Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экология торфяных мерзлотных почв низинных болот юга Иркутской области

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Иванюта, Людмила Александровна, Иркутск

$1: ЧЦ-'б/йви-А

Иркутский государственный университет Биолого-почвенный факультет Кафедра почвоведения

На правах рукописи

Иванюта Людмила Александровна

ЭКОЛОГИЯ ТОРФЯНЫХ МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ НИЗИННЫХ БОЛОТ ЮГА ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность: 03.00.16 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Иркутск - 1999

Содержание ' с.

Введение 3 1.Эколого-географический анализ условий почвообразования юга

Иркутской области 8

1.1. Климат 8

1.2. Геологическое строение и почвообразующие породы 12

1.3. Гидрология 15

1.4. Гидрогеология 17

1.5. Геоморфология и рельеф 19

1.6. Растительность 21

2.Характеристика торфяных мерзлотных почв низинных болот 24

2.1. Торфяные болотные низинные почвьг 25

2.2. Характеристика аллювиальных болотных иловато-торфяных почв 34

2.3. Торфяные низинные освоенные почвы 40

3.Температурный режим торфяных болотных низинных почв 49 3.1.Особенности формирования температурного режима

торфяных болотных низинных в сравнении с луговыми почвами 50

3.2.Температурный режим торфяных низинных освоенных почв 56

3.3.Рекомендации по тепловой мелиорации торфяных низинных освоенных почв. 64

4.Почвенно-гидрологический режим торфяных низинных освоенных почв 73

5. Динамика подвижных форм железа 88

6. Условия оптимизации экологической функции почв как источника питания растений. 102

7. Прогноз изменений почвенно-экологических условий

в результате мелиорации 114

Выводы 120

Список литературы 122

Введение

В Иркутской области общая площадь болот составляет около 3 млн. га, из которых значительная часть занята торфяными низинными почвами, обладающими большим потенциальным плодородием и представляющими интерес для сельскохозяйственного производства. В естественном виде они закустарены, закочкарены, покрыты мхами и малопродуктивными видами трав и почти не используются в производстве кормов для животноводства. В настоящее время в области освоено 23 тыс.га болотных низинных почв. Большая их часть расположена на юге Иркутской области. Мелиорация и вовлечение торфяных почв в сферу сельскохозяйственного производства приводят к возникновению новой (антропогенной) фазы эволюционного их развития, которая сопровождается глубокой трансформацией их внутренних свойств, структуры и режимов.

Правильно освоенные органогенные почвы отличаются повышенной биопродуктивностью по сравнению с минеральными. Это крупный резерв увеличения производства кормов. Вместе с тем торфяные болотные почвы играют важную роль при формировании экологической ситуации в регионе. При проведении осушительной мелиорации на основе комплексных гидрологических и экологических исследований происходит улучшение состояния земель в р^зул^тате усиления обменных процессов в экосистемах, их гидрологического режима по сравнению с заболоченными массивами. Одда&о недостаточная разработка вопросов, связанных с экологически допустимыми мелиоративными нагрузками, является серьезным тормозом в успешном освоении заболоченных массивов, что обусловливает необходимость дальнейшего изучения проблемы.

Экологически допустимую антропогенную нагрузку на конкретную экосистему можно определить только на основе анализа результатов постоянных наблюдений, оценки состояния экосистем, для каждой экосистемы должны быть разработаны свои нормативы экологически допустимых антропогенных нагрузок (Кожова и др., 1998). Перспективность проводимых исследований определяется особым интересом к современным почвенным процессам и режимам е целью выявления экологической ситуации,

В основу диссертационной работы положены материалы, собранные автором при работе в составе почвенного отдела Иркутского отделения института Востоксибгипроводхоза, комплексной экспедиции кафедры почвоведения Иркутского гоеунивереитета, а также при выполнении государственной программы мониторинга земель по теме: "Нарушение гидрогеологического режима почв Иркутской области". Исследования были направлены прежде всего на решение тех задач, которые выдвигает перед почвоведами-экологами практика осушения торфяных болотных почв в нашем регионе: При этом автор исходил из того, что специфика торфяных низинных освоенных почв как объект сельскохозяйственного использования может быть наиболее полно раскрыта на основе всестороннего анализа условий их формирования и развития, Т;е. генезиса.

Целью исследований является выяснение экологических особенностей образования торфяных болотных низинных почв южной части Иркутской области и типических соотношений между почвой и средой (на основе диагностики основных почвенных режимов).

В программу исследований включено решение следующих задач:

1) изучить евязи между условиями формирования и евойетвами торфяных болотных низинных, торфяных низинных оевоенных, аллювиальных болотных иловато-торфяных почв;

2) определить своеобразие почвенно-гидрологичеекого и температурного режимов целинных и оевоенных торфяных низинных почв;

3) изучить динамику подвижных форм окисного и закиеного железа как наиболее информативного показателя почвообразовательного процеееа торфяных болот;

4) исследовать экологические функции торфяных низинных оевоенных почв как ереду обитания растений и иеточник элементов питания.

В еоответетвии е поетавленными задачами в работе раекрыты особенности водно-температурного режима, динамики подвижных форм железа, выявлено токеичное дейетвие высоких концентраций закиеного железа в болотных почвах на роет и развитие коетреца безоетого. Установлено положительное влияние от внесения минерального грунта и макроудобрений в торфяные низинные освоенные почвы на средних торфах, улучшающее почвенно-экологичеекие условия для коетреца безоетого.

На защиту выносятся следующие положения:

1) специфика экологических условий региона отражается в сложном сочетании факторов почвообразования, обуеловливает многообразие торфяных болотных почв, неоднородность их состава, свойств и плодородия;

2) динамика температуры почв, влажности, подвижных форм железа торфяных низинных оевоенных почв имеет циклический характер, зависит от контрастности погодных условий и применяемых агромелиоративных приемов;

3) внесение минеральных добавок и удобрений способствует оптимизации печвенно-эко логических условий, повышению урожайности кормовых культур на торфяных низинных освоенных почвах.

Объект и методы исследований. Изучаемый район охватывает болотные ландшафты территории юга Иркутской области ( рис. 1 ).

РЖСПОЖОЖЕНйЕ ИССШДШШ

II

* V ч.

Д. '

\ „ -) Ч'^З^-х

I

\ Ч" ■ VI гч

М^чИ 'Х.-Т и '

-v.-4.1t) '> -.

V. X »^го4-*^ . ... _

Х^Х^Л/Л^Л-Я

- -1- " т | дуемой территории

]— Граница иссяе -

Рис. 1. Обзорная схема районов исследования

Исследования выполнены общепринятыми в почвоведении методами: сравнительно-географическим и почвенно-геохимичееким (Ковда, 1973). Наблюдения за динамикой температуры, влажности, подвижными формами железа проводились круглогодично (1978-

1981, 1986-1989) в почвах двух стационарных участков, заложенных в долинах рек Ушаковки и Картагона. В отдельные годы (1984, 1997) наблюдения проводились только на Картагонеком стационаре в летний период. Почвенные образцы отбирались раз в месяц послойно, преимущественно через 25 см.

Изучение морфологических свойств почв, в зависимости от особенностей условий почвообразования, проводилось при детальном изучении болотных массивов для составления техно-рабочих проектов их освоения, а также при маршрутном обследовании отдельных характерных участков болот.

Зольность, плотность сложения, плотность твердой фазы, рН, емкость поглощения, содержание карбонатов, подвижный фосфор и калий, валовой азот, N-N03, М-МН4, ППВ, гранулометрический состав определялись по общепринятым методикам (Качинекий, 1958; Вадюнина, Корчагина, 1973: Агрохимические методы исследования почв, 1975; Физико-химические методы исследования почв, 1980; Воронин, 1986), подвижное железо - в 1н сернокислой вытяжке, с предварительным разрушением карбонатов и фотоколориметрирова-нием по о-фенантролину (Аринушкина, 1970). С целью определения эффективности макроудобрений на урожай костреца безостого и выявления концентраций закисного железа, токсичных для растений, проводились вегетационные и полевые опыты по общепринятой методике в четырехкратной повторноети (Агрохимические методы исследования почв, 1975; Доспехов, 1979). Полученные аналитический материал, результаты вегетационных и полевых опытов подвергались вариационно-статистической обработке с использованием рекомендаций Е.А.Дмитриева (1979).

1: Эколого-географичеекнй анализ условий почвообразования юга Иркутской области

1:1; Климат. Климат Иркутской области резко континентальный, характеризуется суровой продолжительной зимой и теплым часто е обильными осадками летом. В холодный период года территория находится под влиянием азиатского антициклона, где формируется малооблачная погода со слабыми ветрами и малым количеством осадков (Миротворцев, 1934; Картушин, 1966, 1969). В теплый период развивается циклоническая деятельность и заметно возрастает облачность. В это время года выпадает до 80 % годовой суммы осадков. Средняя годовая температура воздуха преимущественно от-

гттт^тй nrr frff/т Г\ Л i< ( / \ т г 11 '11" по t-m'/t ТТЛ ттттт ja 11Л г [ '1'/1 1) :i /1 м '1' 1 I

pjri^ciivJiorift/i - u. vj^nai\u ja j.ivji/jii//iln.iriw nuinupa д^^лт-

JrATTjfr Ат^гатгаатла ттот/лтлплд l i/* riчi :t/ui!/.'i ttq (0 1 ^r 1 1 n рпо"пттАтттт ft\ lvirj>1 Uinlvjluvxva iiv^/ivv^ J i ViijXV^XliriV lict , i J , x j JJ vjjttönvxijrxjix vvj

средней многолетней (Материалы наблюдений Гос. комитета по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 1936-1997; Беркин, Филиппова, Боярк-ин и др., 1993).

Относительная влажность воздуха является хорошим показателем сухости. Наибольшие значения относительной влажности воздуха отмечаются в холодный период года (декабрь-февраль - 80-86 %), наименьшие - в теплый. Сухие дни е влажностью менее 30 % наблюдаются в апреле-июне и за год их число изменяется от 20 до 40, их меньше в лесной зоне на территории Присаянья и больше в лесостепной. Число влажных дней, с относительной влажностью днем 80 % и выше меняется от 50 до 90.

Значительная широтноеть и сложность рельефа территории приводят к большому разнообразию в распределении температуры воздуха, осадков, испарения, наличию длительно сезонной мерзлоты, что в определенной степени сказывается на формировании свойств почв, заставляет более детально рассматривать их почвенно-

экологическую значимость. Территорию исследований в зависимости от климатических показателей и их влияния на процессы торфо-накопления и почвообразования можно разделить на три условных района.

Район исследований предгорий Восточного Саяна на территории Верхнего округа Присаянской предгорной ступени Средне-Сибиркой южно-таежной провинции, характеризуется наиболее суровым климатом. Сумма положительных температур выше 10°С - 1083-1443°, количество осадков за теплый период 309- 540 мм при годовой норме около 514-628 мм. Продолжительность безморозного периода 67-77 дней. Коэффициент увлажнения, вычисленный по формуле Н.Н.Иванова, изменяется от 1,0 до 2,0. Устойчивый снежный покров образуется после промерзания верхних горизонтов, что способствует длительному и глубокому промерзанию торфяных болот, несмотря на повышенную по сравнению со средней величиной высоту снежного покрова. Своеобразие и суровость климата района отражаются в широком распространении сезонно многолетней мерлоты в торфяных отложениях, невысокой степени разложения торфа, промывном типе водного режима, кислой реакции среды верхних торфяных горизонтов. В данном регионе наряду с широким распространением низинных формируются верховые и переходные болота.

Территория центрального района исследований в пределах нижнего округа Присаянской предгорной ступени Средне-Сибирской южно-таежной провинции и Средне-Сибирской лесолуговой провинции имеет более мягкий температурный режим с меньшим количеством осадков по сравнению с вышеописанной. Сумма температур выше 10°С - 1365-1692°. Продолжительность безморозного периода 70-119 дней. Количество осадков за май-август 224-312 мм, при годовой норме около 351-506 мм, коэффициент увлажнения от 0,7 до

1,0. Средняя величина испарения с поверхности луга с травяным покровом близка к 400 мм, изменяясь в интервале 304 - 510 мм. За последние четверть века в мае-июне, как правило, испарение превышает количество осадков (Материалы наблюдений Гос. Комитета по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 1936-1997). Формирование торфяных болотных почв в данном районе протекает при меньшем влиянии атмосферного увлажнения, существовании засушливого периода, когда испарение в начале лета превышает количество осадков. В этих условиях преимущественно формируются низинные болота, очень редко встречаются торфяные отложения с переходной стадией развития и отсутствуют верховые.

Район исследований со степными участками в поймах рек Иды, Осы, Харата, Куды и их некоторых притоков, входящий в СреднеСибирскую степную провинцию, характеризуется небольшим количеством осадков за май -август - 211-285 мм, в целом за год 324-469 мм. Сумма температур воздуха выше 10°С изменяется от 1495 до 1764 Продолжительность безморозного периода 76-112 дней. Среднегодовая температура воздуха -2,4-(-3,6)°С. Коэффициент увлажнения не превышает 0,8. В этом районе болота с торфяными отложениями встречаются небольшими контурами в поймах рек. Почвы, вследствие повышенного количества тепла, незначительной увлажненности осадками, наличия засушливых периодов, когда испарение в 2,5 раза превышает количество осадков, имеют большую степень разложения торфа, характеризуются высокой зольностью, накоплением в верхнем части профиля соединений железа, карбонатов, легкорастворимых солей.

Таким образом, термические условия и условия увлажненности в первую очередь ответственны за интенсивность процессов торфо-

накопления и почвообразования, происходящих в торфяной толще исследуемого региона.

Особую роль в формировании торфяных болотных почв юга Иркутской области играют ветры. Они не отличаются большой скоростью. Средняя годовая скорость ветра составляет 2 м/с. В зимнее время года при антициклональных условиях погоды наблюдаются чаще всего штили. Весной и летом средняя скорость ветра 1,5 - 3,0 м/с. Преобладающими по направлению и по силе являются ветры северо-западного и юго-восточного направлений. Наибольшая скорость ветра на высоте 12 м достигает 11 м/с. Интенсивнее его деятельность проявляется в весенний период, который характеризуется как засушливый, с наименьшей влажностью воздуха. Ветры сильно иссушают почву, вызывают ветровую эрозию пахотных почв, под действием которой происходит отложение минеральных частиц на рядом расположенные болотные массивы, что ведет к увеличению в них зольных элементов, тем самым способствуя евтрофной стадии развития болотных массивов. Их влияние меньше в залесенной зоне и более значительно в распаханных районах лесостепной и степной зон как наиболее открытых систем.

Формирование болотных низинных почв и их температурный режим тесно связаны с микроклиматом территории их распространения. В.И.Гонтарь (1970), описывая микроклимат небольших долин, отмечает, "что различия в степени морозостойкости меняются в течение вегетационного периода. Осенью в ясные тихие ночи долина заполняется туманом, более продолжительным и интенсивным, чем на элементах рельефа, находящихся вне долин". В условиях холодной и сухой весны в речных долинах туманообразование не наблюдается. В это время сказывается влияние различных форм рельефа как перераспределителя температур, что ведет к интенсив-

ным заморозкам в депрессиях. Влияние масс воды на микроклимат заметно снижается при осушении болот в долинах рек, при этом уменьшается продолжительность туманов в осенний период и повышается континентальность климата.

1=2. Геологическое строение и почвообразующие породы. Согласно исследованиям К.И. Богдановича (1894), В.В. Домбровско-го (1934), Ф.Ф. Оттена (1934), В.А. Обручева (1935, 1938), И.В. Николаева (1948), М.М. Одинцова (1953), Г.И. Кириченко, Е.В. Ту-гановой (1955), A.B. Илыохина (1961), В.А.Вахрамеева (i960), М.М. Одинцова, В.А. Твердохлебова (1962), М.М. Одинцова, А.Н. Гуто-ва, Л.И. Богдашева (1967), A.B. Ильюхиной, С.А. Кашика, М.М. Одинцовой (1967), A.B.Ильюхиной, Т.К.Ломоносовой (1967), Н.С. Беркина, С.А.Филипповой, В.М.Бояркина и др. (1993), изучаемая территория сложена архейскими,кембрийскими, юрскими и четвертичными отложениями.

Отложения архейского возраста слюдянской серии представлены карбонатной толщей в виде мрамора, переслаивающейся с гнейсами, кальцифирами и амфиболитами.

Кембрийские отложения встречаются отдельными выходами и представлены карбонатными отложениями (доломиты, известняки, известковистые песчаники и аргиллиты) нижнего кембрия.

Юр�