Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические условия формирования почв и биологический круговорот веществ в еловых лесах среднего Урала

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Экологические условия формирования почв и биологический круговорот веществ в еловых лесах среднего Урала"

Р Г Б ОД

1 о АПР 1995

На правах рукописи

ПРОКОПОВЙЧ Елена Викторовна

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ «ЮРШРОВАНИЯ ПОЧВ И БИОЛОГИЧЕСКИЙ

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ЕЛОВЫХ ЛЕСАХ СРЕДНЕГО УРАЛА

03.00.15 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученей степени

кандидата биологических наук

I'

Екатеринбург 1995

Работа выполнена в Институте экологии растений и животных Уральского отделения РАН.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Фирсова В. П.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Карпачевский Л. Q. доктор сельскохозяйственных наук Фрейнберг И. А.

Ведущее учреждение: Уральский государственный университет

им. А.М.Горького

Защита состоится 'j/j " ¿fypfl&^i? 1995 года в ^^ часов на заседании диссертационного совета Д.002.05.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте экологии растений и животных Уральского отделения РАН про адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии растений и животных УрО РАН.

Автореферат разослан ■^И^/^йущ^ года.

Ученый секретарь диссертационного

Актуальность теш. Все возрастающее антропогеннее воздействие на лесные экосистемы сопровождается снижением их продуктивности-и ослаблением природоохранной роли. В связи с этим приобретает важное значение сравнительное изучение функционирования лесных экосистем е зависимости от антропогенной нагрузки. Теоретический и практический интерес представляет комплексное изучение экологических условий почвообразования о использованием новых методов диагностики почвообразовательных процессов.

Цель и задачи исследований. Цель работы - изучение экологических условий формирования свойств горна-лесных почв и биологического круговорота в еловых лесах Среднего Урала.

Для выполнения поставленной цели.исследования были направлены на решение следующих задач: 1). Выявить количественные и качественные параметры круговорота веществ в естественных и антропогенно измененных еловых лесах геохимически сопряженных ландшафтов; 2). Изучить экологические условия гумусообразования и их влияние на содержание, групповой к фракционный состав гумусовых веществ в сравниваемых почвзх; 3). Провести сравнительный анализ формирования горно-лесных почв в зависимости от литологическогс фактора (кислые и основные горные почвообразующие породы; 4). Выявите закономерности изменения содержания и соотношения форм оксидов железа как важного диагностического признака почв и параметра ~ характеристики условий почвообразования.

Научная новизна - впервые на примере доминирующих на Урале естественных и антропогенно измененных еловых лесов дана количественная и качественная оценка круговорота веществ. Выявлены закономерности гумусообразования в сопряженных ландшафтно-геохи-мических условиях. Получены новые сведения о роли литогенного фактора в формировании свойств горных почв.

Практическая значимость работы - результаты переданы в Ви-симский заповедник как основа для совершенствования исследований и охраны почв заповедников. Они предложены институту УралГИПРОзем

круговороту веществ в системе лесная растительность - почва переданы eq Всероссийский.банк данных и могут быть включены в учебный процесс подготовки студентов лесотехнических и биологических ВУЗов. ,

Апробация работы. -Материалы диссертации доложены на конференции, посвященной 10-летию Висимского государственного заповедника (Свердловск, 1981), на краевой научной конференции. "Продуктивность таежник биогеоценозов" (Красноярск,. 1986), Всесоюзной конференции "Экологическая роль горных лесов" .(Бабушкин, . 1986), -11 Всесоюзном совещании- "Общие проблемы биогеоценологии" (Москва, 1986), Областной молодежной научно-практической школе-конференции "Экологические системы Урала: изучение, охрана, эксплуатация" (Свердловск, 1987), на VII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), Всесоюзном совешднии "Экология лесов Севера" (Сыктывкар, 1989), Всесоюзном совещании "Лесораотитедьные свойства и антропогенная динамика лесных почв" (Брянск, 1990), Всесоюзном совещании "Проблемы лесоведения и лесной экологии" (Москва, 1990).

" Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка, литературы. Работа изложена на 7^Йзтрани- .

для организации почвенного мониторинга лесных земель. Данные по

цах машинописного текста, содержит сок литературы включает источников.,

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ PGPHü-ЛЕСНЫХ ПОЧВ СРЕДНЕГО УРАЛА В этой главе приведен краткий обзор литературы о генетических особенностях гарно-лесных южно-таежных почв, представленных на обследованной нами территории. Начало подробного изучения горно-лесных почв Среднего Урала было положено в работах E.H. Ивановой (1949, 1954) и H.A. Ногиной, в которых была подчеркнута особая роль литогенного фактора и описана возможность формирования неоподзоленных почв, в верхних горизонтах которых наблюдается накопление илистой фракции и обменных оснований, что не свойственно процесс/ оподголивания. -

В результате дальнейшего изучения горных почв впервые были получены данные о качественном составе гумуса (Дергачева, 196?, 1958, 1969; Фирсова, Дергачева, 1970, 1972), составе микрофлоры (Кулай, 1970, 1972; Фирсова, Кулай, Хренова, 1970; Фирсова, Ку-лай, 1974), валового химического состава ила (ФирооЕа, Ржаннико-ва. 1968, 1972; Фирсова, 1977), форм железа в почвах Урала (Фирсова, Гэндэнгийн У., 1987, 1988; Фирсова, Гэндэнгийн У., Прокопо-вич, 1986, 1987;' II др.

Предшествующие исследования позволили обосновать выделение на Урале бурых лесных почв, выявить закономерности их географического распространения и некоторые отличительные особенности их от бурых почв других горных систем, оценить роль литогенного фактора и др. Однако все эти исследования проводились на "макроуровне", (по подзонам и провинциям) тогда как более тесные связи, обусловленные геохимической сопряженностью почв е пределах одной подзоны и в небольшом диапазоне высоты местности оставались не изученными, Этот пробел восполнялся в последние годы на основе стационар-

ных наблюдений за динамикой почвенных процессов на стационаре "Куаино" (Фирсова, Павлова, Дедков, 1990). Генетически сопряженный ряд почв, развитых на кислых почвообразующих породах', на территории этого стационара был выбран в качестве одного из объектов нашего сравнительного изучения.

В качестве эталона южно-таежных почв, развитых на осноеных породах, выбраны почвы Висимского заповедника, свойства почв ко-. торого освещались Б.Н.Арефьевой (1975, 1975), В.П.Фирсовой, Т.А.Горячевой, Е.В.Прокопович (1981, 1983), Е.В.Прокопович (1982). Типичность выбранных объектов исследования подтверждена учетом земель по итогам крупномасштабного картирования (Фирсова, Павлова, Дедков, 1984; Фирсова, Павлова, Дедков, Прокоповйч, 1985, 1987).

К началу наши исследований были решены многие вопросы генезиса и классификации почв•и выявлены общие географические закономерности их распространения в пределах южно-таежной подзоны Среднего Урала. Изучение' почв в сопряженных ландшафтах, потребовало новых методических подходов. В частности, выяснилась недостаточность классических методов анализа гранулометрии поче без учета их-хрящеватости. Данные по оценке каменистости почв, определяющей их окислительно-восстановительный режим, особенности и скорость миграции веществ, -обогащения почв первичными минералами и другие практически отсутствовали. Было слабо изучено гумусное состояние гарно-лесных пачв этой территории,- отсутствовали данные о формах железа в почвах - одного из важных показателей диагностики почв и оценки экологических условий почвообразования. Поскольку литоген-ный фактор наряду с биологическим определяет возможность формирования, бурых лесных почв-"на-Урале (Фирсова, 1977), появилась* необ-

ходимость дать комплексную сравнительную оценку особенностей проявления буроземообразования и сопутствующих ему процессов з зависимости от свойств горных пород при идентичности прочих условий почвообразования. Кроме того оставался недостаточно изученным на Урале биологический круговорот веществ в естественных и антропогенно измененных лесных биогеоценоза;-; в условиях геохимически сопряженных ландшафтов. Все это определило выбор объектов и основное направление и методы исследований.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами наших исследований были выбраны южно-таежные еловые леса и почвы Среднего Урала. Проводилось сравнительное изучение первобытных коренных леоов в Висимском заповеднике и антропогенно нарушенных условно-коренных еловых лесов на стационаре "Кузино" в геохимически сопряженных ландшафтах и соответствующих им почвах. Для этой цели было заложено два топозкологических профиля. Один из них протяженностью 2 км пересекает территорию Висимского заповедника от вершины горы Малый Сутук до раки Медвежка. В разных частях пологого склона северо-восточной экспозиции к депрессии, вашкасщей зтсх склон, с перепадами высот от 550 до 250 м над ур. моря, было заложено четыре почвенных разреза.

Вниз по уклону местности бурая горно-лесная типичная почва (разрез 13 В) в ельнике пихтовом высокотравно-папоротниковом сменяется бурой горно-лесной с признаками оподзоливания (разрез 2 В) в ельнике липняковом, затем - бурой горно-лесной оглеенной (разрез 1 В) под пологом ельника крупнопапоротникового и, в депрессии, замыкающей склон - торфянисто -глеевой (разрез 5 В) под пологом ельника-кедровника хвощево-мщистого почвой.

Второй топопрофшш протяженностью 920 и, . с перепада,® высот от 507 до 467 м над ур. моря восточной экспозиции заложен на ста-, ционаре "Кузино" (Билимбаэвский лесхоз Свердловской области), почвы которого также охарактеризованы четырьмя разрезами, соот-ветствущими элювиальному, транс-элювиальному и аккумулятивному ландшафтам. Почва вершины увала представлена бурой горно-лесной маломощной (1 К) в ельнике разнотравно-злаковом и, ниже по склону, - бурой горно-лесной лессивированной (2 К) в ельнике высокотравно-папоротниковом, буро-подзолистой (сильно лессивированной) (3 К) в ельнике липняковом и у подножия склона (5 -К) в ельнике мелкотравном - бурой горно-лесной псевдооподзоленной.

Выбор объектов определялся еще и тем, что сравниваемые территории, при прочих сходных экологических условиях (см. гл.З), сложены разными горными породами -. габбро-диоритами (основными) в Висимском заповеднике и кварцитами (кислыми) - в Кузина. В работе приводится подробное описание местоположения. пробных площадей, почвенных разрезов, их морфологическое строение, краткая таксационная характеристика дреЕостоев и состава напочвенного покрова.

Изучение физических и химических свойств почв выполнялось общепринятыми в почвоведении методами (Аринушкина, 1970; Качинский, 1958). Качественный состав гумуса изучали по методу В.В.Пономаревой и Т.А.Плотниковой (1980), оценку гумусного состояния проводили по показателям, предложенным Орловы),1, Гришиной (1981). При определении групп и форм железа использована схема, предложенная С.В.Зонном (1983).

Для вычисления массы органического вещества древостоя использовали метод средней модели, согласно методике, предложенной Л.А.Гришиной и Е.М.Самойловой (1971), анализ растительных образ-

_ 'У ~

цов гели по этой же методике. Запасы и структура фитомассы древесного полога в Висимском заповеднике определялись Ю.М. Алесен-ковым (1983) и были использованы нами при расчете параметров биологического круговорота.

Спад древесного яруса собирали со стационарных спадсулощ!те-дей (по 10 на каждой пробной площади), обычно 2 раза в году: весной (в конце апреля - начале мая) и осенью (в конце октября). Собранный материал разбирали, выделяя три фракции: хвою, листья и прочее, для дальнейшего анализа.

Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ В этой главе диссертации наряду с традиционным, по.литератур- . ным источникам, описанием почвообразующих пород, геологик и рель- • ефа местности, климата и особенностей растительного покрова ис- ■ пользованы данные собственных исследований.

При характеристике почвообразующих пород (элювий и элюво-делювий габбро-диоритов и кварцитов) для разных участког топопрофи-ля приведены результаты изучения их каменистости, гранулометрического й валового состава, как незатронутых выветриванием горных пород, так и их дериватов, подвергшихся выветриванию и почвообразованию' и латеральному перераспределению. Отмечено, что в процессе формирования мйлкоземистого делювия разных горных пород их хи-^ мичес-кие свойства сближаются. Иными словами, одинаковые биоклиматические условия выветривания и почвообразования ведут к конвергенции состава и свойств почв, формирующихся на различных по химизму горных породах.

Экологическая роль климата в почвообразовании ■ рассмотрена как по данным Агроклиматического справочника по Свердловской области (1962), так и по микроклиматическим наблюдениям непосредственно

на толопрофиле Висимского заповедника'(Зубарева, Горячев, 1975; Шевелев, 1977) и стационара "Кузино" (Фирсова, Павлова, Дедков, 1990). Приведена подробная характеристика климата, из которой следует, что сравниваемые нами объекты практически не отличаются по оаиовным климатическим показателям, от которых зависит основное направление почвообразования.

Сравнительный -анализ данных показал, что запасы древесины ели в коренных лесах значительно превышают таковые в производных и колеблются по типам леса от 86 до 65 т/га - в коренных, против 20-40т/га - в производных, фитомасса листьев и хвои больше в производных лесах, а по фитомассе напочвенного покрова сравниваемые леса практически не отличаются. Исключение составляет лишь ельник хвощево-мшистый, где фитомасса напочвенного покрова достигает 3.1 т/га, тогда как в других-ишак леса - от 1.4 до 0.8 т/га.

Неоднородность экологических условий определяет как особенности формирования лесной растительности, .так и многие свойства почв. ... .

Глава 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ Дана сравнительная характеристика физических (каменистость, удельная и объемная масса, порозность, скважность и гранулометрический состав) и химических свойств (формы кислотности, поглощенные основания, гумус, азот, подвижные формы кадия, фосфора и железа и валовой химический состав)'.почв, представленных на обоих топоакологических профилях.

В результате впервые проведенной учетной оценки каменистости горных почв Урала получены количественные параметры ее внутрипро-фильного изменения в зависимости от рельефа местности и особенностей горных почвообразующих пород. Наибольшей каменистостью от-

личаются почвы вершины" увалов, "где сумма фракции от 10 до 1 мм составляет 85%, причем основная ее часть (50-65%) приходится в почвах на кварцитах на фракцию > ~Ш мм. В почва:-: склонов каменистость убывает почти вдвое. Дальнейшее резкое уменьшение ее, в основном за счет самых крупных фракций, происходит б почва«: нижней трети склона. Почвы Висимского заповедника, сформированные на габбро-диоритах, отличаются значительно меньшей каменистостью.

По гранулометрическому составу мелкозема почвы Висимского заповедника тяжелосуглинистые, легко- и среднеглинистые илова-то-крупнопылеватые сильнощебнистые; почвы стационара "Кузина" -пегко- и среднес-углинистые иловато-песчаные или крупнопыдева- ' го-иловатые сильнокаменистые. Выполнены расчеты "истинного" гра- ' нулометрического состава почв с учетом их каменистости. 1

Выявлено своеобразное внутрппрофкльное распределение ила: на 1 вершинах увалов при близком подстилашш горных перед (преимушес х-венно основных' он либо накапливается е верхних горизонта:, либо ?го количество довольно стабильно по профилю; в ьерхних частях склонов наблюдается накопление ила на контакте с плотной почвооб-зззувщей передой; е. средней чзгтк еклгнг возрастает мощность элж-зпадной тслцк, но горизонт максимума ила фхрмируатсн нопосродс-гвенно под элювиальной толщей, а не в контактной зоне; на подно-ши склона элювиально-иллювиальное расчленение профиля усиливает-зя. Отмечено закономерное увеличение количества ила и физической ■'Лины вниз по уклону местности. Бее изученные почвы, за исключением, заболоченной.характеризуются высокой скважностью аэрации..

Определением актуальной и гидролитической кислотности выявлена зависимость ее величины в подстилках от состава древесного по-гага и напочвенного покрова, а в почвообразующей породе - от осо-

бенностей горной породы (кислая, основная). Кислотность верхних горизонтов почв под первобытными еловыми лесами выше, чем под производными смешанного состава. Поглощенные основания накапливается интенсивнее в верхних горизонта?; почв под первобытными лесами. В почвах склонов, где на буроземообразование накладываются сопутствующие ему процессы, формируются элювиальные горизонты, которые фиксируются по уменьшению содержания обменных кальция и .лагния разной мощности в зависимости от ландшафтного положения и состава горной породы.

Отличительной особенностью всех 'изученных почв является их высокая гумусность (от 8 до 12% в А1) и глубокая пропитанность гумусом, благодаря чему его содержание в почвах вершины увалов даже на глубине 70-80 см составляет 3% (1 К). Подвижные формы

фосфора и калия накапливаются в основном в подстилках (особенно *

_тод пологом ельника липнякового и высокотравно-папоротникового).

Отметим основные черты сходства и различия валового химичес-. кого состава почв сравниваемых катен. Маломощные почвы на кислых породах отличаются значительно более высоким (почти на 20?.) содержанием БЮг и значительно меньшим (в 2-3 ра£а) количеством алюминия, железа, кальция и магния, чем почвы на основных породах.

В почвах на дериватах кварцитов в автономных позициях ландшафта происходит слабое элювиально-иллювиальное расчленение профиля и высокое биологическое накопление кальция и фосфора. В почвах автономных ландшафтов на дериватах гайбро-диоритов, наблюдается сравнительна равномерное распределение по профилю 5х0$>, полуторных оксидов и магния и происходит биогенное накопление-кальция и фосфора. Вниз по склону (в обоих случаях) элювиальные про-

_ Х1 -

цессы активизируются и в транзитно-аккумулятивных позициях ЯоОз частично выносятся за пределы почвенных профилей.

Тагам образом, наиболее благоприятные экологические условия для формирования бурых горно-лесных почв складывается в верхней части высотного ряда, пс мере увеличения увлажнения и мощности мелкоземистой толщи вниз по уклону местности усиливается дифференциация почвенного профиля за счет оподзоливания или оглеения.

Глава 5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГУМУСООБРАЗОВАНИЯ Гумуснсе состояние почв определяет их плодородие и одновременно является важным показателем их генетической диагностики. Несмотря на имеющиеся данные об особенностях гумусообразованля в ; горах Урала (Фирсова, Ржанникова, 1966; Фирсона, Дергачева, 1972; Дергачева, 1968; Фирсова, 1986) многие экологические аспекты этого процесса оставались не изученными. В частности не были освеще- ¡( ны особенности формирования гумусовых веществ в геохимически соп-

I

ряженных ландшафтах в зависимости от мощности почвенного профиля и характера проявления сопутствующих буроземообразованию процессов оподзйливания или оглеения в сравнительно небольшом диапазоне абсолютных высот местности.

Согласно полученным нами данным в почвах Еисимского заповедника как в подстилке, так и в гумусовом горизонте образуется гу-матно-фульватный гумус. В почвах стационара "Кузино", в отличие от псчз Висимского заповедника, в подстилках формируются гумусовые вещества фульватно-гуматного типа (Сгк:Сфк=1,0-1,4,), а в горизонте А1 - гуматно-фульватный тип гумуса.

Различия в экологических условиях почвообразования определили качественную неоднородность группового состава гумуса по почвен-

ному профилю. Так профиль бурой горно-лесной маломощной почвы Ви-оимского заповедника (разрез 13 В) характеризуется стабильной величиной отношения Сгк:Сфк, то есть практически он не дифференцирован. В значительной степени это относится и к почве транс-элювиального ландшафта (верхняя часть крутого склона, разрез 2 В),

где также профиль дифференцирован слабо. И только в почве нижней . л "Ч -

трети склона (транзитный ландшафт, разрез 1 В) уже о глубины 15 см. гумус становится фульватным и отношение Сгк.-Сфк здесь уменьшается вдвое по . сравнению с подстилкой, что является следствием элювиально-глеевого процесса. Торфяно-болотная почва (разрез 5 В), в отличие от расположенной выше по рельефу (разрез 1 В) бурой рорно-лесной оглеенной, характеризуётся более высоким количеством гуминовых кислот. Сказанное подтверждается на примере почвы аккумулятивного ландшафта (разрез 5 К) стационара "Кузино", где в [ределах всей минеральной толщи почвы относительное содержание гуминовых кислот выше, чем в почвах транс-элювиального ландшафта (разрезы 2 К и 3 К).

Содержание гуминов и негидролизуемого остатка, как.преобладающих групп гумусовых веществ, в бурых горно-лесных почва;-;' (Дерга-чева, 1968), по нашим данным в среднем по профилю составляет около 50%. В почвах Еисимского заповедника (разрезы 13 В, 2 В, 5 В) наблюдается резко выраженное накопление негидролизуемого остатка на контакте с плотной почвообразующей породой, где количество его возрастает до 98.0%. Принципиальное отличие почв сравниваемых ка-" тен по содержанию негидролизуемого остатка состоит прежде всего в очень высоком его накоплении в почвообразующей породе Висимского заповедника,"' что, очевидно, обусловлено основным ее составом и более плотным сложением почво-элювия.

Сравниваемые почвы по совокупности показателей гумусного состояния, предложенных Орловым, Гришиной (1981), практически не различаются, что свидетельствует об их генетическом сходстве.

Некоторые различия экологических услоЕпи, обусловленная особенностями лесной растительности (их породного состава и степени антропогенного воздействия) и физико-химическими свойствами горных почвообразующих пород, находят отражение не стольга в групповом, сколько во фракционном составе гумуса.

Среди гуминовых.кислот в органическом веществе всех исследованных поче доминируют гуминовые кислоты фракции I. Содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием, как в подстилках, так и в гумусовом горизонте очень низкое.

Для представления о профильном распределении гумуса нами предложен дополнительный показатель (Фирсова, У.Гэндэнгийн, Про-копозич, 1987) - убыль гумуса, как отношение его количества в А1 к. непосредственно подстилающему его горизонту, и в А1:ВС. При этом введены две градации: величина отношения > 10 - резкая убыль, и < 10 - постепенная. В верхней части профиля Есех сравниваемых почв наблюдается постепенное уменьшение содержания гумуса, особенно в избыточно увлажненных условиях. Постепенно убывает содержание гумуса в А1 относительно ВС в бурой горно-лесной типичной и торфянисто-глеевой почвах, что свидетельствует о высокой мобильности гумусовых веществ в этих экологических условиях.

Запасы углерода и азота в почвах подвержены значительным колебаниям в- зависимости от экологических условий, но в целом в первобытных еловых лесах они выше, чем в антропогенно измененных.

Полученные данные о качественном составе гумуса, - а также обобщенные ранее материалы (Фирсова, 1986) согласуются с критери-

ями, предложенными В.В.Пономаревой (1982, 1954), и подтверждает принадлежность этих почв к бурьпл лесным. Одновременно в результате проведенных исследований стало возможным расширить представление о ррли биогенного и литогенного фактора в формировании гумусового профиля и в зависимости от ландшафтно-геохимического положения почв. . .

Глава Б. ФОРМЫ ЖЕЛЕЗА*В ПОЧВАХ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

Одним из важных диагностических показателей поче и одновременно экологических условий почвообразования,,, в частности дрени-рованности и аэрации почв, реакции почЕенной среды, степени вы-ветрелости почвенной массы и др. является содержание различных форм железа. Учитывая большую "реактивность" железа (Зонн, 1974, 1982) на изменение экологических условий, содержание его различи ных форм .широко используют для изучения особенностей почвообразования и диагностики поче. Общие закономерности формирования соединений железа в разных зональных условиях от умеренно холодной до субтропической зон выявлены (Зонн, 1982, 1983), .тогда .как менее контрастные изменения в соотношении железа в почвах, определяемые неоднородностью экологических условий в пределах одной природной зоны изучены еще недостаточно. Проведенные нами исследования на почЕах, сформированных на качественно различных горных породах, в какой-то мере восполняют этот пробел.

Относительное содержание (% от валового) силикатного железа в почвах Висимского заповедника значительно выше, (е 1.5-2 раза), чем в почвах стационара "Кузино". Более того, если в первом случае силикатные формы железа преобладают над.несиликатными, то во. втором -.доминирует несиликатное железо. По разному■эти формы же-

лева распределяются в пределах почвенного профиля. Е почвах на основных породах они более стабильны по профилю (за исключением торфянисто-глеевой почвы депрессии, где наблюдается увеличение количества неснликатного железа с глубиной), а на кислы;-; породах - выражена тенденция увеличения его как о глубиной, так и вниз по уклону местности.

Для выявления процессов, формирующих почвы, проведено определение соотношения различных форм несиликатного железа. Содержание слабоокристаллизованного железа в несколько раз превышает количество сильноокристаллизованного, и оно Еозрзстает с глубиной. Такое распределение, и соотношение слабоокристаллизованного и сильноокристаллизованного железа по профили" считается одним из диагностически/; признаков бурсгемообразования (Зонн, Рукака, 1978). В' торфянисто-глеевой почве, в противоположность бурым почвам, доминирует аморфное железо. ;

Важными показателями для установления элементарны;-: почвенных процессов яеляются характер распределения слабоокристаллизованного и аморфного железа й соотношения между ними (Зонн, 1982, 1983). Исходя из того, что содержание в сравниваемых почвах стационара "Кузина"•слабоокристаллизованного железа уменьшается вниз по уклону местности, а аморфного возрастает, можно считать, что формирование псевдоподзолистых поче в нижних частях склона происходит за счет элювиально-глеевого процесса. ^ - . -

Расчет степени окристаллизованности железа (Ре0-оксалатораст-воримое по Тзмму/Гесг дитионитрэствсримое по Мера-Джексона) показал, что в почвах стационара "Кузино", развивающихся на кислых почвообразующих породах, верхние горизонты почвы вершины увала более дренированы, чем почвы Висимского заповедника.

В работе приводятся также данные определения запасов железа в 50-сантиметровой минеральной толще, ив которых следует, что валового и силикатного железа больше содержится в сравниваемых почвах Еврхних элементов рельефа, испытывающих Солее тесную взаимосвязь с горной почвообразующей породой. Запасы силикатного железа почти в 3 раза превышают количестве'несиликатного. Рассматриваемые почвы отличаются небольшими запасами сильноокристаллизованного железа и аморфных его форм, связанных с гумусом. Запасы сильноокрис-таллизованных форм железа в почвах на основных породах в 2-3 раза выше, чем на кислых. Отчетливо выражена тенденция накопления этой Форш железа в почвах трансэлювиальных ландшафтов и уменьшения -е аккумулятивных. Возможно, значительное накопление негидролизуе-мых фракций гумуса связано с их необратимой сорбцией несшшкатным железом. Запасы железоорганических аморфных соединений меньше, ?ем собственно аморфных.

В геохимически сопряженных ландшафтах вынос наиболее мобильных форм желева - несиликатного, слабоокристаллизованного и аморфного, связанного с гумусом, сопровождается их накоплением в более низких по рельефу местоположениях.

Исходя из совокупности количественных параметров, можно сделать вывод, что лучшая дренированность почв обеспечивается на' кислых породах, чем на основных, что создает одно из необходимых ' условий для буроземообразования.

Г лага 7. БИОЛОГИЧЕСКИЙ' КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРОИЗВОДНЫХ И ПЕРВОБЫТНЫХ ЕЛОВЫХ ЛЕСАХ '

Биологический круговорот веществ в лесных экосистемах являет-'--ся важным'показателем интенсивности их функционирования, а следо- -' вательно, и продуктивности лесов. Количественные и качественные

параметры биокруговорота подвержены значительным колебаниям в зависимости от экологических условий произрастания лесной растительности. В нашу задачу входило дать сравнительную оценку биологическому круговороту в первобытных и производных еловых лесах в геохимически сопряженных ландшафтах: .автономном, транс-элювиальном и транс-аккумулятивном.

По флтомассе древостсев первобытные и производные леса близки: 132-172 т/га - в производных и 124-174 т/га - в первобытных. Основное различие заключается в породном составе древостоев: в производных лесах доля лиственных пород составляет (вниз по склону) 55-46-71%; в первобытных лесах - это елово-пихтовый древостой и только в транс-аккумулятивном ландшафте 20% составляет древостой березы. Минимум фитомассы древостоев соответствует либо наиболее "ксероморфным" (вершина увала, стационар "Кузино"), либо увлажненным условиям произрастания лесов (депрессия, Впсимский заповедник).

Годовой прирост составляет в производных лесах 4% от всей массы древостоев", тогда как в первобытных - 2.5%. Ежегодный прирост органической массы в 1.2-2 раза, а химических элементов в 1.5-2.4 раза выше в производных лесах. Основная масса прироста определяется древесиной ствола (25-57%) и листьями - хвоей (35-72%), а на долю ЕетЕей приходится лишь 3-8% прироста в разных типа»: леса. Прирост древесины ствола в обоих случаях изменяется пропорционально величине общей фитомасссы. В производных лесах увеличивается вниз по уклону местности прирост древесины стЕола •(1776 - 1788 - 2245 кг/га), что составляет 31-35% от общего прироста; величина листового прироста (соответственно 3230 - 3646 -4039 кг/га) или 60-62% от общего прироста. В первобытных лесах

максимум прироста древесины стволов (2222 кг/га -'57% всего прироста) и минимум прироста хвои - листьев (1400 кг/га - 35%) наблюдается в середине склона. Минимальному запасу древесины древо-стоев в нижней части склона (5 В) соответствует и минимальный прирост древостоев (812 кг/га).

Основной приходной частью круговорота веществ в лесу является их поступление с спадом и отпадом, большая часть которого преде-, тавлена листовым'опадом: в производных лесах - 74-77%,. в первобытных - 55-70%; отпад стволов составляет соответственно 3-6 и 13-21%.

По запасам химических элементов в различны": .структурных частях выделяется древесина ствола, где концентрируется наибольшая часть химических элементов. В производных лесах в древесине ствола заключено 36-44-54% Еоех элементов (соответственно автономный - транс-элювиальный - транс-аккумулятивный элементы рельефа); в первобытных лесах - 70-59-58%; соответственно в хвое (листьях) заключено в производных лесах 32-29-33%, в первобытных -,15-24-24%. Среди производных лесов минимальные запасы химических элементов обнаружены в наиболее "ксерсморфных" лесах автономного ландшафта (1 К) ; среди первобытных лесов - е" наиболее влажных (5 В) транс-аккумулятивного ландшафта.

По потреблению химических элементов на построение годового прироста выявлена следующая закономерность: около 90% всех потребляемых элементов расходуется на формирование зелены.1: ассимилирующих частей (листьев и хвои), что составляет 138-210 кг/га; 4-6% - на стволовую древесину (10-14 кг/га) и -3% - - на ветви (1.5-6.2 кг/га). В опаде производных и первобытных лесов наибольшее количество химических элементов накапливается в автономном

■1 1~\ ха ~

ландшафте (1 К, 13 Е), а минимальное - в транс-элювиальном (3 К, 1 В).

Годовой цикл биологического круговорота характеризуется величиной истинного прироста, который представляет собой количество органического вещества (или химических элементов в нем), остающееся в биоценозе в течение года: разница между приростом и опадем. Эта величина определяет интенсивность процессов образования и отмирания органического вещества. Во всех исследуемых фитоценоза:-; за год происходит накопление органической массы и химических элементов. В производных лесах ежегодно органическая масса нарастает в 2-10 раз быстрее, чем в первобытных лесах, при этом количество закрепляемых в приросте элементов в 9-17 раз вьпве. Повсеместно наблюдается накопление е истинном приросте магния, фосфора, калия, азота, но количество их в производных лесах значительно больше, чем в первобытных.

Наблюдается накопление кальция в древостоях со значительней долей лиственных пород (3 К, 5 К). В остальных случаях кальций накапливается е почве, и особенно в автономных ландшафтах и в первобытных, и в пссизеодных леса:-;, В результате круговорота веществ почва обогащается не только кальцием, но и кремнием, железом и серой. Причем накопление почвой этих элементов также максимальное в автономных ландшафтах.

■Интенсивность биологического круговорота химических элементов (/л) исследуемых биоценозов характеризуется отношением прироста к опаду (Смольянинов, 1989). Исходя из этой величины наиболее сбалансирован круговорот в первобытных лесах (1л = 1.0-1.8 - по органической массе). Древостой производных лесов "работают" в режиме накопления органической массы фитоценозом (1п = 1.5-2.5).

Наибольшие различия между производными и первобытными лесами наблюдаются по интенсивности круговорота по химическим элементам (азоту и зольным элементам). Сбалансирован он в первобытных лесах (1п ~ 1-1.2); в производных же лесах интенсивность круговорота веществ (по элементам) в 1.5-2 раза ниже (1п = 1,5-2.5). Древостой автономных ландшафтов и в производных, и первобытных лесах отличаются наиболее интенсивным круговоротом по сравнению с дре-востоями транс-элювиальных и транс-аккумулятивных ландшафтов.

Накопление подстилки и химических элементов в ней в 4-5 раз больше в первобытных .лесах (за исключением транс-элювиального ландшафта); скорость высвобождения химических элементов в 2-10 раз (по опадо-подстилочному коэффициенту) выше в производных лесах.

ВЫВОДЫ

1. Наиболее благоприятные экологические условия для формирования и развития бурых горно-лесных почв складываются в автономных ландшафтах. Здесь имеет место частичный вынос 1?г0з и реже ЙО, не сопровождающийся накоплением 310.?. Увеличение содержания СаО, б несколько раз превышающее его количество в горной породе (как следствие дернового процесса) наблюдается в почвах производных лесов.

2. По мере увеличения увлажнения и мощности почвенной толщи в трано-здювиадьных и аккумулятивных ландшафтах усиливается элювиально-иллювиальная дифференциация профиля в связи с проявлением в зависимости от экологических условий сопутствующих буроземообра-зованию процессов псевдооподзоливания, оподаоливанйя или оглее-ния, что подтверждается также данными гранулометрического состава почв. • .

3. В результате изучения двух парагенегических рядов почв, развить:;-: на кислых и основных порода/; установлено, что несмотря на контрастные различия горны;-; пород по свойствам в процессе формирования мелкозема делювия их химический состав сближается.

4. В.почвах на основных породах количество силикатного железа в в 1.5-2 раза выше, чем в почвах на кислых почЕообрнеукшцгс породах, то есть в первом случае сохраняется более . высокий резерв первичных минералов. Если в первом случае силикатные формы железа преобладают над несиликатными, то во втором - доминирует несиликатное железо. В почвах на основных, породах содержание силикатных и несиликатных форм железа более стабильно по профилю, а на кислых породах - выражена тенденция увеличения их с глубиной.

В геохимически сопряженных ландшафтах вынос наиболее мобильных форм железа - несиликатного, слабоокристаллизованного и аморфного, связанного с гумусом, сопровождается их накоплением в более низких по рельефу местоположениях.

Выявлено характерное для буроземоойразования преобладание слабоокристаялигоЕанных форм железа и повышение их доли с глубиной. снижение аморфных и сшьноокристатлкзованных его форм.

5. По совокупности показателей гумусного состояния почвы обоих парагенетических рядов различаются незначительно, что подтверждает общность их генезиса. Общим для ню: является гумат-но-фульватный состав гумуса минеральной части профиля, и только в подстилках производных лесов наблюдается превышение содержания гуминовых кислот над фульвокислотами. В составе гуминовых кислот преобладает фракция 1, рыхло связанная с полуторными оксидами. Гуматы кальция (фракция 2) в почвах на кварцитах накапливается в нижней части почвенного профиля, а в почвах на основных породах

— —

они закрепляются в верхних горизонтах. Более высокая мобильность гумуса наблюдается в почвах на элювии кварцитов.

6. Биологический круговорот элементов в первобытных и производных южно-таежных еловых лесах один и тот же - кальциево- азотный. Первые характеризуются сбалансированным круговоротом, тогда как в производных - потребление на прирост преобладает над поступлением с спадом.

7. Наибольшая скорость оборота химических элементов в первобытных . и производных лесах наблюдается в условиях автономных ландшафтов. В подчиненных ландшафтах, особенно аккумулятивных, она снижается и происходит накопление химических элементов фито-ценозами.

8. Процесс буроземообразования в условиях еловых лесов Среднего Урала обязан совместному влиянию горнах пород и растительности. Влияние каждого фактора на рассматриваемых объектах неодинаково. На кислых рыхлых породах помимо литогенного фактора больше влияние оказывает биогенный: большее участие в составе производных древостоев лиственных пород усиливает минерализацию и гумификацию подстилок (в 2-10 раз по сравнению с первобытными). Это делает возможным использование фитоценозом части элементов на построение годового прироста и закрепление их истинным приростом с вовлечением другой части химических элементов в процесс почвообразования. ' - -- ' '

На основных породзх в условиях первобытных лесов -происходит более высокое накопление массы подстилки, тогда как разложение ее и высвобождение химических элементов замедлено. Основная их масса вовлекается в биологический круговорот, ослабляя тем самым влия-'' ние их на процесс почвообразования.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Фирсова В.П., Прокопович Е.В., Горячева Т.А. Почеы основных типов лесов Висимскогс заповедника /' 10 лет Епсимскому государственное/ заповеднику. - Свердловск, 1981. - 0.34-25.

2. Прокопович Е.В. Свойства подстилок основных типов лесз Ви-симского заповедника // Биогзаценслогические исследования на Урале.- Свердловск, 1982. - С.187-197.

3. Фирсова В.П., Горячева Т.А., Прокопович Е.В. Сравнительная характеристика свойств горных почв Среднего Урала // Почвоведение. - 1983 - N5 - С.16-25.

4. Фирсова В.П., Павлова Т.е., ДедкоЕ B.C., Прокопович Е.В.-Почвенный покров Билимбаевского лесхоза // Научные основы использования и воспроизводства таежных лесов Среднего Урала: (На прим. Билимбаев. лесхоза). - Свердловск, 1966. - С.45-73.

5. Прокопович Е.В. Продуктивность елевых биоценозов южно-тз-ежной подгоны Среднего Урала /У Продуктивность таежных биогеоценозов: . Тез.докл. краевой науч.конф. - Красноярск - 1985 -п.125-127.

6. Фирсова В.П., Ундрал Гэндэнгпйн, Прокопович Е.В. Почвозащитная роль горных лесов // Экологическая роль горных лесов: Тез. ВоесоюэЁконф. - Бабушкин, 1986. - С.171-172.

7. Фирсова В.П., ПавлсЕа Т.С., Дедков B.C., Прокопович Е.В. Роль растительности в круговороте вещестЕ в биогеоценозах Среднего Урала // Общие проблемы биогеоценологии: Тез. 2 Всессюз.совещ. - Москеэ, 1986. - Вып. 1,- С.179-181.

8. Фирсова В.П., Павлова Т.О., Дедков B.C., Прокопович Е.В. Почвы и лесная растительность Среднего Урала // Почвоведение -1987 - N 11. - С.127-137.

о *

- СЛк -

9. Прокопович Е.В. Почвы сопряженных лесных экосистем Среднего Урала // Обл. молодеж.науч.-практ.конф."Экологические системы Урала: изучение, охрана, эксплуатация": Тез.докл. -'Свердловск, 1987. - С.41.

10. Фирсова В.П., Ундрал Гэндэнгийн, Прокопович Е.В. Оценка особенностей почвообразования по гумусному состоянию почв Висимс-кого заповедника и содержанию в них форм железа // Динамика, структура почв и современные почвенные процессы. - М., 1987.-С.119-131.

11. Павлова Т.е., Фирсова В.П., Прокопович Е.В. Биологический круговорот веществ в еловых биогеоценозах Урала // Тез. докл. 8 Всесоюз. съезда почвоведов. - Новосибирск, 1989а: Кн. 4. С. 174.

12. Фирсова В.П., Павлова Т.О., Прокопович Е.В. Биопродуктивность древесного яруса, как показатель интенсивности функционирования биоценозов // Экология лесов Севера: Тез. докл. Всесоюз.со-вещ. - Сыктывкар, 19896- - Т. 2 - С:85-87.

13. Фирсова В.П., Павлова Т.е., Прокопович Е.В. Эколого-лесо-растительнач характеристика почв еловых биогеоценозов Среднего Урала // Лесорэстнтельные свойства и антропогенная динамика лесных почв: Тег. докл. Всесоюз.соЕещ. -Брянск, 1990а. - Т. 2.-С.43-44.

14. Фирсова В.П., Павлова Т.О., Прокопович Е.В. Круговорот азота в еловых биоценозах Урала // Проблемы лесоведения и лесной экологии. Тез. докл. Всесоюз.совещ. - М., 19906. - Ч. 1.- С. 293-296.

15. Фирсова В.П., Павлова Т.С., Прокопович Е.В. Круговорот веществ в'еловых лесах в геохимически сопряженных ландшафтах Урала // Экология - 1993, N 4. - С. 33-39.

ПОДПИСАНО В ПЕЧАТЬ 13.03.95 , 1 усл/печ лист ,ТИР. 100, ЗАК № 48 УрГЭУ г, ЕКАТЕРИНБУРГ