Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Формирование структуры песчанных почв при сукцессиях сосновых лесов

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Формирование структуры песчанных почв при сукцессиях сосновых лесов"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ни. М.В. Ломоносова ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

СМАГИН Андрей Валентинович

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПЕСЧАНЫХ ПОЧВ ПРИ СУКЦЕССИЯ! СОСНОВЫХ ЛЕСОВ (03.00.27 - почвоведение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

»

Москва - 1991

Работа выполнена на факультете почвоведения Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

А. Д. Воронив

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

А. И. Поздняков

кандидат биологических наук В.Ф. Уткаева

Ведущая организация: Институт лесоведения АН СССР

Задита состоится итрт> 1992г.

в 15 ч. 30 мин. в ауд. 11-2 на заседании специализированного совета К 053.05.16 в МГУ им. М.В. Ломоносова (119899, Москва, Ленгоры, МГУ, ф-т почвоведения).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического и почвенного факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 1992 г..

Ученый секретарь специализированного совета Г.В. Ыотугова

Актуальность проблемы. Песчаные почвы традиционно рассматриваются как бесструктурные из-за отсутствия в них устойчивых макроагрегатов . В современном почвоведении развиваются расширенные представления о структуре как результате любой организации почвы на различных, иерархически соподчиненных структурных уровнях. Эти представления являются теоретической предпосылкой для изучения структуры песков. Однако, основ для практической реализации таких работ в целом не было, так как обычные методы структурного анализа в песках малоприемлеыы.

Исследование процессов формирования и развития структуры песчаных почв с использованием новых критериев этого свойства - задача, актуальная в научной, методическом и народохозяйссвенном аспектах. Решение такой задачи обогащает теорию структурообразо-вания почвы, позволяя детально изучить закономерности этого процесса на практически идеальной фиаической модели - песках. Связь структуры с водным режимом и общим плодородием почвы, а следовательно, ее прямое влияние на устойчивость и продуктивность биогеоценоза (БГЦ), определяет практическую значимость работы. В частности, актуальность исследования структурообразования песчаных почв сосновых БГЦ обусловливается необходимостью сохранить ценные для лесного хозяйства, но плохо возобновляющиеся сложные сосново-вироколиственные сообщества, изучив закономерности их естественного формирования из простых сосняков.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы явилось исследование структуры песчаных лесных почв и ее динамики в процессе зкогенетических сукцессий сосновых БГЦ. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

I. Исследовать структуру на агрегатном уровне организации песчаной почвы: а) использовать основную гидрофизическую характеристику (ОГХ) и ее составляющую - изотерму сорбции паров воды почвой (ИС) для оценки макро- и микроструктуры песков; б) разработать новые критерии агрегатной структуры на базе данных об удельных поверхностях (УП) песчаных почв и их отдельных гранулометрических фракций; в) дифференцированно оценить роль органического вещества и других цементирующих агентов в процессе агрегирования элементарных почвенных частиц (ЭПЧ).

Исследовать структуру песчаной почвы на уровне системы генетических горизонтов: а) использовать органопрофиль в качества интегральной характеристики структуры на данном уровне; б) изучить

последовательность генетических горизонтов почвы, вертикальное распределение почвенного органического вещества (ПОВ), интенсивное!! поступлений и трансформации ПОЛ в различных парцеллах н типах сосновых БГЦ.

3. Исследовать эволюцию структуры песчаных лесных почв в ходе сукцессий сосновых БГЦ: а) выявить значение структуры в создании биогенного плодородия песков; б) разработать математическую модель поведения органического вещества в системе "биоценоз-почва" для прогноза эволюции структуры песчаных лесных почв.

Научная ковизпа и практическое значение» Детально исследованы малоизученные вопросы структурообразования песчаных лесных почв Показано, что структура этих почв на агрегатном и профильном уровнях организации определяется состоянием НОВ. Для оценки и прогноза динамики структуры количественно изучены интенсивности поступления и трансформации органического вещества в почве и закономерности изменения этюс величия при смене простых сосновых БГЦ сложными. Структура песчаных почв рассмотрена как биофизическое явление - детерминированный результат, самоорганизации системы "<5ио~ ценоз-почва".

Выдвинут ряд новых показателей агрегатной структуры применительно к пескам. С целью быстрого получения этих показателей разработаны принципы анализа ИС и УП почв с помощью гаьовой хроматографии. Создана методика полевого эксперимента по трансформации органического вещества в почве. Использование этой методики позволило получить данные о круглогодичной, в том числе и зимней, активности БГЦ, рассчитать скорости минерализации и гумификации ПОВ на поверхности и в слоях почвы. Оценено биогенное плодородие песчаных лесных почв Подмосковья и его эволюция в процессе экогенеза. С лесохозяйственной точки зрения'обоснована возможность использования простых сосняков как базиса для формирования исчезавших сложных боров.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались на кафедре физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ и на школе-семинаре почвоведов в г. Пущиио. По материалам диссертации опубликовано б работ; еще 2 находятся в настоящее время в печати.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит иа пяти глав, выводов и списка литературы, содержащего £32 наименования, в том |числе 87 работ иностранных авторов. Работа изложена на 145 страницах, содержит ТЯ таблиц и 25 рисунков.

I. Обзор литературы

Разработка учения о почвенной структуре, механизмах ев форма-, роваяия и влиянии на плодородие связана с именами выдающихся отечественных и зарубежных почвоведов (П.А. Костычев, К.К. Гедройц, В .Р. Вильяме, С.А. Захаров, И.Н. Антипов-Карагаев, А.Г. Дояренко, Я .А. Качинский, b.D. Baver , V). ь. Kabiena ). Классические представления активно используются и развиваются в современной физике и агрофизике почв (Воронин, 1974, 1984; Бондарев и др., 1977; Бе-резин, Шеин, 1985; Градусов, Чижиков, 1988; Eaerson , 1977; Quirk, 1978; Sudo , 1982). В большинстве исследований структура отождествляется с размерами, формой и характером распределения агрегатов почвы, сформированных из элементарных почвенных частиц. Тем самым сужается круг вопросов рассматриваемой проблемы, т.к. из всего комплекса многочисленных связей, образующих структуру материального объекта - почвы, выделяются лишь те, которые обеспечивают агрегации почвенных чаотип. Широко распространенные песчаные почвы, как правило, не образующие морфологически выраженных стабильных агрегатов, в рамках такого подхода относятся к "бесструктурным" образованиям, что предопределяет недостаточнув изученность взаимодействия песчаных ЭПЧ.

Концепция иерархии структурных уровней организации почвы (Воронин, 1984), обобщающая современные представления об этом предмете, убеждает в нецелесообразности понятия "бесструктурные" почвы и открывает новые возможности в изучении структуры песков не только на агрегатном, ло и на других уровнях организации. Агрегатная структура песчаных почв, как показывает анализ немногочисленных работ в этой области (Паулюкявичус, 1972; Плакхина, 1989; noznova , 1972; AMel-Aal et all , 1986; Воза , 1989), является нестабильным динамическим образованием, возникающим благодаря склеиванию песчаных ЭПЧ органическими и органоминеральными цементами. В целом, в организации почвенного материала на различных структурных уровнях ведущее значение принадлежит биологическому фактору почвообразования, что особенно ярко проявляется в почвах легкого гранулометрического состава.

П. Объекты и методы исследований

Объектами послужили сукцессионные ряды БГЦ соснового долинного ландшафтного комплекса типов леса Подмосковья, в которых изучалась эволюция простых сосняков бореального типа в сложные сосново-

широколиственные леса и слабодерновых поверхностно-подзолистых почв в развитые глубокодерновые глубокоподзолистые. Выбор объектов предусматривал однородность эктопических условий для эволюционирующих сообществ, что оправдывало экстраполяцию закономерностей пространственных изменений во временные (сравнительно-географический метод анализа). Стационарные исследования, включающие круглогодичные наблюдения за трансформацией органического вещества БГЦ, проводились на о. Лохин (Олалиховский лесопарк) в среднем течении р. Москвы. В целях репрезентативности были осуществлены почвенные и фитоценологические изыскания на дополнительных объектах в Приокско-Террасном заповеднике (ПТЭ) и Белоомутском лесничестве (БЛ) в долине р. Оки. Для оценки закономерностей первичной сукцессии была изучена почва сосняка овсяницево-зеленомош-ного, развивающегося на песчаной породе семидесятилетнего карьера в Серебряноборскоц опытном лесничестве (СОЛ).

В течение 1985-1989 гг количественно изучались поступление вещества в почву с растительным опадом, фитомасса травяно-кустар-ничкового и мохового покровов, скорости трансформации ПОВ и газовый реаим псчв. Проводилась разовая агрохимическая оценка биогенного плодородия, статистическое изучение концентраций, запасов ПОВ и мощностей органогенных горизонтов в профиле, исследование плотностей сложения, плотностей твердой фазы, гранулометрического состава почв, определение ОГХ, ЙС, УП и коэффициента диффузии СО^ в почвах различных типов сосновых БГЦ. Все исследования осуществлялись с учетом синузиальной и парцеллярной структуры БГЦ, особое внимание отводилось экотонак, отражающим переходные стадии эволюции простых сосняков в сложные и деструкторным регрессивным (остаточным) синузиям.

Были использованы традиционные методы изучения химических и физических свойств почв (Аринувкина, 1951; Вадюнина, Корчагина, 1986) и разработаны новые на основе газовой хроматографии. В частности, была предложена оригинальная методика круглогодичного полевого опыта оценки скоростей минерализации и гумификации ПОВ в стеклянных цилиндрических воровках с контролен за выделяющимся углекислым газом. В соавторстве были разработаны принципы применения газохроматографического метода определения изотерм сорбции паров воды и удельной поверхности в почвах и создана термостатируемая установка, позволяющая получать ИС в широком диапазоне относительного давления паров воды (С^ Р/Роч< 0,98) в песках менее, чем за

Ю минут. На рисунке I приведены результаты газохроматографичес-юго и традиционно используемого в почвоведении адсорбционно-ста-гического анализа изотерм сорбции водяного пара, подтверждающие возможность применения нового метода не только в песчаных, но а з более тяжелых почвах.

1. Структура песчаных лесных почв на агрегатном уровне организации

Способность почвы как полидисперсного тела к агрегированию в первую очередь определяется ее гранулометрическим составом. Чем выше дисперсность ЗПЧ, тем больше поверхностной энергии элиминируется в процессе агрегирования, тем прочнее образованная связь. Границы педогенного изменения агрегатной структуры изученных почв заданы двумя полярными состояниями - несвязным (раздельно-частичный) в материнской породе (1,655 физ.глины, иенее 3,0 и2-г"1 УП) н агрегированным, с наличием устойчивых макроагрегатов (комков) в супесчаных горизонтах А1 (до гумуса, более физ. глины, до 25 м2* г-1 УП) почв некоторых сложных боров и в ожелезненных (2-Ге203) песчаных горизонтах ВК.^е этих же БГЦ. Песчаные гумусовые горизонты содержали, как правило, более 3% физ. глины, то есть являлись связными песками, тогда как' горизонты С, Е и большинство иллювиальных относились к рыхлым пескам.

Формирование почвы сод простыми сосняками и развитие ее при смене их сложными сопровождается накоплением органических и орга-номинеральных коллоидов, увеличением дисперсности ЭПЧ, что способствует постепенному агрегировании песков. Первоначально происходит концентрирование скрепляющего ЗПЧ коллоидного материала в местах замедленного тона суспензий и коллоидных растворов - в углах врупных пор, образованных скелетом почвы (секега , 1965). В дальнейшем тонкодисперсный материал покрывает всю поверхность крупных верен, образуя первичные агрегаты. Такое микростроение выявляется в песчаных почвах сосновых БГЦ в виде покровов, мощностью 0,1-0,2 мм, состоящих из тонкодисперсных частиц на поверхности крупных песчаных зерен (Плакхияа, 1989). Взаимодействие иикроагрегатов приводит к образованию рыхлых комков макроструктуры, прочность которых возрастает по мере увеличения дисперсности ЭПЧ.

Анализ ОГХ, выбранных в качестве интегральной характеристики макро- и микроструктуры, показал, что различия в агрегатной структуре отдельных горизонтов и почв в целой сосновых БГЦ проявляются

6 -

Изотермы сорбции паров воды почвой (газохроматографический метод)

Рис Л

х - данные адсорбционно-статического метода

Гор. А1,АВ,В* »темно-серая лесная почва и чернозем южный

Гор. А сах.,дерново-подзолистая суглинистая почва различной окультуренности

*Гср, и. ,дерново-подзолистая песчаная почва различной гумусирован-ности, Каракумские пе-1,0 Р/Ро ски.

Участок ОГХ песчаных почв сосновых БГЦ

Рйс.2

якя*-ХХ.К-X—X.—— X_-

10

ЙГ

25^за

~ж

1- песчаные горизонты Ш*А1Е,Е,В,С)

2- супесчаный горизонт А1. .

аиболев четко в диапазоне, не превышающей значения максимальной 'игроскопической влажности. В тензиометрической части ОГ1 равли-[ия, обусловленные исходным сложением (пористостью) песков, быст-)о нивелируются по мера удаления влаги, свидетельствуя о достаточ-юй однородности макроструктуры (рис. 2). Однородность обусловлв-ia легким гранулометрическим составом (92-98% физ. песка) и морфо-югически диагностируется отсутствием стабильных макроагрегатов. При этом сложение изученных лесных песков, характеризуемое вели-зиной плотности почвы (5*$ ), сильно дифференцировано по генетическим горизонтам:pb AI (AIE) = 0,8-1,3 г»см"5, Е = 1,3-1,5г-си~? В, С = 1,5-1,7 г.см"3.

В области низких значений влажности, представленной ИС, данные варьируют сильно в зависимости от вида почвы и горизонта, отражая изменения в микроструктуре (рис. 3). Перегиб кривых ИС в диапазоне 0,5-0,6 i P/Po 4. 0,98, согласно теории сорбции в пористых телах, вызывается капиллярной конденсацией паров воды в порах. Поэтому значительный рост крутизны кривых ЙС почвенных горизонтов, в особенности органогенных, по сравнению с породой отражает увеличение их микропористости, т.е. лучшую оструктуренность. Из анализа структурных кривых, рассчитанных.по ИС, следует, что микропористость иллювиальных горизонтов возрастает в 1,5-3,0 раза, а в гумусовых - в 2,5-7,0 раз, достигая величин 15-20 мм^»г при доминирующих радиусах пор 0,6-1,0 км. Удаление органического вещества сжиганием при 500°С приводи» к практически полному совпадению ИС, структурных кривых и УП прокаленных образцов с таковыми в породе для органогенных песчаных горизонтов почв простых боров и на 70-85% для песчаных и супесчаных горизонтов AI сложных БГЦ, свидетельствуя о главенствующей роли ПОВ в оструктуривании песков.

С целью универсальной количественной оценки агрегатной структуры песков были выдвинуты следующие критерии: I. Относительное уменьшение удельной поверхности при связывании ЭПЧ = 100 (£S<pp-Sn)/2:S<pP, где Sri - удельная поверхность почвы,г сунмарная УП ее гранулометрических фракций. Критерий отражает прочность связи ЭПЧ при небольших различиях в качестве их поверхности, что справедливо для гомогенных кварцевых песков. 2. Отношение УП почвы и материнской породы -ß aSn/Srin; критерий повышения дисперсности ЭПЧ в ходе педогенеза. 3. Отношение УП почвы до и после прокаливания - X = Sn/Sn-500 выявляет значение ПОВ в увеличении дисперсности. .4Доля поверхности ПОЗ от общей УП почвы -А= 100 (Sn-Sn-5Ö0)/^n . 5. Доля поверхности связующего материа-

Изотермы сорбции паров вода песчаными почвами

Рис.3

о.Лохин. Сосняк сложный.

м%

AI, пи

,А1,пс

А1,пв(эк)

AI500,пн Вуе,пв Е,Д1500,пв С,С500,пв

Р/Ро

о.Лохин. Соскяк простой.

А1Е,пс(эк)

AIE.riH • AIE.no,В,пн '/ В,пс(эк}Б500 ^^ ^ .S C.AIE500

БЛ. I,Сосняк простой,пв. 2.Сосняк сложный,пв.

.AIB

I.B.B500 £.С,А1Е50С С500

Р/Ро

ПТЗ. З.Сосняк простой,пс. 4.Сосняк сложный,пс.

1,0 Р/Р0 О

1,0 Р/Ро

Условные обозначения: А1,А1Е,В,С- горизонты почв, пв,пс,пн-парцеллы вершинных,склоновых и низинных элементов БЩ, (эк)-экотоны,---А1Е500- образцы прокаленных почв.

Таблица I

Показатели агрегатной структуры песчаных лесных почв

фцел-i Горизонты почвы н2.г-1 S П -Ь 00 и2*г"1 Л % P X À % % ¿-A %

о. Лохин, Сосняк простой овсяницево-зеленомошный

ПВ AIE 8,38 2,58 6,8 3,1 3,3 69,2 71,7 2,5

В 6,2 8 4,75 4,4 2,3 1,3 24,2 61,4 37,0

С 2,69 2,50 0,8 1,0 1,2 7,1 7,9 0,8

ПС AIE 6,84 2,54 7.8 2,5 2,7 62,9 65,2 2,3

ПН AIE 5,93 2,50 8,9 2,2 2,3 57,8 59,3 1,5

ПС AIE 9,47 2,48 8,2 3,8 73,8 74,7 0,9

экотон) В 5.13 4.04 6.0 1,9 If3 21,2 52,5 31,3

о. Лохин, Сосняк сложный вейниково-зеленчуковый

ПВ И 8,76 2,48 - 3,6 3,5 71,7 - -

экотон) В 5,13 3,03 - 2,1 1,7 ' 40,9 - -

ПВ AI 24,46 3,58 12,7 9,1 6,8 85,4 91,1 5,7

Е 3,85 3,30 1,5 M 1,2 14,3 36,0 21,7

В 5,II 4,38 5,6 2,0 1,2 14,3 52,3 38,0

С 2,45 2,05 - 1,0 1,2 16,3 - -

ПН AI 18,34 5,50 12.7 6.8 3.3 70.0 87.7 17,7

ПТЗ, Сосняк простой злаково-зеленомошшй

ПС AIE 6,62 2,43 7,7 3,0 2,7 63,3 68,7 5,4

В 4,09 2,92 4,9 1,8 1,4 25,6 48,0 19,4

С 2,23 2,17 1,3 1,0 1,0 2,7 3,7 1,0

ПС AI 12,10 3,52 11,5 4,1 3,4 70,9 80,0 9,1

экотон) В 7,40 5,03 6,6 2,5 1,5 32,0 66,0 34,0

С 2,92 2.63 - 1,0 1,1 9,9 11,4 •1,5

БЛ, Сосняк сложный зеленоиошно-злаковый

ПВ II 13,15 3,46 13,8 3,7 3,8 73,7 77,3 3,6

В 7,68 3,42 - 2,8 2,2 55,5 _С 3,82 3.21 - 1.0 1.2 15.9 17,2 1.3

БЛ, Сосняк простой лишайниково-злаковый ПВ AIE 5,34 2,56 7,8 2,1 2,1 52,1 57,2 5,1 В 4,58 3,01 - 1,8 1,5 34,3 _С 2,52 2.33 2,7 1.0 1.3 7.5 8,5 1.0

ла (цемента) от общей УП почвы -б = 100 (5П - Бек Хек )/5п , г Э с к. Хек - УП и содержание фракции скелета почвы. Последние два критерия характеризуют агрегирование песчаных ЗПЧ по мере накоп ния в почве органических и прочих цементирующих агентов.

Наиболее прочная структура возникает в модермуллевых супес чаных и песчаных горизонтах А1 сложных боров, где в результате связывания ЭПЧ органическим веществом элиминируется до 13$ УП (табл. I). В почвах простых сосняков показательравен в средне 6-856. Дисперсность частиц органогенных горизонтов в 2-4 раза бо ве, чей в материнских породах для простых и в 3-Ю раз - для сл ных БГЦ.

Наблюдаемое в целом сходство величин^и^подтверждает выво; о главенствующем значении ПОВ в острукгуриваяии песков. То же с, дует из анализа показателя Л , закономерно уменьшающегося от 60 80% в горизонтах А1 и А1Е до 7-1055 в породе. Критерий 6 для орп ногенных горизонтов варьирует от 60-70% в простых до 70-90% в с; жных БГЦ, тогда как в иллювиальных горизонтах он составляет в с; днем 50-60$, а в породе и горизонтах Е - 10-25$. Следовательно, наибольшая связность принадлежит гумусовым горизонтам, а наимен: пая - горизонтам С, где 75-90$.поверхности приходится на зерна скелета, не способные к взаимосвязыванию. Разность (э --А , оцет вающая долю поверхности неорганических цементов, максимальна дш иллювиальных горизонтов (20-30$), где цементирующим материалом являются соединения железа. Для большинства остальных образцов она ке превышает 3-7$.

Благодаря широкому распространению кварцевых песков получе! кые закономерности могут рассматриваться в качестве универсальш для данной группировки почв. Уравнение регрессии, связывающее У1 с содержанием гумуса (С$):2П = £,60ехр 0,48 С%, Г = 0,98 позв< ляет оценить биогенное оструктуравание в процессе эволюции пескс под сосновыми БГЦ.

1У. Структура песчаных лесных почв на уровне системы генетических горизонтов

Однородная песчаная кварцевая порода является идеальной ср< дой для прояви яия биогенного структурообразования на уровне сис теин почвенных горизонтов - накопления и распределения по профш органически и органоминералышх соединений. В качестве характеристики структуры на данном уровне выбран органопрофгль как псы !довательность сопряженных однородных зон почвы, каждая из которь

характеризуется спецификой интенсивностей процессов поступления, выноса и трансформации (минерализации и гумификации) ПОВ. Количественной оценкой органопрофшш служат мощности горизонтов, содержащих ПОВ, а также вертикальное распределение концентраций ПОВ.

Система основных горизонтов изученных почв простых сосняков имела вид: АО - AIE - В - С, тогда как для сложных боров характерна более дифференцированная система: (АО) - AI - Е - Вк,-1е- с. Долинным простым соснякам свойственно накопление мощной (4-5 до 7 см) подстилки с запасом ПОВ 40-60 до 80 т-га Подстилка сложных сосняков существенно меньше (1-2 сы), иногда этот горизонт отсутствует или пведствавлен фрагментарно. Под ним за егает гумусо-во-аккумулятивний горизонт AI со среднестатистической мощностью 15-20 (30) см и элювиальный - Е (8-18см).

В простых БГЦ отдельный горизонт Е, как правило, отсутствовал, а оподзоленность выявлялась морфологически в органогенном минеральном горизонте под подстилкой, в связи с чем он диагностировался как гумусоъо-элювиальный (AIE). Мощность этого горизонта не превышает 7-II см.

Вертикальное распределение ПОВ в простых сосняках характеризуется последовательный уменьшением с глубиной от 1,5-2,0^ гумуса в горизонте AIE до 0,35% - в иллювиальном. В сложных сосняках распределение, как правило, бимодальное с двумя максимумами концентраций ПОВ в горизонтах AI (3,5-4,5%) и Bh,jc(0,7%), соответственно. В целом, сукцессия долинных простых ссснкков на мономинералышх кварцевых песках в слолные боры сопровождается постепенным исчезновением подстилки и дифференциацией минеральной толщи на собственно гумусово-аккумулятивный AI и элювиальный Е.

Несмотря на сходные («ЛОО т-га~*) запасы ПОВ в органогенных горизонтах простых и сложных боров, причиной сукцессиоиных изменений структуры на уровне профиля нельзя считать простое перераспределение ПОВ, т.к. в простых сосняках до 8С> ПОВ составляет детрит подстилки, а в сложных доминирует гумус "модер-мулль" минерального горизонта AI. Оценка скоростей поступления и трансформации органического вещества на поверхности и в отдельных слоях почвы показала, что в ходе сукцессии в 1,5-2,0 раза увеличиваются интенсивности годового опада, гумификации и минерализации детрита при некоторой снижении минерализации ПОВ в подповерхностных (1020 см) минеральных слоях почвы (табл. 2). Последнее, видимо, связано с образование!! более стабильных форм гумуса типа "модер-мулль" по сравнению с грубым гумусом простых БГЦ. Эти изменения,

Таблица 2

Поступление опада и показатели трансформации органического вещества в почвах сосновых БГЦ

Парцел- Опад (т-га-1) со2 Р Г Минерализация ПОВ (%)

лы в слоях

зим- годо- (т-га-*» % %

ний вой год"1) 0-5 си 5-Юсм 10-20см

о. Лохин, Сосняк простой овсяницево-зеленомошный

ПВ 0,8 8,4 17,6 27,8 3,2 22,9 7,9 1,9

ПН 1,3 4,3 15,0 31,0 2,9 12,8 5,0 0,8

ПС 1,4 5,1 - 41,4 3,7

(экотон)

о. Лохин, Сосняк сложный вейнихово-зеленчуковый ПВ

(экотон) 1,4 4,4 - 40,0 5,2 -

ПВ 2,2 7,1 25,9 43,9 6,6 53,0 9,5 0.7

ПН 1,8 6,5 21,1 42,5 4,0 36,3 14,2 0,8

Примечание: СО2 - выделение из слоя 0-20 см; Р(%) и Г($) - процент разложившегося и гумифицированвого вещества за год от исходной абсолютно сухой массы опада.

как показано с помощью простой кинетической модели динамики запасов детрита и гумуса, приводят к описанной выше трансформации структуры за время жизнедеятельности одного поколения леса.

Предложена таете распределенная модель пространственно-временной динамики органопрофиля. Показано, что естественное для лесных почв снижение интенсивности разложения ПОВ с глубиной, на фоне его постоянного переноса из верхних олоев в нижние, может служить основой для возникновения нестационарной одномерной структуры (органопрофиля) с двумя максимумами концентраций при определенном соотношении параметров разложения и переноса ПОВ. На рисунке 4 представлены результаты моделирования эволюции органопрофиля песчаной ' лесной почвы в процессе ее развития из материнской породы под сосновым лесом (первичная сукцессия) и смены простого сосняка сложным.

Моделирование динамики органопрофшш почвы при эволюции Рис.4 сосняка простого на песчаной породе (а), и сукцессии сосняка простого в сложный бор (б)

а) Концентрация ПОВ органопрофиля (г-см-3)

У. Структура песчаных лесных почв как результат самоорганизации сосновых БГЦ

В предыдущих главах было показано, что структура песчаных лесных почв на агрегатном и профильном уровнях организации тесно связана с состоянием ПОВ. Следовательно, для выявления закономерностей формирования и развития органогенной структуры песков требуется оценить изменения в состоянии ПОВ в ходе сукцессий сосновых БГЦ. Для корректного решения этой задачи необходима информация о закономерностях функционирования всей системы "биоценоз-почва" и поведении органическою вещества в ней.

Система "биоценоз-почва" может быть рассмотрена в качестве самоорганизуемого единства, где управляющую и организующую функции осуществляют сообщества живых организмов. В процессе эволюции эти сообщества, аккумулируя ПОВ, создают биогенное плодородие, которое реализует обратную связь - главное отличительное свойство самоорганизуемых систем. Самоорганизация системы во времени и пространстве приводит к детерминированному образованию структуры БГЦ ж его компонентов, в частности - почвы.

Ярким примером самоорганизации БГЦ являются растительное сукцессии на однородных песчаных породах с низким минеральным плодородием и водоудерживаюцей способностью. Образование структуры в этих условиях является детерминированным процессом, направленным на оптимизацию исходно неблагоприятных для развития растений свойств материнской породы. Низкие скорости разложения детрита в почвах простых сосняков есть необходимый фактор устойчивого функционирования БГЦ, обеспечивающий концентрацию питательных веществ и влаги в верхнем слое почвы и максимальное сопротивление выносу в условиях хорошей дренируемости песков. Полученная структура сяо-собствует удержанию существенно больших количеств элеме :тов питания и влаги по сравнению с исходным грунтом, причем значительная часть биогенно накопленных соединений локализуется в подстилке (табл. 3).

Суммарно в горизонтах АО,AIE накапливается 100-150 г*м"^ биогенного азота, что в 5-8 раз превышает запасы этого элемента в адекватной по мощности толще материнской породы. Накопление ПОВ, агрегирование ЭПЧ в органогенных горизонтах приводит к удерживанию вдвое ббльших количеств влаги, причем 40-50$ этих запасов приходится на подстилку, хотя по весу и мощности она уступает горизонту AIE.

- IS -

Таблица 3 /

Химические и физические показатели плодородия песчаных лесных почв

Парцеллы Горизонт Сорг. Азот ?2°5 Обменые мг эквЯСОг рН водн. Iff ПВ

почвы % % % Са м-Г" 56 %

о.Лохин Сосняк простой 01 сяпицево-зеленомошный

ПВ АО 30,61 0,36 0,09 14,0 3,6 3,5 - -

AIE 1,28 0,08 0,10 1,5 1,3 3,9 0,85 37,2

В 0,21 0,01 0,02 1.0 0,6 5,5 0,66 26,4

С 0,04 - 0,03 1.2 0,4 5,8 0,30 24,8

ПС АО 31,21 0,42 0,11 13,5 6,3 3,6 - -

AIE 1,35 0,12 0,09 1,4 1,8 3,9 0,71 29,4

ПС АО 28,42 0,54 0,17 14,1 4,0 3,7 - -

(зкотон) AI 1.70 0,13 0.10 1.5 1.2 4,0 0.85 28.9

о.Лохин, Сосняк сложный вейшково-зеленчуловый

ПВ АО 30.G8 0,66 0,10 18,5 5,6 4,3 - -

(экотон) AI 1,95 0,18 0,10 1,6 0,9 4,0 1,23 38,6

ПВ AI 2,51 0,50 0,14 3,3 2,6 5,2 2,54 44,7

' Е 0,20 - 0,03 0,3 0,4 4,9 0,34 29,9

В 0,38 0,06 0,05 0,8 0,5 5,0 0,59 28,а

С 0,06 0,02 0,02 1,0 0,8 5,7 0,27 26,6

ПИ АО 30,06 0,68 0,12 31,3 7,3 5,8 ' - -

AI 2.37 0.42 О.И 3,1 1,2 5.5 1,74 45.9

Моделирование динамики запасов Зитомассы (Вф) и органического вещества почвы (Х(ц) соснового БЩ

Рис. 5

Х- реальные данные.

На определенных рубежах эволюции накопленное биогенное плодородие позволяет поселиться широколиственный растениям с богатш элементами питания и хорошо разлагающийся спадом. Смена простых сосняков сложными сопровождается возрастанием количества опада, скоростей разложения детрита и интенсивности его гумификации, что способствует исчезновению подстилки и формированию мощного горизонта А1 с модер-муллевым типом гумуса, а на агрегатном уровне организации почвы - более прочному связыванию ЭПЧ и постепенному образованию макроагрегатов. Сравнивая суммарные запасы вещества, заключенного в органогенных горизонтах простых и сложных БГЦ, можно констатировать увеличение в процессе сукцессии количеств азота в 3-10, фосфора в 2-3, обменных кальция и магния в 2-5 раз, потенциальных запасов активной влаги - в 2 раза.

В сложных БГЦ отпадает необходимость жесткого лимитирования скоростей разложения ПОВ в системе "биоценоз-почва", т.к. накоплено уже достаточное количество вещества, формирующего высокий уровень плодородия почвы. То же модно сказать и о фитоценозе, представленной кроме сосны широколиственными породами и неморальной травянистой растительностью. Эти виды в отличие от зимяе- вечнозеленых доминантов простых боров ежегодно сбрасывают всю синтезирующую фитомассу и потребляют в 2-3 раза больше питательных веществ на образование новой, увеличивая тем самым интенсивность процессов трансформации органического вещества в системе "биоценоз-почва" .

Указанные закономерности обобщаются в несложной математической модели (I), формализующей динамику запасов биомассы фитоценоза (ВМ) и ПОВ (ХГО) в процессе самоорганизации сосновых БГЦ на песчаных почвах:¿В>/сМ =к0В/(1-4)Х + оХ-( к1 + кг )В где к„, к4 и к2- параметры интенсивносгей синтеза,дыхания и отмирания фитомассы; а - параметр интенсивности вовлечения в фитомассу углерода С02 почвы (год-1), с1 - безразмерный показатель качества ПСЕ в ряду от детрита к гумусу "модер-мулль", У - параметр скорости разложения ПОВ (год-1).

На рисунке 5 приведены результаты численного интегрирования уравнений (I) и сопоставления модельных величин с реальными данными о динамике запасов фитомассы в простых сосняках зеленомошных (Ремезов и др., 1959). Отметим, что в однородных лесорастительных условиях запасы фитомассы и ПОВ сформировавшихся простых боров близки к таковым в сложных БГЦ. Учитывая этот факт при анализе стационарных состояний модели, получаем, что увеличение в 1,5-2,0 раза

интенсивности годового опада в связи с развитием сложного БГЦ, требует такого же увеличения интенсивности деструкционных процессов ПОВ для сохранения гоыеостазиса систеиыябиоценоз-почвап.

Переходя от переменной запасов ПОВ (X(t)) к концентрации {C(h,t)) и используя диффузионную аппроксимацию вертикального переноса ПОВ (O'Brien , stout ,1978), получаем распределенную модель сгруктурообразования почвы на уровне профиля, решения которой проводились в предыдущей главе (рис.4). В целом базовая модель (I) может использоваться для оценки минимального времени сукцессий сосновых БГЦ на песках, а также изменений не только в структуре и плодородии почв, но и в продуктивности фитоценозов.

Основные выводы

1. Ведущее значение в структурообраэовании автоморфных песчаных почв сосновых БГЦ принадлежит органическому веществу. В процессе экогенетическнх сукцессий сосняков происходит накопление и перераспределение ПОВ, вызывающее дифференциацию профиля и агрегирование песчаных 9ПЧ материнской породы.

2. Образование структуры есть результат самоорганизации сосновых БГЦ, направленный на оптимизацию неблагоприятных для развития растений свойств материнской песчаной породы. Самоорганизация в системе "биоценоз-почва" осуществляется посредством регуляции скоростей изменения органического вещества.

3. Устойчивое развитие простых сосняков на бедных сильно дренируемых песках требует низких скоростей трансформации ПОВ. Параметр интенсивности разложения детрита ( t>0 £ 0,3 год-1) при годовом поступлении опада m s 3-4 т»га~Г, что способствует накоплению ПОВ в виде подстилки (40-60 т.га-1) и грубого гумуса в горизонте AIE (10-20 тта~*). Распределение ПОВ по профилю характеризуется постепенным убыванием с глубиной; дисперсность 9ПЧ и прочность агрегатной структуры - низкие (S„ ¿8 м^г-1, Л ¿6-8$,/5 , ¿fi 4,

ч< 60-70$).

4. Смена, простых сосняков слохшши сопровождается возрастанием скоростей трансформации органики (¿0 = 0,5-0,6 год"1,m = 6,06,5 Т'Га"*). Это приводит к разложению и гумификации детрита и образованию дифференцированной системы минеральных горизонтов AI-E-Bh,fe. Общее количество гумуса превышает 100 тта~*, распределение его по профилю - бимодальное, дисперсность почвы и прочность агрегатной структуры высокие (Sn 4 25 и2-г"*, Л <13$, /3 N< 10, Л » d >л 70-90$).

5. Биогенное оструктуривание песков в простых БГЦ сопровождается как минимум двукратным увеличением минерального плодородия и водоудерживающей способности исходной породы. Структура почв в сложных БГЦ способствует удержанию в 2-5 раз больших количеств Влементов питания и влаги, чем в простых борах.

6. Экогенетическая сукцессия простых боров в сложные сопровождается сменой типа гумуса и вида почвы. Слабодерновые поверхностно (мелко)-подзолистые слабодифференцированные грубогумусаые почвы эволюционируют в глубокодерновые глубокоподзолистые модер-муллевые.

7. Струкгурообразование почв как простых, так и сложных сообществ осуществимо за время жизнедеятельности одного поколения леса (100-150 лет).

8. Анализом сорбционного и тензиометрического участков ОГХ исследованных песчаных почв выявлена четкая дифферсицированность микростроения на агрегатном уровне организации почвы при достаточной однородности макроструктуры. Последняя характеризуется отсутствием стабильных ыакроагрегатов (комков), близкими величинами во-доудерживания в области высоких влажностей ОГХ, постоянством содержания кислорода почвенного воздуха по профилю (20-21^). При этом сложение (пористость) почв наряду с микроструктурой может сильно различаться в зависимости от вида генетического горизонта и почвы в целом.

9. С однородностью макроструктуры связано постоянство состава газовой фазы, в частности, малая вариабельность концентраций СО2

в верхних (0-30 см) горизонтах почвы, что дает возможность вычисления нагивных скоростей минерализации ПОВ в песчаных лесных почвах с использованием стационарной аппроксимации диффузного га~о-обмена.

10. В исследованных БГЦ поступление органического вещества в почву в виде опада и его трансформация (минерализация и гумификация) продолжается в зимнее время и может достигать 1/3 годовой интенсивности этих процессов за период с ноября по март включительно. Недооценка такого факта приводит к серьезным искажениям реальных закономерностей и неверным прогнозам при моделировании поведения лесных экосистем.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

I. Быстрицкая Т.Л., Смагин A.B. Воспроизводство гумусово-ак-

кумулятивного процесса в целинных и пахотных черноземах// Тез. докл. УШ Всесоюзн. съезда почвоведов.-Новосибирск, 1989. Г. 4.С.41

2. Ильинская С.А., Сиагин A.B. Роль почвы в экогенезе долинка еосно?7'х лесов Подмосковья// Лесоведение.-1989,-» 5.-С.13-22

3. Ковда В.А., Смагия А.-В., Быстрицкая Т.Л. Роль сезонной динамики органического вещества в самоорганизации степных биогеоценозов// ДАН СССР.-1989.-Т. 308, Й 2. -С. 461-468

4. Смагин A.B. Почва как результат самоорганизации биогеоценоза// ДАН СССР.-1989,- Т. 308, 16 3.- С. 729-731

5. Смагия A.B., Быстрицкая Т.Л. Самоорганизация биогеоценоза % формирование почвы// Экологическая кооперация. - Братислава, 1989, - Т. 3-1.- С. 48-50

6. Смагин A.B., Смирнов Г.В. Использование газохроматогра-фического метода для определения изотерм сорбции паров воды почвой// Почвоведение.-1991, is 9.- С. 155-158