Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Формирование органического вещества почвы в культурах основных лесообразующих пород Сибири

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Формирование органического вещества почвы в культурах основных лесообразующих пород Сибири"

На правах рукописи

РЕШЕТНИКОВА Татьяна Валерьевна

ФОРМИРОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВЫ В КУЛЬТУРАХ ОСНОВНЫХ ЛЕСООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД СИБИРИ

Специальность 03.02.08 - Экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

13 НАР 2015

Красноярск - 2015

005560741

005560741

Работа выполнена в лаборатории биогеохимических циклов в лесных экосистемах Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института леса им. В.Н.Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук Ведрова Эстелла Федоровна

Головацкая Евгения Александровна,

доктор биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник лаборатории физики климатических систем

Пахарькова Нина Викторовна,

кандидат биологических наук, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» Институт экономики, управления и природопользования, доцент кафедры экологии и природопользования

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Защита диссертации состоится 28 апреля 2015 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 003.056.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте леса им. В.Н.Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 660036, Красноярск, Академгородок, 50/28. Тел./факс (391) 243-36-86; e-mail: institute_forest@ksc.krasn.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://forest.akadem.ru Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук

Автореферат разослан (реб/кЫЛ. 2015

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор биологических наук, профессор Ц / , / Муратова Елена Николаевна

'V/ Щ{) ///' /< г. -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Накопленный к настоящему времени обширный и разносторонний материал по сопряженному исследованию леса и почвы позволяет в общем виде охарактеризовать взаимосвязь и взаимообусловленность лесорастительного и почвообразовательного процессов. Однако многократная смена древостоев за время жизни почвы, отсутствие синхронности в развитии этих процессов приводит к тому, что, исследуя взаимодействие леса и почвы, свойства последней рассматриваются обычно, как результат исторического развития, с нулевым отсчетом от момента образования почвы. Более корректная оценка направленности и скорости обменных процессов в системе лес<->почва с целью вычленения роли эдификатора разных насаждений в формировании органо-минерального профиля почвы возможна в условиях многолетнего эксперимента, в котором древостой начинают формироваться в едином экологическом местообитании. Такой эксперимент был заложен в 1968-1972 гг. сотрудниками лаборатории лесного почвоведения Института по инициативе профессора Н.В. Орловского. Особенностью эксперимента является формирование древостоев кедра, сосны, лиственницы, ели, осины и березы с 2-3-х летнего возраста в одинаковых эколого-эдафических условиях на специально подготовленном почвенном субстрате, исходные биохимические и физико-химические свойства которого были подробно изучены перед посадкой культур и зафиксированы [Моделирование развития ..., 1984].

Наблюдения, проведенные на эксперименте за период от посадки до 25-28-летнего возраста культур, позволили получить количественные оценки комплекса параметров, характеризующих начальный этап взаимодействия в системе древостой <-> почва [Шугалей, 1979, 1981, 2002; Шугалей и др., 1984; Попова, Шугалей, 2000; Безкоровайная и др., 1997; Ведрова, 1995, 1997, 2005; Ведрова и др., 1998, 2000, 2002; Лшихин, 1995; Мухортова, 2000, 2008 и др.]. В течение последующих лет (до 2010 г) в культурах проводились лишь единичные наблюдения. С 2010 г начат второй этап мониторинга. Древостой к этому времени достигли 40-летнего возраста, имеют 1-П класс бонитета. Постановка и разработка темы диссертационной работы обусловлена востребованностью мониторинга интенсивности и направленности изменений органического вещества почвы в процессе формирования насаждений разных эдификаторов и является продолжением исследований на многолетнем эксперименте с шестью основными лесообразующими породами Сибири.

Цель работы заключалась в количественной оценке изменения состава и запаса органического вещества почвы за 40 лет роста и развития насаждения каждого из лесообразователей в одинаковых почвенных и климатических условиях.

В задачи исследования входило;

1. В насаждении каждого эдификатора количественно оценить

• запас подстилки, её фракционный и химический состав;

• интенсивность процессов, контролирующих запас подстилки: отмирание древесных фракций и разложение растительного вещества опада-подстилки;

• интенсивность высвобождения и фильтрации в почву водорастворимых продуктов разложения: углерода, азота и минеральных элементов;

• изменение кислотности, концентрации, состава и запаса углерода в гумусе верхней толщи (0-20 см) почвы.

2. Дать анализ динамики изменения общих запасов органического углерода (Сподст + Срум) с момента посадки культур до 40-летнего возраста

Научную новизну полученных материалов составляют впервые выявленная в сравнительном анализе 25- и 40-летних насаждений динамика соотношения процессов, формирующих запас подстилки, и отмеченные различия 40-летних насаждений разных эдификаторов по долевому участию углерода подстилки и гумуса почвы в аккумуляции органического вещества почвы.

Практическую значимость результатов составляет возможность использования полученного материала в качестве методического подхода при организации мониторинга лесных экосистем, формирующихся после вырубок, пожаров, на землях, ранее использовавшиеся в сельском хозяйстве. Основные выводы об интенсивности и направленности процессов формирования органического вещества нарушенных почв при восстановлении лесных экосистем могут быть использованы в курсах лекций по экологии и почвоведению для студентов и аспирантов.

Защищаемые положения:

1. Формирование органического вещества почвы по ходу роста и развития культур разных лесообразующих пород характеризуется неодинаковой интенсивностью и удельной скоростью.

2. Общим для насаждений разных эдификаторов служит накопление подстилки и гумуса почвы в верхнем слое 0-20 см почвы. Различия выражены в неодинаковом соотношении этих форм почвенного органического вещества в его аккумуляции.

3. Взаимодействие компонентов системы «древостой почва» в течение 40 лет - срок, недостаточный для отчетливого проявления эдификаторной роли лесообразующей породы.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН. Сбор полевого материала, установка лизиметров, сбор и химический анализ лизиметрических растворов, растительных и почвенных образцов, статистическая и графическая обработка результатов, их анализ и обобщение выполнены при непосредственном участии автора.

Апробация работы Материалы диссертации были представлены на региональных и международных конференциях: Региональная очно-заочная экологическая конференция «Экология. Рациональное природопользование» (г. Красноярск, 26 октября 2010); Конференция молодых ученых «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири» (г. Красноярск, 5-6 апреля 2011); XV Международная школа-конференция студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 16-18 ноября 2011); V Международная научно-практическая конференция: "Современные концепции научных исследований" (г. Москва, 29-30 августа 2014 г.); Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Почвенно-экологические процессы

в естественных и антропогенно-преобразованных ландшафтах Сибири и Дальнего Востока» (г. Красноярск, 1-4 октября 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК.

Структура н объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 197 страницах. Состоит из Введения, шести глав и Заключения. Включает 22 рисунка, 48 таблиц и 11 Приложений. Список литературы содержит 248 работ, в том числе 50 работ иностранных авторов.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.б.н. Ведровой Э.Ф., а также д.б.н. Шугалей JI.C., к.б.н. Мухортовой JI.B., к.б.н. Климченко А.В.

ГЛАВА 1. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ПОЧВЫ, ЕГО СОСТАВ, СТРУКТУРА И ПУТИ ТРАНСФОРМАЦИИ

В зависимости от чувствительности к биологическому разложению органическое вещество (ОВ) почвы можно разделить на две основные категории [Кононова, 1966; Титлянова, 1977; Кыдар, 1984; Когут и др., 1987; Орлов, 1990; Тейт, 1991; Ганжара, Орлов, 1993; Кирюшин и др., 1993; Титлянова и др., 1994; Шарков и др., 1994; Рожков и др., 1997; Добровольский и др., 1999; Ведрова, 2000; Ведрова и др., 2002,2009; Jenkinson, Rainer, 1977; Sauerbeck, 1978]:

1) пул легко (быстро) метаболизируемых веществ (легкоминерализуемая или активная фракция органического вещества, JIMOB);

2) пул веществ, устойчивых к биодеградации (стабильная фракция).

Стабильная фракция представлена гумусовыми веществами, прочно

связанными с минеральной частью почвы и характеризует ее типовые признаки. Она составляет 70-85 % от общего запаса ОВ. Легкоминерализуемая фракция объединяет две формы ОВ: лабильное ОВ - надземные и подземные растительные (опад, отпад, подстилка, корневой детрит) и животные остатки, поступающие в почву в результате ежегодного отмирания органов растений и гибели животных; отмирающая и действующая части микробной биомассы, прижизненные выделения корней древесных растений и подвижное ОВ (ПОВ) -новообразованные прогумусовые продукты разлагающихся растительных остатков и та часть гумуса почвы, которая легко переходит в водный и слабощелочной растворы [Когут и др., 1987; Когут Масютенко, 1992; Шарков и др., 1992, 1994; Чупрова, 1997; Белоусов, 1997, 2000 Аристовская, 1975, 1988; Александрова, 1980; Туев, 1989; Титлянова, Тесаржова, 1991; Дюшофур, 1998].

Являясь динамичным компонентом и подвергаясь постоянному обороту, фракция JIMOB активно участвует в круговороте углерода, исполняя роль промежуточного звена между фитомассой, атмосферой и гумусом почвы Время практически полного разложения JIMOB исчисляется днями, месяцами и годами; стабильной части - десятками, сотнями и даже тысячами лет [Кобак, 1988; Добровольский и др., 1999; Титлянова и др., 1999; Sauerbeck, 1978 и др.]. В целом органическое вещество, накопленное в почвах, составляет главную часть

мировых запасов связанного углерода. Запасы органического углерода в метровом слое почв России по оценкам разных исследователей составляют от 1818.3 кг/м2 [Nilsson et al, 2000; Stolbovoi, 2002] до 19.2 кг/м2 [Щепащенко и др., 2013].

Фундаментальная роль подстилки в лесных биогеоценозах является общепризнанной со времен Г.Ф. Морозова. Аккумуляция органического материала и содержащихся в нем зольных элементов и азота формирует ближайший резерв элементов питания для растительного полога и энергетических ресурсов, «под влиянием которых изменяются как отдельные компоненты биогеоценозов, так и биогеоценозы в целом. Эти изменения происходят в результате постепенного накопления почвами новых признаков и свойств» [Зонн, 1964]. Подстилка является исключительно важным звеном в биологическом круговороте вещества и энергии. Ее общий баланс в лесу определяется соотношением скорости поступления опада и скорости разложения [Кошельков, 1961; Зонн, 1964; Базилевич, 1971; Александрова, 1980; Карпачевский, 1981; Шугалей и др., 1984; Тейт, 1991; Ведрова, 1995, 2008; Абаимов, 2003 и др.].

ГЛАВА 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

Характеристика района исследования.

Древесные культуры и почвенный покров формируются в эколого-географической обстановке Кемчугской возвышенности. По геоморфологическому делению Кемчугская возвышенность входит в Чулымо-Енисейскую денудационную равнину юго-восточной окраины ЗападноСибирской низменности. По биоклиматическому районированию Красноярского края возвышенность относится к подтайге Западной Сибири, к умеренному поясу и холодно-умеренному подпоясу, к области достаточного увлажнения. Гидротермический коэффициент 1.2-1.6. При среднем многолетнем количестве осадков в 476 мм, на вегетационный (май-август) период приходится 66% годовой нормы. Лето жаркое (средняя температура июля 18°). Самая низкая температура воздуха в зимний период - январь - 24.7°. Продолжительность устойчивого снежного покрова 171 день при максимальной высоте снега 70-80 см. Устойчивое промерзание верхних слоев почвы отмечается в 3-й декаде октября, наибольшая глубина промерзания в среднем составляет 1.6 м. Безморозный период продолжается в среднем 65-120 дней.

Большая часть возвышенности покрыта лесами. В ее центральной части распространены наиболее влаголюбивые пихтово-еловые леса с примесью кедра. На севере преобладают сосна и береза. В южной части по заболоченным участкам распространены елово-пихтовые таволговые леса, на более сухих водоразделах -сосновые боры. Территория, примыкающая к участку модельного опыта с лесными культурами, занята вторичным березняком, сохранились единичные сосны и лиственницы. Травяной покров хорошо развит, представлен лесными и лугово-лесными видами [Шугалей и др., 1984].

В структуре почвенного покрова Кемчугской возвышенности большой удельный вес занимают серые и темно-серые лесные почвы. Почвенный покров опытного участка и прилегающих территорий представлен темно-серой лесной слабооподзоленной глееватой почвой [темно-серой глееватой по: Классификация и диагностика почв России», 2004], развитой на коричнево-бурой глине.

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являются культуры кедра (Pinus sibirica), сосны (Pinus silvestris), лиственницы (Larix sibirica), ели (Picea abovata), березы (Betula fruticosa) и осины (Populus trémula), высаженные в 1971-72 гг. 2-Зх-летними саженцами на участке со специально подготовленной (плантажированной) почвой и достигшие к настоящему времени 40-летнего возраста. По состоянию напочвенного покрова культуры кедра, сосны, лиственницы можно отнести к типу мертвопокровных, ельник - к типу зеленомошных, а осинник и березняк - к типу разнотравных (Описание проведено к.б.н. Л.В. Кривобоковым). Учет опада в каждой из культур проводился на площадках (п = 5) площадью 0.12 м2. При его разборе учитывали хвою (листья), кору, веточки (d<2 см), шишки, мох, остатки трав и прочий растительный материал. Для отбора образцов лесной подстилки (п = 10) использовался шаблон площадью 0.031 м2. Массу подстилки подразделяли на три слоя (подгоризонта): L, F, Н. Полученные фракции опада и подстилки взвешивались, определялась их влажность, рассчитывалась абсолютно сухая масса. Подготовленные средние образцы фракций опада и подстилки анализировались на содержание С, N и зольных элементов. Определение проводилось при использовании измерительного комплекса PSCO/ISI IBM-PC 4250, работающего на основе диффузного отражения в ближней ИК- области спектра [Борцов, 2002]. В растительных образцах определяли также кислотность (pH) водной и солевой вытяжки, углерод подвижного органического вещества (Спов) - в вытяжках при последовательном суточном настаивании образца с дистиллированной водой и 0,1 н раствором NaOH, без предварительного декальцирования. Бурые гуминовые кислоты щелочной вытяжки осаждали 1,0 н раствором H2S04 в [Пономарева, 1962].

Образцы почвы отбирались через каждые 2 см до глубины 6 см, а затем через 4 см до глубины 18(20) см. При отборе (п=4) использовались металлические цилиндры диаметром 10 и 5см и высотой 2 и 4см. После определения влажности рассчитывалась объемная масса мелкозема. В образцах почвы, очищенных от растительных остатков, определяли pH, содержание С гумуса, СПОв, используя метод Тюрина [Аринушкина, 1970].

Чтобы определить состав водорастворимых химических элементов, высвобождающихся при разложении подстилки, в насаждении каждого лесообразователя под подстилку устанавливалось по три лизиметра (5лизиметра=1200 см2) системы Е. И. Шиловой [1974].

Сбор фильтрующихся через подстилки растворов (лизиметрические или подстилочные растворы) с замером объема проводили в течение двух лет: лето 2010 - весна 2011гг и лето 2011 - весна 2012 гг. После каждого сбора в растворах определяли pH потенциометрически и концентрацию углерода методом

бихроматной окисляемости по Тюрину. Часть растворов выпаривалась для определения плотного и прокаленного остатка и последующего анализа прокаленного остатка на содержание К (методом фотометрии пламени), Р (колориметрически с молибдатом аммония и аскорбиновой кислотой в качестве восстановителя), Са и М§ (тригонометрическим методом). Для определения органического азота аликвотная часть объема растворов с добавлением концентрированной серной кислоты хранилась в холодильнике [Унифицированные методы анализа..., 1973]. После упаривания растворов органическое вещество сжигалось в присутствии серной кислоты и 3-5 капель хлорной кислоты. После сжигания смесь охлаждалась, переносилась в мерные колбы на 100 мл. Определение азота проводилось методом диффузии в чашках Конвея.

За изменением концентрации углерода, рН при фильтрации подстилочных растворов через верхнюю часть почвенного профиля наблюдали в лабораторном модельном эксперименте, где подстилка каждого лесообразователя разлагалась на поверхности колонок с почвой ненарушенного сложения, отобранной в его насаждении.

ГЛАВА 4. ЗАПАС ПОДСТИЛКИ, ФРАКЦИОННЫЙ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Интенсивность поступления опада и его состав в 40-летних культурах.

Средняя за два года исследования интенсивность опада в культурах хвойных видов изменялась от 290±64 (в ельнике) до 500±57 (в кедровнике) г/м2 (табл.1).

Таблица 1- Интенсивность поступления опада за время наблюдения*, г/(м2 год)_

Год наблюдения Кедр Сосна Ель Лиственница Береза Осина

2010-2011 628±43 487124 207114 535134 201148 299153

2011-2012 426±28 412157 367135 332118 427110 512129

Среднее за 2 года 500±57 448±32 290±64 430±37 310±29 406±65

*абсолютно-сухая масса

По сравнению с 25-летними культурами масса опада осталась прежней только в осиннике, в ельнике увеличилась в 3, а в остальных культурах в 1.3-1.5 раза. В массе опада снизилась доля хвои/листвы и заметно увеличилась доля ветвей, особенно это заметно в сосняке, лиственничнике и ельнике.

По интенсивности ежегодного поступления с опадом азота и минеральных элементов насаждения хвойных пород образуют ряды:

азот: лиственница > кедр > сосна > ель; береза > осина

3.48 3.35 2.70 2.06 2.61 2.14 г/(м2 год) зольные элементы: кедр > лиственница > сосна > ель; осина > береза

5.71 5.02 3.50 3.96 5.74 5.32 г/(м2 год) Опад разных лесообразователей отличается порядком распределения элементов.

Запас и состав подстилки.

В культурах хвойных пород масса подстилки превышает в 2-3 раза таковую в березняке и осиннике (табл. 2)

Таблица 2 - Запас подстилки, г/м2 *

Годы Лесообразующая порода

наблюдения кедр сосна лиственница ель береза осина

2010-2013 3616±209 3557±263 2348±194 3870±242 1204±81 1213±82

* абсолютно сухая масса

Запас подстилки под лиственницей, кедром, сосной и елью превышает массу годового опада в 7-9 раз. В березняке и осиннике это превышение составляет 3 и 4 раза. По сравнению с 25-летними культурами (учет 1996 г) современные запасы подстилки увеличились в 1.5-2 раза, а под елью и березой в 3 раза. Это связано с увеличением интенсивности поступления опада, изменением его состава и, как следствие, накоплением в составе подстилки таких медленно разлагающихся фракций, как ветви и кора.

В стратиграфии подстилки всех культур произошло четкое разделение на подгоризонты Ь, Б и Н, изменилось их соотношение по массе (рис. 1). Преобладает слой ферментации, под хвойными густо пронизанный грибным мицелием. Почти полностью разложившаяся растительная масса подгоризонта гумификации не превышает 10% общего запаса подстилки с минимумом под кедром (4% массы). По мере разложения растительных остатков изменяется их химический состав: содержание углерода уменьшается, а азота и зольных элементов увеличивается, становится более узким молекулярное соотношение С/Ы.

Рисунок 1 - Стратиграфия подстилки 40-летних культур.

По запасам в подстилке элементы образуют общий для всех лесообразователей ряд: Са > N > М§ > К > Р. Аккумуляция азота и зольных элементов, относительно поступления с опадом, превышает соотношение опада и подстилки по массе. В особенности это отмечено в подстилке кедровника, сосняка и ельника, масса ферментированных остатков которых в течение всего периода вегетации густо переплетена мицелием грибов.

Результатом биохимической трансформации растительных остатков является формирование в подстилке подвижного органического вещества. Его содержание в составе разлагающегося растительного материала зависит от состава и стадии его разложения, гидротермических параметров, регулирующих активность живой фазы почвы в процессах биотрансформации и вынос водорастворимых продуктов разложения, в том числе и органических. Как правило, доля подвижного ОВ выше в растительных остатках слоя Б подстилки, где наиболее сконцентрирована активность почвенной биоты. В целом фракция подвижного органического вещества подстилки кедра и сосны составляет соответственно 21 и 19% от массы углерода, в ельнике 14%, в подстилке остальных лесообразователей - 9 (осинник)-12% (лиственничник).

ГЛАВА 5. ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОДСТИЛКИ В ГОДИЧНОМ ЦИКЛЕ РАЗЛОЖЕНИЯ

Интенсивность и удельная скорость разложения постилки в 40-легних культурах. .

Как и в 25-летних культурах, подстилка насаждений древесных видов, ежегодно сбрасывающих листву(хвою), разлагается быстрее подстилки хвойных видов. Их масса за год снижается на 24-26, 14-25 и 14-23 %, соответственно в культурах лиственницы, осины и березы. Под кедром и сосной масса растительного вещества уменьшается за год на 6-11%, в ельнике - лишь на 2-3%. По сравнению с 25-летними культурами интенсивность разложения снизилась. Основная причина замедления разложения - увеличение массы опада, изменение его состава, накопление в массе подстилки 40-летних культур таких медленно разлагающихся компонентов как шишки, кора, ветки и многократно промытых атмосферными осадками растительных остатков подгоризонта ферментации. Снизилась в 1.5-2.5, а в ельнике почти в 9 раз и удельная скорость разложения, которая зависит от соотношения С/Ы и С/Зольные элементы [Ведрова, Миндеева, 1998].

Интенсивности процессов поступления опада и «сработки» массы опада-подстилки при разложении в 40-летних культурах не сбалансированы (рис. 2).

Береза Осина Ель Листв-ца Сосна Кедр

0 200 400 600 800

г / (м2 год)

Рисунок 2 - Интенсивность отмирания фракций фитомассы и разложения подстилки.

■».* «• л* ■*-• Л'^р ЕЗ Разложение га Опад

■.1. ■.ь.и.•. ■.•.ь.к. ■. *.•.1. ■.1.1.1 •1.1•■. ■. ■ 11.1 "Л. ■. ■ * ■. т

ЯШ»".»:"1

В лиственничнике интенсивность разложения почти в два раза превышает поступление опада, а в ельнике и кедровнике продолжается накопление массы разлагающихся остатков. Наиболее уравновешенны интенсивности названных процессов в березняке.

»-Ж&ф.;,

водорастворимых продуктов при разложении

Высвобождение подстилки.

Продукты разложения, частично растворяясь в атмосферных осадках, передвигаются с. ними в почву. Наибольший объем подстилочных (лизиметрических) растворов в среднем за два полных года, отмечен в осиннике и березняке - 132 и 138 л/(м2 год), самый низкий - в культурах ели (76) и кедра (66 л/(м2 год).

Динамика высвобождения водорастворимого углерода.

Максимальная по годам исследования концентрация водорастворимого углерода отмечена в подстилочных растворах кедровника (120-340 мг С/л), минимальная - из подстилки осинника (22-24 мг С/л) (рисунок 3, 4). В среднем за 2 года наблюдений вынос СН20 из подстилки хвойных пород изменялся от 4 до 10 г/(м2 год), из подстилки лиственных пород - от 4.8 до 7 г/(м2 год). .Относительно годового высвобождения углерода при разложении растительного материала вынос водорастворимых органических продуктов изменялся от 2 до. 5%. По сравнению с 25-летними культурами доля СНго в продуктах разложения заметно увеличилась в лиственничнике и сосняке, практически не изменилась в осиннике, снизилась в кедровнике, ельнике и, в особекности,_5#резняке.

Кедр

12 3 4

Лиственница 300 -г 100

3

о

Сосна

700 600 -500 +у

х

400 1й V

300 -1

200 "I я-

100111

О |И|И|И|1.

12 3 4

140 120 100 ГТ 80

4 60

40

20 О

12 3 4

Береза

350 ЗОО | 250 1 200 ? 150 =- 100 50 О

70 60 50 40 30 20 10 О

12 3 4

Осина

12 3 4

1С, мгГлкз

- С, мг/л

Рисунок 3 - Изменение концентрации углерода и его высвобождения по периодам года: 1 - 23.05-22.07.2010 г.; 2 - 23.07.-24.09.; 3 - 25.09.-10 11 4 -26.09.10-24.05.2011 г.

Рисунок 4 - Изменение концентрации углерода и его высвобождения по периодам 2011-2012 гг.: 1 - 24.05.2011 - 27.07; 2 - 28.07.-29.09; 3 - 30.09.-01.11 ■ 4 - 02.11 -29.05.2012г.

Снижение доли водорастворимых органических продуктов разложения подстилки обусловлено, скорее всего, изменением соотношения быстро и медленно разлагающихся фракций в составе опада и слоя Ь подстилки.

Интенсивность высвобождения азота в годичном цикле разложения растительных остатков опада-подстилки.

Процессы трансформации растительного опада с широким молекулярным соотношением С : N приводят к обогащению подстилки азотом, в раствор переходят более обогащенные азотом фракции органического вещества (табл. 3).

Таблица 3 - Соотношение С/Ы в растительном материале и подстилочных растворах_

Кедр | Сосна Лиственница Ель | Осина 1 Береза

Годичный растительный опад

87 | 84 74 76 99 1 64

Подстилка

51-52 | 57-59 55 43 45-46 43-44

Подстилочные растворы

17 24 13 16 16 7

Интенсивность высвобождения азота из разлагающегося растительного материала опада-подстилки отстает от «потерь» углерода (табл. 4).

Таблица 4 - Интенсивность высвобождения С и N при разложении опада-подстилки, г/(м2 год)_____

Кедр Сосна Лиственница Ель Осина Береза

С N С N С N С N С N С N

Участвовало в разложении, г/м

1784 31.88 1885 31.13 1471 25.21 1719 38.14 682 12.94 623 13.26

Интенсивность разложения г/(м2 год)

185 0.75 165 1.56 434 6.47 73 0.66 125 0.60 123 1.87

Интенсивность разложения, % от массы С и N в разлагающемся материале

10 2 10 5 30 26 4 2 18 5 20 14

Вынос с лизиметрическими растворами, г /(м2 год)

6.78 0.49 9.92 0.52 6.07 0.47 3.78 0.36 6.82 0.50 4.02 0.57

Вынос, % от высвобождения при разложении

3 65 5 33 2 7 5 55 5 83 2 30

Это связано, по-видимому, с ассимиляцией микроорганизмами, включением в новую клеточную биомассу большей части органических соединений азота разлагающегося субстрата, снижающими поступление азота в атмосферу или почвенный раствор после гибели клеток. Вынос азота с подстилочными растворами относительно его высвобождения при разложении опада-подстилки разных лесообразователей значительно различается (табл. 4).

По сравнению с запасом в подстилке средний за 2 года вынос азота с растворами невелик и составляет в хвойных культурах 1-2%, в лиственных 4%. Относительно запаса в опаде хвойных культур - изменяется от 12 до 22%, в осиннике и березняке составляет 31 и 32% соответственно.

Интенсивность высвобождения минеральных элементов в годичном цикле разложения растительных остатков опада-подстилки.

Соотношение водорастворимых углеродсодержащих и минеральных продуктов зависит от химического состава разлагающихся остатков. Из подстилки осинника и ельника в почву поступают сильно минерализованные растворы (С:£ЗЭ =1.5). В течение лета они имели реакцию, близкую к нейтральной, переходящей в слабощелочную (рН 7.6-7.8) в осенние сроки наблюдения. В них отмечена в 2-4 раза более высокая, по сравнению с растворами других подстилок, щелочность, обусловленная присутствием иона НС03. Наиболее ненасыщенные органические продукты характерны для подстилочных растворов сосняка (С:ХЗЭ = 6).

Для каждого из определяемых минеральных элементов отмечается свой порядок распределения культур по доле высвобождения относительно запаса в разлагающемся растительном материале (табл. 5).

Как следует из таблицы относительная доля высвобождения калия и фосфора при разложении подстилки всех лесообразователей, кроме лиственницы, выше, чем для кальция и магния. Для лесообразователей, ежегодно сбрасывающих листья/хвою, относительное высвобождение кальция и магния при разложении выше, чем для вечнозеленых.

Таблица 5 - Высвобождение элементов и их вынос с растворами при разложении опада-подстилки _____

: Параметры Ед.изм. Кедр Сосна Лиственница Ель Осина Береза

, Кальций

! Высвободилось т/и1 год 2.17 2.17 4.63 1.84 3 2.66

% от "Разлагалось"* 5 8 17 3 10 17

Вынесено с растворами т/и2 год 1.95 1.16 1.06 1.58 1.78 1.34

% от высвобождения 90 53 23 86 59 50

Магний

Высвободилось г/м2 год 0.98 0.39 1.45 0.57 0.97 0.57

% от "Разлагалось"* 6 3 15 4 15 8

Вынесено с растворами г/м2 год 0.46 0.24 0.26 0.19 0.33 0.3

% от высвобождения 47 62 18 33 34 53

Калий

Высвободилось т/и1 год 2.01 1.19 0.57 1.14 1.58 1.4

% от "Разлагалось"* 24 23 9 16 26 24

Вынесено с растворами т/и1 год 0.42 0.3 0.54 0.63 0.98 0.56

% от высвобождения 21 25 95 55 62 40

Фосфор

Высвободилось г/м2 год 0.42 0.21 0.28 0.23 0.44 0.32

% от "Разлагалось"* 16 23 16 7 32 30

Вынесено с растворами г/м2 год 0.3 0.16 0.23 0.2 0.16 0.25

% от высвобождения 71 76 82 87 36 78

* % от массы элемента в разлагающемся материале подстилки и опада

Большая часть кальция (50-90%) и фосфора (70-87%) в продуктах годового разложения массы опада-подстилки практически всех культур приходится на водорастворимые соединения в отличие от магния, преобладающая часть которого в продуктах разложения представлена малорастворимой формой.

ГЛАВА 6. ИЗМЕНЕНИЕ КИСЛОТНОСТИ И ЗАПАСА ГУМУСА В СЛОЕ ПОЧВЫ 0-20см ПОД КУЛЬТУРАМИ

Зафиксированное перед посадкой культур значение рН для верхней части (0-20см) почвенного субстрата изменялось в пределах 6.1-6.4. Спустя 40 лет почти во всех культурах этот слой характеризуется слабокислой реакцией (рНН2о 5.0-5.68). Отчетливое подкисление почвы, в особенности его верхних 10-ти см,

проявилось только в ельнике: рННго составляет 4.7-4.8, рНКа - 3.8-3.9 и в меньшей степени в осиннике (рис. 5).

□ 0-2 El 2-4 Ш 4-6 □ 6- OPIO -14 a 14-20 см

5,5 5 . h7 F

1 F "тт 1 § % г-: 1 Г=- 1

£ ; >- jí •Z- £ s --

5. 4,5 - w

>1 ц i:-: £ г. i 1 8 >

3,5 -3 - 1 i 1 1 c- 1 1 У. 1 % -- $

щ jí 8 ::: £ fi Ш Й I; ¡

Кедр Сосна Ель Листв ua Осина Бер еза

лесообразующая порода

Рисунок 5 - Актуальная кислотность слоя почвы 0-20 см в 40-летних культурах

За 40 лет в верхних 20-ти см почвы произошло изменение плотности и концентрации Сгум, в разной степени выраженное в насаждениях разных древесных видов. Под кедром, лиственницей и елью плотность верхних 5 см почвы, прилегающих к подстилке, снизилась (табл. 6) и заметно выросла концентрация Сгукуса в слое 0-10 см (табл. 7).

Таблица 6 - Плотность* почвы под 40-летними культурами, г/см3

Слой почвы,см 40-летние культуры 1971г.

Кедр Сосна Лиственница Ель Осина Береза

0-5 0.61 1.22 0.77 0.79 1.18 1.20 1.29

5-10 1.03 1.31 1.14 1.25 1.32 1.44 1.29

10-20 1.16 1.38 1.17 1.37 1.30 1.44 1.31

* 2010 г - средневзвешенное значение

В ельнике содержание Сгум увеличилось в 2 раза, под кедром - в 1.9, под лиственницей - в 1.6 раза.

Таблица 7 - Содержание углерода гумуса в почве 40-летних культурах, (Сгум> %) _

Слой почвы,см Содержание СГум при посадке лесных культур*

Кедр Сосна Лиственница Ель Осина Береза

0-10 2.23 1.91 2.53 2.21 2.21 2.13

10-20 2.14 1.61 2.23 2.05 2.18 2.08

Средневзвешенное содержание Сгум в 40-летних культупях

0-10 4.15 1.82 4.09 4.41 2.47 2.64

10-20 *ттт,„-„ 2.54 1.95 2.88 2.52 2.21 2.10

* Шугал ей JI.C. и др., 1984; Шугалей Л.С., 2002

Произошло увеличение запаса гумуса, в разной степени выраженное в культурах разных эдификаторов (табл. 8).

Таблица 8 - Изменение запаса СГум в слое почвы 0-20см 40-летних культур

Углерод гумуса, г/м2 40-летние культуры

кедра сосны лиственницы ели осины березы

Всего 6358 4991 7291 7945 5957 6462

При посадке лесных культур

Всего 5667 4573 6185 5524 5706 5473

Аккумуляция 691 418 1106 2421 251 989

% 12 9 18 44 5 18

В отличие от других кулыур в сосняке обозначился вынос Сгум из слоя 510 см и его накопление в нижележащем слое 10-20 см.

По интенсивности накопления (аккумуляции) СГум культуры лесообразователей распределяются в следующем порядке:

ель > лиственница > береза > кедр > сосна > осина

62

28

25

II

11

г С/(м год)

В целом, за период 40-летнего взаимодействия компонентов формирующейся системы лес почва в культурах всех лесообразующих пород произошла аккумуляция органического вещества (ОВ) в форме растительного материала лесной подстилки и гумуса почвы. Максимальная прибавка ОВ относительно исходных запасов отмечается в ельнике, только в ельнике запасы гумуса достигли уровня исходной ненарушенной темно-серой почвы участка, на котором заложен эксперимент.

В культурах кедра, сосны и осины прибавка ОВ на 70-80% обусловлена сформировавшейся подстилкой, в лиственничнике, ельнике и березняке - на 5066% — аккумуляцией углерода в гумусе почвы (рис.6).

80 70 60 50 40 30 20 10 О

Е подстилка ЕЭ гумус (0-20 см)

т

I | ; I : I

кедр сосна

о & о г^ — м

листв-ца

§ § § 8 осина береза

Рисунок 6 - Аккумуляция углерода в подстилке и гумусе почвы

выводы

1. По сравнению с 25-летними культурами в 40-летних насаждениях всех пород (кроме осинника) увеличилась в 1.3-3 раза интенсивность опада, изменился его состав и, как следствие, снизилась интенсивность и удельная скорость разложения. В результате запасы подстилки в ельнике и березняке увеличились в 3, а в остальных культурах - в 1.5-2 раза.

2. В годичном цикле разложения опада-подстилки 40-летних культур интенсивности процессов отмирания древесных фракций и разложения, контролирующих запас подстилки наиболее сбалансированы в березняке. В лиственничнике отмечается «сработка», в ельнике и кедровнике - накопление массы подстилки. Если в 25-летних культурах интенсивности процессов, контролирующих запас подстилки, были практически сбалансированы, то в 40-летних ельнике и кедровнике отмечается увеличение массы подстилки, в лиственничнике - «сработка». Близкое к равновесию соотношение процессов поступления опада и интенсивности разложения наблюдается в березняке.

3. В продуктах ежегодного разложения подстилки доля водорастворимых соединений углерода изменяется от 2 до 5%, азота - от 7 до 83%, зольных элементов — от 20 до 90%. Лизиметрические растворы в насаждениях хвойных пород характеризуются слабо-среднекислой реакций, в осиннике pH растворов изменяется в нейтральном и слабощелочном интервале.

4. За 40-летний период в верхней толще почвы 0-20 см произошло изменение плотности сложения, концентрации углерода гумуса и его запаса. Во всех насаждениях отмечается в разной степени выраженное накопление гумуса с максимумом в прилегающем к подстилке слое почвы 0-10 см.

5. Максимальная аккумуляция Сгумуса отмечена в ельнике, и только в ельнике его запас в слое почвы 0-20 см достиг уровня исходной темно-серой почвы участка, выбранного для эксперимента.

6. Общее накопление органического вещества в форме лесной подстилки и гумуса почвы в кедровнике, сосняке и осиннике на 70-80% обусловлено сформировавшейся подстилкой, в лиственничнике, ельнике и березняке - на 5264% соответственно - гумусом почвы.

7. Наиболее выраженное влияние лесообразующей породы на прилегающий к подстилке слой почвы отмечено в ельнике и сосняке: в слое 010см ельника отчетливо выражено подкисление почвы; в сосняке - на глубине от 5 до 10см обозначился слой элювиирования гумусовых веществ с последующим накоплением в нижележащем слое 10-20см.

Список публикаций по материалам диссертации.

В изданиях из списка ВАК:

Решетникова, Т.В. Лесные полстилки как депо биогенных элементов // Вестник КрасГАУ. - 2011. - №12. - С.74 - 82.

Решетникова, Т.В. Трансформация органического вещества лесной подстилки (экспериментальное исследование) / Т.В. Решетникова, A.A. Зырянова, Э.Ф.Ведрова // Вестник КрасГАУ. - 2014. - №6. - С.80-93.

Решетникова, Т.В. Масса подстилки и интенсивность ее разложения в 40-летних культурах основных лесообразующих видов Сибири / Э.Ф. Ведрова, Т.В. Решетникова//Лесоведение. - 2014. - №1. - С.42-50.

В прочих изданиях:

Решетникова, Т.В. Лесная подстилка в насаждениях хвойных и лиственных пород Сибири / Т.В. Решетникова, Т.К. Распопина // Материалы региональной очно-заочной экологической конференции «Экология. Рациональное природопользование», г. Красноярск, 2010. - С. 97 - 99.

Решетникова, Т.В. Запасы и скорость разложения подстилок в 25- и 40-летних культурах основных лесообразующих видов Сибири. Материалы XV международной школы-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной и Средней Сибири и сопредельных территорий», г. Абакан, 2011. - С. 132 - 133.

Решетникова, Т.В. Запасы лесной подстилки и динамика освобождения водорастворимого углерода при ее разложении в культурах многолетнего эксперимента. Материалы конференции молодых ученых «Исследования компонентов лесных экосистем Сибири», Вып. 12., г. Красноярск, 2011. - С. 50 -53.

Решетникова, Т.В. Динамика высвобождения водорастворимых продуктов разложения лесных подстилок в 40- летних культурах основных лесообразующих видов Сибири. Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Почвенно-экологические процессы в естественных и антропогенно-преобразованных ландшафтах Сибири и Дальнего Востока», г. Красноярск, 2014. - С. 132 - 133.

Решетникова, Т.В. Биотрансформация лесной подстилки в экосистемах разных лесообразователей / Т.В. Решетникова, Э.Ф. Ведрова // ж. Евразийский совет ученых (Ежемесячный научный журнал), № 4 (Часть 3). 2014. - С. 143 - 149.

УОП ИЛ СО РАН Заказ № 10, Тираж 100 экз.