной пылью, сохранности и содержания фитолитов в осадочных породах и морских отложениях (Рапу, Smithson, 1958; Jones, 1964; Willding, 1967). В 60-е годы ученые активно изучали фитолиты отдельных систематических групп (Metealf, 1960; Mehra, Sharma, 1965; ); были выяснены химические и физические свойства фитолитов, особенности их накопления в растениях (Jones, Handreck, 1967).

В 1969 году были выполнены несколько работ по классификации фитолитов злаковых растений (Киселева, 1969; Twiss et al, 1969). Менее изучены фитолиты хвойных, споровых и двудольных растений. (Willding, Dress, 1971; Geis, 1979; Klein, Geis, 1978).

Были предприняты попытки использований фитолитов для палеореконструкции климата и фитоценозов прошлого (Palmer, 1976; Bukry, 1980). В России работы подобного рода проводятся в лаборатории исторической экологии при ИПЭЭ им. Северцова (Киселева, Ермолова, 1979; Киселева, Князев, 1984; Киселева, 1989), в институте географии РАН (Гольева и др., 1988 ), в Почвенном институте им.Докучаева (Верба, 1986), на биологическом и почвенном факультетах МГУ (Блинников, 1992; Каманина, 1992).

Фитолиты попадают в почву с растительным опадом. Поэтому растительному покрову суши принадлежит особая роль в биогеохимическом цикле кремния. В зольном составе растений содержание кремния значительно варьирует в зависимости от вида растения, отдельных его участков, а также возраста (Айдинян, 1954; Айлер, 1982; Парфенова, Ярилова,1964). Наиболее характерные формы фитолитов образуются в коротких клетках эпидермиса (Киселева, Ермолова, 1979; Twiss et al, 1969). Морфология некоторых фитолитов позволяет определять растительные таксоны, их образовавшие (Palmer, 1976; Bukry, 1980). Надземные часта растений ассимилируют кремний в большей степени, чем корневые системы (Воронков и др., !978; Jones, 1963).

Растительный опал состоит из гидратированного на 4-9% оксида кремния, за счет оккжодирования и сорбции он может включать другие элементы (Al, Fe, С). Коэффициент преломления у растительного кремнезема 1,4. Плотность 1,5-2,3 г/см куб.

Основная масса биогенного кремнезема почв концентрируется в органо-аккумулятивных горизонтах. Устойчивость фитолитов, а, следовательно, характер их накопления и распределения в почвенном профиле определяется рядом факторов: 1) внутрипочвенными условиями (в первую очередь величиной pH и составом почвенного раствора), биологической активностью, минералогическим составом почвы, степенью ее увлажнения; 2) физико-химической характеристикой фитолитов каждого типа растительности. По данным Д.У.Айлера (1979) и R.L. Jones (1963), растворимость кремнекислоты в водных растворах практически не зависит от величины pH в интервале 2-9 и резко возрастает за его пределами.

Специальных исследований, направленных на выяснение вопросов сохранности фитолитов в почвах, практически нет. Однако факты нахождения фитолитов в палеопочвах и слоях позволяют оценивать возраст фитолитов в сотни, а иногда в десятки тысяч лет (Willding, 1967), что позволяет использовать их в палеогеографических исследованиях (Добровольский, Шоба, 1978; Каппо, Агшшга, 1958).

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Объектами исследования послужили: Г-

1. Почвы Сихотэ-Алиньского заповедника (Приморский край) -буроземы, формирующиеся под дубняками, ельниками , смешанными хвойно-широколиственными лесами и темноцветная почва под дубняком разнотравно-злаковым. Почвообразование протекает в основном на суглинистых и супесчано-суглинистых < хрящевато-обломочных, хорошо дренированных толщах элювия и элюво-делювия бескарбонатных горных пород. Темноцветные почвы, формирующиеся на склонах и вершинах приморских сопок с мощным темно-серым гумусированным горизонтом, представляют собой почвы до сих пор неясного генезиса (Мотузова,1986).

2. Серые лесные почвы Владимирского ополья, включая почву со вторым гумусовым горизонтом.

3. Обыкновенный чернозем и погребенные почвы Южной Украины (Днепропетровская область), в пределах Орельско-Самарского междуречья на археологических памятниках (курганных могильниках) конца атлантического и середины суббореального периодов голоцена.

4. Почвы начальных стадий почвообразования, формирующиеся на тяжело-среднесуглинистых отложениях в южнотаежной подзоне (Московская область, Малинский биогеоценологический стационар). Разрезы были заложены в верхней, средней и нижней частях склона на разновозрастных площадках газопровода 5- и 20-летних сроков

рекультивации. В качестве фоновых использованы старопахотные почвы склона под лесом 90-летнего возраста.

Подзолистая грубогумусовая почва под 300-летним ельником кислично-щитовниковым на • покровных суглинках (Костромская область, заказник "Кологривский лес"); ржавозем песчаный под сосняком вейниково-черничным (Тверская обласгь, Торопецкнй район).

5. Растения семейств осокоцветных и злаковых, хвойные и широколиственные породы деревьев из разных природных зон, в которых были выделены, просмотрены и систематизированы морфологические формы фитолитов (всего 65 видов).

Растительные образцы обрабатывали сульфанолом для десорбции возможных примесей песка и пыли, а затем подвергали озолению при 400 С. Золу растений изучали в глицериновых препаратах.под световым микроскопом, также готовили препараты на ядерных фильтрах для сканирующего электронного микроскопа, позволяющего выявить тонкие детали структуры и особенности фитрлитов изучаемых растений.

Содержание биогенного кремнезема в почвах определяли подсчетом фитолитов с помощью поляризационного микроскопа во фракциях мелкого песка и крупной пыли. размер которых соответствует размерам основных форм биогенного кремнезема, встречающихся в почве (Smithson, 1958; Verma, 1969). Выделение- фракций проводилось пирофосфатным методом с предварительным диспергированием образцов (Парфенова, Ярилова, 1962).

При приготовлении препаратов для » электронного микроскопа использовалась методика, разработанная Л.Г.Пирумовой и П.Н.Балабко (1973), основанная на центрифугировании почвенного образца в тяжелой жидкости с удельным весом 2,4.

В препаратах для поляризационного микроскопа проводили подсчет минеральных зерен и биолитов, классифицировали форму фитолитов. Встречаемость фитолитов во фракциях исследуемых почв с учетом данных гранулометрического анализа позволила определить процентное содержание фитолитов.® почвенных горизонтах.

Результаты подсчета обрабатывали с помощью кластерного и регрессионного анализов.

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ ФИТОЛИТОВ НЕКОТОРЫХ.РАСТИТЕЛЬНЫХ ТАКСОНОВ.

Проведенная работа по изучению фитолитов растений позволила подтвердить вывода»,¡ряда авторов (Киселева, 1978; Гольева, 1987; Каманина, 1992) об отсутствии индикационных форм! фитолитов в золе

двудольных травянистых растений, а также в золе двудольных древесных пород и кустарников.

Наиболее разнообразен спектр морфологических форм фитолитов, образуемых растениями семейств осокоцветных и злаковых. Было выделено более 40 форм окремневших клеток, сравнительный анализ которых выделил короткие образования с бугорком в центре, чечевицевидные и гантелеобразные формы как индикационные для семейства осоковых. Для злаков выделены "шляпы" с острым, конусообразным выростом, фитолиты, имеющие форму трехгранной призмы со сглаженными ребрами и тела седловидной формы.

Для хвойных растений характерны фитолиты призматической или кубовидной формы.

Были выделены универсальные формы фитолитов, встречающиеся в разных растениях, поэтому не имеющие индикационной значимости.

ГЛАВА 4. СОДЕРЖАНИЕ ФИТОЛИТОВ В ИЗУЧЕННЫХ ПОЧВАХ И ИХ ПРОФИЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ.

Изучение содержания биогенного кремнезема почв показало, что почвы буроземного ряда (почвы южного Сихоте-Алиня), сформированные на бескарбонатных горных породах, содержат в среднем в 1,5 раза больше биолитов, чем дерново-подзолистые почвы южно-таежной подзоны, почвообразующей породой для которых служат покровные суглинки. Содержание биолитов в верхних горизонтах подзолистых, дерново-подзолистых почв редко превышает 2,0-2,5% от мелкозема горизонта (Гольева, 1987; Каманина, 1992). Наименьшее кол1Гчество опаловых биолитов выделено для почвы ржавозема (рис.1, р. 12), содержание фитолитов в гор.А1А2 этой почвы 0,6%. Самая высокая встречаемость фитолитов . отмечена для темноцветной почвы Сихоте-Алиня: их содержание в 3 раза выше, чем в буроземах (12%, р.6). .

Буроземы Сихоте-Алиня отличает значительная дифференциация по масштабам аккумуляции фитолитов. В буроземе, располрженном на крутом склоне (уклон около 15 ,р.1), встречаемость опаловых фитолитов в горизонте А1 не превышает 2,0%. По-видимому, процесс аккумуляции здесь в значительной степени затормаживается ежегодным сносом растительного опада. В почвах выположенных участков склонов (рис.1, р.2 и 5) содержание фитолитов достигает 6,8% и сопоставимо с данными о накоплении биолитов в луговых экосистемах (Каманина, 1992).

8 ю 12 ./0

__i_к-_i_С

а. Сихоте-Алинь

"1-бурозем, крутой склон (р.1) I- - - -I - бурозем, выположенный участок склона (р.2)

- бурозем, нижняя часть склона (р. 5) 1— ] - темноцветная почва (р.б) б. Южная тайга ржавозем

Рис. 1 Профильное распределение биолитов в'почвах

Основная масса выделенного биогенного опала почв содержится во фракции крупной пыли (10-50 мкм), в 1,5-2 раза превышая количество частиц биогенного кремнезема более крупного размера (50-250 мкм).

Содержание биолитов кремнезема в почвенном профиле закономерно снижается с глубиной. Отклонения от этой закономерности объясняются индивидуальными особенностями почв.

Анализ собственных и литературных данных (Гольева, 1992; Каманина, 1992) свидетельствует об отсутствии внутрипрофильного переноса фитолитов в суглинистых почвах. Увеличение содержания фитолитов в нижних частях почвенного профиля связано с погребением гумусовых горизонтов (Добровольский и др., 1983; Макеев, Дубровина, 1991).

Так, в профиле, грубогумусного бурозема ельника (р.5) на глубине 58-75 см обнаружен второй максимум содержания фитолитов. Этот факт подтверждает наличие в профиле почвы на указанно!! глубине погребенного горизонта, который был выделен по морфологическим признакам. Профильное распределение фитолитов отражает два четких максимума накопления кремнеземистых новообразований в истории развития этой почвы (рисЛ).

Такой же вид имеет профильное распределение биолитов в почве ржавозема (р. 12), где максимум содержания фитолитов приурочен к морфологически хорошо выраженному слою углей на глубине 7-8 см. Мощность горизонта А1А2, перекрывающего пирогенный слой, равна 5 см, что указывает на давность лесного пожара. Отсутствие фитолитов уже на глубине 12-13 см может быть показателем отсутствия или крайне незначительного внутрипрофильного переноса фитолитов в песчаной почве ржавозема.

Профильное распределение биолитов кремнезема в темноцветной почве носит равномерно убывающий с глубиной характер (рис.1,р.6). Учитывая особенности расположения этих почв, их химический и минералогический состав, а также данные биолитного анализа, можно подтвердить сделанные ранее предположения (Ильина, Карпачевский, 1989; . Майзенберг, 1991) о включении постоянно привносимого мелкозема (делювиального, аэрального генезиса) в процесс формирования профиля темноцветных почв Сихоте-Алиня.

Выделенный спектр морфологических форм опаловых биолитов изучаемых почв, а также встречаемость каждой формы послужили основой для проведения кластерного анализа (программа СББ) и позволили получить дополнительную информацию о развитии биогеоценозов.

Результаты кластерного анализа основных диагностических групп фитолитов исследуемых почв Приморья подтвердили предположение о возможности смены фитоценоза и условий почвообразования на месте современного ельника. Морфологический спектр фитолитов из погребенного горизонта почвы ельника был сходен с разнообразием фитолитов в гумусово-аккумулятивных горизонтах почв под дубняками.

Кластерный анализ морфологического спектра фитолитов дальневосточных почв (рис.2) подтвердил специфику темноцветной почвы по отношению к господствующему в регионе буроземному типу почв.

i---ю--го- - 30----50 --- 60--?0--№--?9--ЮО

Р1 -

РЗ -

р* -—-

9.1---

р5 --

РЬ -:-1

Рис.2 Дендрограмма по степени различия почв Сихоте-Алиня

р.1 - р.5 - буроземы; р.6- темноцветная почва

ГЛАВА 5. БИОЛИТЫ КРЕМНЕЗЕМА В ПОЧВАХ ВЛАДИМИРСКОГО ОПОЛЬЯ

Разнообразие форм биолитов кремнезема учитывалось и при изучении вопросов палеореконструкции условий формирования почв Владимирского Ополья.

Главная особенность территории Владимирского Ополья - это почти безлесные ландшафты и темноцветные почвы, которые еще в 1851 г. H Л. Дубенским были названы черноземами. Именно на их примере в почвоведении возникла проблема миграции природных зон. В ходе дискуссий о генезисе этих почв была высказана гипотеза (Тюрюканов, Быстрицкая, 1971), в которой авторы связывали происхождение почв Владимирского Ополья с развитием палеопоймегаюго ландшафта. В последующие годы палеогеографы позднего плейстоцена-голоцена (Алифанов, 1995; Макеев, Дубровина, 1990) пришли к выводу о решающем вкладе палеокриогенеза в образование темноцветных почв.

Нами были изучены почва со вторым гумусовым горизонтом, приуроченная к микропонижению рельефа ополья и почва микроповышения (разрезы 7, 8). Территория, по литературным данным, находится около 1000 лет в сельскохозяйственном использовании.

Данные фитолитного анализа показали, что вовлечение почв Владимирского Ополья в сельскохозяйственное использование приводит к уменьшению содержания фитолитов в верхних (пахотных) горизонтах этих почв. Так, содержание кремнеземистых новообразований в горизонте Апах почвы микропонижения составляет 1,6% от мелкозема горизонта, а в аналогичном горизонте почвы микроповышения - только 1%. Содержание биолитов во втором гумусовом горизонте, напротив, высоко и достигает в нижней части горизонта 5,2%. Несколько меньше содержание фитолитов в верхней части второго гумусового горизонта, что объясняется его припаханностыо. Следует отметить, что такое высокое содержание биогенного кремнезема характерно для луговых почв. Для серых лесных почв, являющихся основным типом почв территории, этот показатель составляет в среднем 2,4% (Каманина, 1992). Обе почвы отличает резкое убывание количества биогенного кремнезема с глубиной.

В почвах Владимирского Ополья было выделено 27 морфологических форм биолитов. При этом в пахотных горизонтах морфоспектр фитолитов сужается в 2 раза и составляет 13 форм для

почвы понижения и 12 - для почвы микроповышения. Несмотря на припахашюсть второго гумусового горизонта, морфологические спектры фитолитов в пахотных горизонтах обеих почв различаются мало, т.е. в пахотных горизонтах сохраняются только устойчивые к условиям распашки формы фитолитов. Исходя из этого предположения были выделены морфологические группы фитолитов, различающиеся по степени устойчивости: дольше сохраняются шарообразные фитолиты, фитолиты группы "наконечников" и трихом, палочковидные и призматические формы фитолитов. Основная масса биолитов изученных почв Владимирского Ополья сосредоточена во втором гумусовом горизонте. Анализ их морфологических форм позволяет сказать следующее.

Среди выделенных биолитов практически отсутствуют фитолиты осок; на фитолиты злаковых форм приходится 15% от общего количества фитолитов горизонта. Соотношение других морфологических форм фитолитов во втором гумусовом горизонте близко к разнообразию фитолитных форм, выделенных для луговых сообществ в работе М.С. Блинникова (1992).

Сказанное позволяет заключить, что второй гумусовый горизонт почвы микропонижения был дневной поверхностью в прошлом и в настоящее время является погребенным. Прошлое исследуемой территории Владимирского Ополья связано, вероятнее всего, с луговыми биогеоценозами. Кроме того, кластерный анализ показал принципиальное различие форм фитолитов второго гумусового горизонта и гумусово-аккумулятивного горизонта почвы микроповышения. Степень различия с морфоспектром фитолитов верхнего горизонта почвы микропонижения несколько меньше. Следовательно, можно говорить о различном генезисе этих почв.

ГЛАВА 6. БИОЛИТНЫЙ АНАЛИЗ ПОЧВ, ПОГРЕБЕННЫХ ПОД КУРГАНАМИ ДНЕПРОПЕТРОВСКОЙ ОБЛАСТИ.

История природных условий степной зоны в голоцене до сих пор изучена недостаточно. Многие методы четвертичной экологии здесь неприменимы из-за отсутствия торфяников - основных источников материала при палеореконструкции климата.

Едва ли не единственным для исследований подобного рода является метод почвенных хронорядов. Он основан на сравнении свойств погребенных разновозрастных почв друг с другом и с современными почвами (Золотун, 1974; Иванов, Александровский, 1984).

Фитолитный анализ проводили на образцах погребенных под курганами пота Днепропетровской области, расположенных в подзоне черноземов обыкновенных северной степи, приуроченной к Берхне-Орельской лессовой расчлененной равнине.

Почвы под курганами отнесены к концу атлантического периода (5000 лет) и серед1ше суббореального периода (3800 лет) и были определены сотрудниками института почвоведения и фотосинтеза (Пущино) И.В.Ивановым, C.B. Губиным и И.Ф.Ковалевой (1986) как чернозем обыкновенный и чернозем южный.

Современная почва представлена черноземом обыкновенным среднемопщым тяжлосуглшшстым.

Биолитный анализ для указанного хроноряда черноземных почв показал, что вовлечение почв в сельскохозяйственное использование приводит к уменьшению количества фитолитов в пахотных горизонтах и к сужению спектра их морфологических форм. Содержание биогенного опала в пахотном черноземе составляет 1% от мелкозема горизонта. В курганных почвах встречаемость биолитов значительно выше. Наиболее высокое содержание фитолитов отмечено в верхних 10 см почвы атлантического периода (4,4%), что в 1,8 раза больше, чем в верхнем горизонте почвы суббореального периода. Результаты биолитного анализа почвы атлантического периода соответствуют данным о содержании биогенного опала в луговых фитоценрзах и представлениям о более теплом и влажном климате в атлантический период голоцена. Для сравнения стоит отметить, что определенное нами содержание биолитов в верхнем горизонте целинного обыкновенного чернозема составляет 3,1% от мелкозема горизонта, а количество фитолитов с верхних 0-5 см типичного чернозема некосимой Стрелецкой степи- 3,8%. .

При сравнении морфоспектров биолитов погребенных почв отмечается заметное увеличение вклада фитолитов злаков "и осок в спектр биолитов почвы атлантического периода (рис.3), что согласуется ; с данными об изменении климата и растительности в этот период голоцена.

Таким образом, количество биогенного опала и разнообразие его форм в изученных почвах позволяют подтвердить определение погребенных почв окончания атлантического и суббореального периодов как обыкновенный и южный черноземы.

| I

<а\0 «I I

I I I I » 1 11 ,1/1 ]'

Рис.З Морфологические спектры фитолитов почв

р.7 - серая лесная почва

микропонижения (сАпогр.)

р.8 - серая лесная почва

микроновышения

р.9 - чернозем обыкновенный,

современная почва

р. 10 - чернозем обыкновенный

под курганом, 5000 лет.

р.11 - чернозем южный под

курганом, 3800 лет.

ГЛАВА 7. ОПАЛОВЫЕ БИОЛИТЫ РАЗНОВОЗРАСТНЫХ ПОЧВ. СОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ БИОЛИТНОГО ПРОФИЛЯ.

Данные биолитного анализа, проведенного для разновозрастных почв южно-таежной подзоны, позволили оценить скорость формирования биолитного профиля почв и возможности фитолитных исследований для реконструкции условий биогеоценозов.

На ранних стадиях почвообразования в дерново-подзолистых почвах опаловые биолиты интенсивно накапливаются в верхних 0-2 см суглинистой породы, вовлеченной в почвообразовательный процесс. В первые 5 лет рекультивации определяющую роль в профильном распределении биогенного кремнезема играет степень перемешивания почвенных горизонтов. Содержание фитолитов в верхних 0-2 см этих почв одинаково незначительное на всех участках и составляет 0,9% от минеральной массы почвенного слоя. При увеличении срока рекультивации до 20 лет распределение биогенного опала принимает

упорядоченный характер. Содержание биолитов в верхних 0-2 см возросло более, чем в 2 раза - до 2% в среднем, что составляет 45-60% от содержания биолитов кремнезема в верхней части профиля ненарушен-

Рис.4. Содержание и профильное распределение фитолитов (%) в почвах трассы газопровода

а.- верхняя часть склона; б.- средняя часть склона; в.- нижняя часть склона

ных лесных почв (рис.4). На процессе накопления биолитов сказывается состав фитоценоза и местоположение почвы в рельефе. Воздействие этих двух факторов отчетливо прослеживается в результатах биолитного анализа почв фоновых участков: максимальное количество биогенных новообразований отмечено для бурой склоновой почвы под сосняком

(5,1% от мелкозема горизонта А1). В перегнойно- глеевой почве нижней части склона, где растительность представлена серой ольхой, а травянистый ярус угнетен избыточным переувлажнением, содержание фито-литов составляет 3,5%. В почвах 20-летнего участка восстановления, где состав растительности практически одинаков, содержание фитолитов возрастает от 1,1 % в верхней части склона до 3,8% в нижней его часта.

Таким образом, при формировании почвенного профиля подзолистых почв южной тайги, количество биолитов в верхних 0-5 см почвы уже в первые 20 лет начинает приближаться к средним значениям для полнопрофильных почв. В дальнейшем процесс формирования биолитного профиля идет в сторону увеличения его мощности, достигая значений, обусловленных комплексом конкретных физико-химических и биологических условий. Такие же тенденции в исследуемых почвах отмечены для процесса гумусонакопления.

Глубина распространения фитолитов практически всегда в ненарушенных почвах, развивающихся по гумусово-аккумулятивному типу, совпадает с нижней границей гумусового профиля. Количество фитолитов (%) и содержание гумуса в гумусово-аккумулятавных горизонтах почв можно связать уравнением линейной регрессии :

у = 1,1+0,3 х,где у - содержание фитолитов во фракциях 0,05-0,01 и 0,25-0,05 мм по отношению к мелкозему гор. А1; х - содержание гумуса. Коэффициент корреляции - 0,95; стандартная ошибка оценки - 0,23.

Уравнение рассчитано по собственным и литературным данным для дерново-подзолистых, серых лесных, темно-каштановых почв и черноземов (Каманина, 1992). Безусловно, должны учитываться биологические свойства растений как накопителей биогенного кремнезема, гидротермические условия местообитаний, гранулометрический и минералогический состав почвообразующей породы. Тем не менее, установленная даже в таком виде связь между гумусом и фитолитами в горизонте А1 может позволить реконструировать содержание гумуса в некоторых погребенных почвах голоцена и плейстоцена.

В почвах, погребенных под курганами идет минерализация гумуса и его содержание за несколько тысяч лет может падать иногда в 2 раза. Подтверждением этому служит несоответствие морфологических признаков погребенных черноземов очень низкому содержанию гумуса-2,2% для погребенного южного чернозема и 2,3% гумуса для погребенного чернозема обыкновенного. При этом содержание биогенного кремнезема остается высоким. Рассчитанное по уравнению линейной регрессии прежнее содержание гумуса в погребенных почвах для чернозема обыкновенного составляет 10,9%, что примерно на 2,5% выше предполагаемого (Иванов и др., 1986).

ВЫВОДЫ

1. На основании изучения морфологии фитолитов 65 вьдов растений различных семейств вьщелены фитолиты с бугорком в центре, чечевицевидьые и гантелеобразные фитолиты как индикационные для семейства осоковых. Для злаков вьщелены "шляпы" с острым, конусообразным выростом, фитолиты седловидной формы и имеющие форму трехгранной призмы со сглаженными ребрами. Для хвойных растений характерны фитолиты призматической или кубовидной формы. Диагностическое значение фитолитов неморальной растительности незначительно.

2. Среди почв, сформированных на карбонатных лессовых отложениях, бескарбонатных покровных суглинках, песках и элюво-делювии горных пород наибольшее содержание биолитов отмечено в бурых и темноцветных почвах Сихоте-Алиня (6,8% в буроземной почве ельника и 12% - в темноцветной почве); наиболее бедны фитолитами песчаные почвы (0,6% в ржавоземе под сосняком). Вовлечение почв в сельскохозяйственное использование приводит к снижению содержания фитолитов в пахотных почвах по сравнению с целинными (примерно в 3 раза).

3. Отсутствие характерных для хвойных пород фитолитов в погребенном горизонте бурозема (ельник папоротниково-зеленомошный) указывает на смену состава фитоценозов в Сихоте-Алине, обусловленную, вероятно, климатическими изменениями. Формирование темноцветных почв Приморья происходит при равномерном поступлении мелкозема на поверхность почвы, в том числе и аэральным путем.

4. Содержание фитолитов в верхних 0-2 см рекультивируемых почв на покровных суглинках приближается к количеству биолитов в ненарушенных фитоценозах южной тайги уже в первые 20-30 лет. Наибрлее активно процесс аккумуляции фитолитов проходит в полугидроморф-ных почвах под луговыми ассоциациями.

5. Погребенные под курганами Орельско-Самарского междуречья почвы, сформированные в конце атлантического и суббореального периодов, по биолитным характеристикам соответствуют обыкновенному и южному черноземам.

6. Второй гумусовый горизонт почв Владимирского ополья представляет собой погребенный слой и был сформирован под луговыми фитоценозами.

Fió материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Биологическая активность дерново-подзолистых почв техногенно нарушенных территорий. // Биодинамика почв.-Таллинн, 1988, С.62. (в соавт.)

2. Биогенный кремнезем антропогенно измененных почв. // Бюллетень почвенного института им.В.В.Докучаева, вып. 51, 1989, С.84. (в соавт.)

3. Биолиты кремнезема в почвах. II Проблемы взаимодействия человека и биосферы. Изд-во МГУ. 1989. С.87. (в соавт.)

4. Аккумуляция биогенного кремнезема в разновозрастных почвах южной тайги. // Почвоведение. 1991. N8, С. 137. (в соавт.)

5. Динамика накопления биогенного кремнезема в дерново-подзолистых почвах техногенно нарушенных ландшафтов. // Тез. докл. VII всесоюз. сьезда почвоведов. Новосибирск. 1989. V комиссия. С.296. (в соавт.)

6. Аккумуляция и трансформация биогенного кремнезема в почвах.// Тез. XI междунар. симпозиума по биогеохимии окружающей среды,-1989. Москва. С. 137. (в соавт.)

Подп. в печать &-ОТ-. 95" Формат 6DX#4j/& Объем /,£> Заказ •///£ Тираж

Типография РАСХН