Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Формирование структуры песчаных почв при сукцессиях сосновых лесов

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

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

^9 0 3 9

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

На правах рукописи

СЫАГИН Андрей Валентинович

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва г 1991

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

Научный руководитель: ■ доктор биологических наук, профессор А. Д. Воронин

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

A. И. Поздняков

кандидат биологических наук

B.Ф. Уткаева

Ведущая организация: Институт лесоведения АН СССР

Защита состоится "■¿Ц* К^рТЙ 1992г.

в. 15 ч. 30 мин. в ауд. Н-2 на заседании сйециализированяого совета К 053.05.16 в ЛГУ им. Ц.В. Ломоносова (119899, Москва, Ленгоры, 107, ф-т почвоведения).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического и почвенного факультетов 107 им. К .В. Ломоносова.

Автореферат разослан " "_ 1992 г.

УченыЯ секретарь специализированного совета > Г.В. Мотузова

С гг..

!

а.

ч-д&п

иссецаирои

''""1 дуальность проблемы. Песчаные почвы традиционно рассматри-

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 целой не было, так как обычные методы структурного анализа в песках малоприемлемы.

Исследование процессов формирования и развития структуры песчаных почв с использованием новых критериев этого свойства - задача, актуальная в научном, методическом и народохозяйственном аспектах. Решение такой задачи обогащает теорию структурообразо-вания почвы, позволяя детально изучить закономерности этого процесса на практически идеальной физической 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-широколиственные 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 экогенетических сукцессий сосновых БГЦ. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. 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).

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

последовательность генетических горизонтов почвы, вертикальное распределение почвенного органического вещества (ПОВ), интенсивности поступления и трансформации ПОВ в различных парцеллах и типах сосновых БГЦ.

3. Исследовать эеолюцию 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 новизна и практическое значение. Детально исследованы малоизученные вопросы структурообразования песчаных лесных почв. Показано, что структура этих почв на агрегатном и профильном уровнях организации определяется состоянием ПОВ. Ддя оценки и прогноза динамики структуры количественно изучены интенсивности поступления и трансформации органического вещества в почве и закономерности изменения этих величин при смене простых сосновых БГЦ сложными. Структура песчаных почв рассмотрена как биофизическое явление - детерминированный результат самоорганизации системы "биоценоз-почва" .

Выдвинут ряд новых показателей агрегатной структуры применительно к пескам. С целью быстрого получения этих показателей разработаны принципы анализа ИС и УП почв с поиопгьв газовой 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 исчезающих 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. Пущино. По материалам диссертации опубликовано в работ; еще 2 находятся в настоящее время в печати.

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

I. Обзор литературы

Разработка учения о почвенной структуре, механизмах ее форма-. рования 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-Каратаев, А.Г. Дояренко, H.A. Качинский, b.D. Baver , W.L. ffiibiena ). 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; Emsrson , 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 частип. Широко распространенные песчаные почвы, как правило, не образующие морфологически выраженных стабильных агрегатов, в рамках такого подхода относятся к "бесструктурным" образованиям, что предопределяет недостаточную изученность взаимодействия песчаных ЭПЧ.

Концепция иерархии структурных уровней организации почвы (Воронин, 1984), обобщающая современные представления об этой предмете, убеждает в нецелесообразности понятия "бесструктурные" почвы и открывает новые возможности в изучении структуры песков не только иа агрегатном, но и на других уровнях организации. Агрегатная структура песчаных почв, как показывает анализ немногочисленных работ в этой области (Паулвкявичус, 1972; Плакхина, 1989; Koznova , 1972; Abdel-Aal et all , 1986; коза , 1989), является нестабильным динамически!! образованием, возникающим благодаря склеиванию песчаных ЭПЧ органическими и оргапоминеральными 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 энтопических 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 (Опалиховский лесопарк) в среднем течении р. Москвы. В целях репрезентативности были осуществлены почвенные и фитоцанологические изыскания на дополнительных объектах в Приокско-Террасном заповеднике (ПТЗ) 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 Серебряноборскоы опытном лесничестве (СОЛ).

В течение 1985-1989 гг количественно изучались поступление вещества в почву с растительным опадом, фитоыасса травяно-кустар-пичкового и мохового покровов, скорости трансформации ПОВ и газовый рении почв. 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, ИС, УП и коэффициента диффузии C0t> в почвах различных типов сосновых БГЦ. Все исследования осуществлялись с учетом синузиальной и парцеллярной структуры БГЦ, особое внимание отводилось экотонам, отражающим переходные стадии эволюции простых сосняков в сложные и деструкторным регрессивным (остаточным) синузиям.

Были использованы традиционные методы изучения химических и физических свойств почв (Аринушкина, 1961; Вадюшша, Корчагина, 1986) и разработаны новые на основе газовой хроматографии. В частности, была предложена оригинальная методика круглогодичного полевого опыта оценки скоростей минерализации и гумификации СОВ в стеклянных цилиндрических воронках с контролем га выделяющимся углекислым газом. В соавторстве были разработаны принципы применения газохроматографического метода определения изотерм сорбции паров воды и удельной поверхности в почвах и создана термостатируеиая устаповка, позволяющая получить ИС в широком диапазоне относительного давления паров воды (0£ Р/Ро>< 0,98) в песках менее, чем за

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

П. 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 ЭПЧ, 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-частичным) в материнской породе (1,6% физ.глины, менее 3,0 и^т"1 УП) и агрегированным, с наличием устойчивых ыакроагрегатов (комков) в супесчаных горизонтах II (до 5% гумуса, более 1Щ> физ. глины, до 25 м2, УП) почв некоторых сложных боров и в ожелезненных (28% Ге20д) 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 под простыми сосняками и развитие ее при смене их сложными сопровождается накоплением органических и орга-номинеральных коллоидов, увеличением дисперсности ЭПЧ, что способствует постепенному агрегированию песков. Первоначально происходит концентрирование скрепляющего ЭПЧ коллоидного материала в местах замедленного тока суспензий и коллоидных растворов - в углах крупных пор, образованных скелетом почвы (секега , 1965). В дальнейшем тонкодисперсный материал покрывает всю поверхность крупных зерен, образуя первичные агрегаты. Такое микростроение выявляется в песчаных почвах сосновых БГЦ в виде покровов, мощностью 0,1-0,2 мм, состоящих из тонкодисперсных частиц ка поверхности крупных песчаных зерен (Плакхина, 1989). Взаимодействие микроагрегатов 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 целом сосновых БГЦ проявляются

Изотермы сорбции паров воды почвой (газохроматографический метод)

Рис.1

х- данные адсорбционно-статического метода

Гор. А1,АВ,В к .темно-серая лесная почва и чернозем шный

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

Гер. А1,дерново-подзолистая песчаная почва различной гумусировалкости, Каракумские пески.

1,0 Р/Ро

Участок ОГХ песчаных почв сосновых БГЦ

Рис.2

-. «И*-- к— «.-—- X—

5

10

15 2(5 25 30"

1- песчаные горизонты (А1,А1Е,Е,В,С)

2- супесчаный горизонт А1.

8

наиболее четко в диапазоне, не превышающей значения максимальной гигроскопической влажности. В тензиометрической части ОГХ различия, обусловленные исходным сложением (пористостью) песков, быстро нивелируются по мере удаления влаги, свидетельствуя о достаточной однородности макроструктуры (рис. 2). Однородность обусловлена легким гранулометрическим составом (92-98% физ. песка) и морфологически диагностируется отсутствием стабильных макроагрегатов. При этом сложение изученных лесных песков, характеризуемое величиной плотности почвы (5*6)» сильно дифференцировано по генетическим горизонтам: pb AI (AIE) = 0,8-1,3 г»см , Е = 1,3-1,5г>см~? 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 Р/Ро< 0,98, согласно теории сорбции в пористых телах, вызывается капиллярной конденсацией паров воды в порах. Поэтому значительный рост крутизны кривых ИС 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 pasa, 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 приводит к практически полному совпадению ИС, структурных кривых и УП прокаленных образцов с таковыми в породе для органогенных песчаных горизонтов почв простых боров и на 70-85J6 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 ~J- = 100 (ZS9p-Sn)/2:Scpp, где5п - удельная поверхность почвы,ES<pp-сушшрная 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 -Jo =Sn/SMn; критерий повышения дисперсности ЭПЧ в ходе педогенеза. 3. Отношение УП почвы до и после прокаливания - У =Sn/Sn-500 выязляет значение ПОВ в увеличении дисперсности.' 4. Доля поверхности ПОВ от общей УП почвы -А= 100 (Si-i-£5n-5ÓO)A>п . 5. Доля поверхности свлгуьотего материа-

Изотермы сорбции паров вода песчаными почвами

Рис.3

о.Лохин. Сосняк сложный.

Я, пн

,А1,пс

AI,пв(эк)

AI500,пн В R,fe ,ПВ Б,AI500,пв С,С500,пв

Р/Рр

о.Лохин. Сосняк простой.

А1Е,пс(эк)

А1Е,пн • А1Е,пс,В,пн '/ В,пс(эк)В500 ' C.AIE500

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

.AIE

I.B.B500 S^.C,AIE500 ^=¿¿5^0500 \

P/Po

ПТЗ. З.Сосняк простой,пс. 4.Сосняк слезный,пс. 4. AI,

'4.А1(эк) :.А1В 4.В ¡.AIE

3.B.4.AIE->00,4. С ¡.C.AIE500

1,0 Р/Ро 0 0,2

1.0 Р/Р0

Условние обозначения: А1,А1Е,В,С- горизонты почв, пв,пс,пн-парцеллы вершинных,склоновых и низинных элементов БЩ, (эк)-экотоны,---Л1Е500- образцы прокаленных почв.

Таблица I

Показатели агрегатной структуры песчаных лесных почв

Парцеллы Горизонты почвы М^г"1 Ц2.Г-1 «С % <г А % С! % 6-Х %

о. Лохин, Сосняк простой овсяницево-зеленомошный

ПВ А1Е 8,38 2,58 6,8 3,1 3,3 69,2 71,7 2,5

В 6,28 4,75 4,4 2,3 1,3 24,2 61,4 37,0

С 2,69 2,Ь0 0,8 1,0 1,2 7,1 7,9 0,8

ПС А1Е 5,84 2,54 7,8 2,5 2,7 62,9 65,2 2,3

ПН А1Е 5,93 2,50 8,9 2,2 2,3 57,8 59,3 1,5

ПС А1К 9,47 2,48 8,2 3,5 3,8 73,8 74,7 0,9

(экотон) В 5.13 4.04 6,0 1,9 1,3 21,2 52,5 31,3

0. Лохин, Сосняк сложный вейниково-зеленчуковый

ПВ А1 8,76 2,48 - 3,6 3,5 71,7 - -

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

ПВ А1 24,46 3,58 12,7 9,1 6,8 85,4 91,1 5,7

Е 3,85 3,30 1,5 1,4 1,2 14,3 36,0 21,7

В 5,11 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 А1 18,34 5,50 12.7 6,8 3,3 70,0 87,7 17,7

ПС

ПТЗ, Сосняк простой злаково-зеленомошшй

ПС (экотон)

А1Е В С ¿1

В

6,62 4,09 2,23 12,10 7,40

2,43 2,92 2,17 3,52 5,03

7,7 4,9 1.3 11,5

6,6

3.0 1,8 1,0

4.1 2,5

2,7 1,4 1,0

3.4

1.5

63,3 25,6 2,7 70,9 32,0

68,7 48,0 3,7 80,0 66,0

5,4 19,4 1,0

9,1 34,0

БЛ, Сосняк сложный зеленоиоино- ■злаковый

ПВ А1 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 А1Е 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 - <J = 100 (S„ - SCk Хек )/Sn , где Sck.Xck- УП и содержание фракции скелета почвы. Последние два критерия характеризуют агрегирование песчаных ЭПЧ по мере накопления в почве органических и прочих цементирующих агентов.

Наиболее прочная структура возникает в модермуллевых супесчаных и песчаных горизонтах AI сложных боров, где в результате связывания ЭПЧ органическим веществом элиминируется до 13% УП (табл. I). 3 почвах простых сосняков показатель/равен в среднем 6-8%. Дисперсность частиц органогенных горизонтов в 2-4 раза больно, чем в материнских породах для простых и в ,5-10 раз - для сложных БГЦ.

Наблюдаемое в целом сходство величин^ и ^подтверждает вывод о главенствующем значении ПОВ в оструктуривании песков. То же следует из анализа показателя Л , закономерно уменьшающегося от 6080% в горизонтах AI и AIE до 7-10% в породе. Критерий 6 для органогенных горизонтов варьирует от 60-7055 в простых до 70-90% в сложных БГЦ, тогда как в иллювиальных горизонтах он составляет в среднем 50-60%, а в породе и горизонтах Е - 10-25%. Следовательно, наибольшая связность принадлежит гумусовым горизонтам, а наименьшая - горизонтам С, где 75-90%.поверхности приходится на зерна скелета, не способные к взаимосвязыванию. Разность d> - А , оценивающая долю поверхности неорганических цементов, максимальна для иллювиальных горизонтов (20-30%), где цементирующим материалом являются соединения железа. Для большинства остальных образцов она не превышает 3-7%.

Благодаря широкому распространенна кварцевых песков полученные закономерности могут рассматриваться в качестве универсальных для данной группировки почв. Уравнение регрессии, связывающее УП с содержанием гумуса (C$):Sn = 2,60ехр0,48 С%, Г= 0,98 позволяет оценить биогенное оструктуривание в процессе эволюции песков под сосновыми БГЦ.

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

.Однородная песчаная кварцевая порода является идеальной средой для прояв,- пия биогенного структурообразоваяия на уровне системы почвенных горизонтов - накопления и распределения по профилю органических и органоминеральных соединений. В качестве характеристики структуры на данном уровне выбран органопрофгль как последовательность сопряженных однородных зон почвы, каждая из которых

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

Система основных горизонтов изученных почв простых сосняков имела вид: АО - А1Е - В - С, тогда как для сложных боров характерна более дифференцированная система: (АО) - А1 - Е - ВС. 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 си), иногда этот горизонт отсутствует или пведствавлен фрагментарно. Под ним за егает гумусо-во-аккумулятивный горизонт А1 со среднестатистической мощностью 15-20 (30) см и элювиальный - Е (8-18сц).

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 гумусозо-элювиальный (А1Е). Мощность этого горизонта не превышает 7-11 см.

Вертикальное распределение ПОВ в простых сосняках характеризуется последовательным уменьшением с глубиной от 1,5-2,0$ гумуса в горизонте А1Е до 0,35% - в иллювиальном. В сложных сосняках распределение, как правило, бимодальное с двумя максимумами концентраций ПОВ в горизонтах А1 (3,5-4,5%) и ВМ«(0,7;&), соответственно. В целом, сукцессия долинных простых сосняков на мономинеральных кварцевых песках в сложные боры сопровождается постепенным исчезновением подстилки и дифференциацией минеральной толщи на собственно гумусово-эккумулятивный А1 и элювиальный Е.

Несмотря на сходные (^ТОО т-га"*) запасы ПОВ в органогенных горизонтах простых и сложных боров, причиной сукцессиошшх изменений структуры на уровне профиля нельзя считать простое перераспределение ПОВ, т.к. в простых сосняках до 8су» ПОВ составляет детрит подстилки, а в сложных доминирует гумус "модер-мулль" минерального горизонта А1. 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 некотором снижении минерализации ПОВ в подповерхностных (1020 см) минеральных слоях почвы (табл. 2). Последнее, видимо, связано с образованней 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

Парцеллы

Опад (т.га"1) СО«? Р Г

зим- годо- (т^га"*» % %

ний вой год"1)

Минерализация ПОВ ($) в слоях

0-5С1Л 5-10см 10-2Оси

о. Лохин, Сосняк простой овсяницево-зеленомошный

ПВ 0,8 3,4 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 вейниково-зеленчуковый ИВ

(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: С02 - выделение из слоя 0-20 см; Р(%) и Г0&) - процент разложившегося и гумифицированного вещества аа 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 также 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 ^лоев 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 органопрофиля 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 агрегатной и профильной 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 органического вещества в ней.

Система "биоценоз-почва" мохет 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 к его компонентов, в частности - почвы.

Ярким примером самоорганизации БГЦ являются растительные сукцессии на однородных песчаных породах с низким минеральным плодородием и водоудерживающей 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 способствует удержанию существенно больших количеств элеме :тов питания и влаги по сравнению с исходным грунтом, причем значительная часть биогенно накопленных соединены!, 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.

Таблица 3

Химические и физические показатели плодородия песчаных лесных почв

Парцеллы Горизонт Сорг. Азот ?2°5 Обмение мг skb/ICOt рн вода. iff ПВ

почвы % % % Са Мэ 56 %

о.Лохин, Сосняк простой овсяницево-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 - -

(экотон) AI 1.70 0.13 0.10 1.5 1,2 4,0 0,85 28.9

о.Лохин , Сосняк сложный вейшково-зеле1гчуковый

ПВ АО 30,08 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 28,8

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

ПН АО 30,06- 0,68 0,12 31,3 7.3 5,8 - - -

AI 2.37 0,42 0.11 3,1 1,2 5.5 1,74 45'. 9

Моделирование динамики запасов фитомассы (В(у) и органического вещества почвы (Хщ) соснового БЩ

Рис.5

Х- реальные данные.

НО 40

83 ШГ

На определенных рубежах эволюции накопленное биогенное плодородие позволяет поселиться широколиственный растениям с богатым элементами питания и хорошо разлагающимся опадом. 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 можно сказать и о фитоценозе, представленном кроме сосны широколиственными породами и неморальной травянистой растительностью. Эти виды в отличие от зимне- '» 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 (8(<)) и ПОВ (Х(£)) в процессе самоорганизации сосновых БГЦ на песчаных почвах: с/В/сЯ =М/(1-4)Х )В; М/Ж^к^-ХХ,

где к0, и кг- параметры интенснвностей синтеза.дыхания и отмирания фитомассы; а - параметр интенсивности вовлечения, в фитомассу углерода С02 почвы (год-1), с/ - безразмерный показатель качества ПОВ 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 гомеостазиса системыпбиоценоз-почва".

Переход« от переменной запасов ПОВ (AW) к концентрации {С (h, i)) и используя диффузионную аппроксимацию вертикального переноса ПОВ (O'Brien , stout , 1978), получаем распределенную модель структурообразованил 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 экогенетических сукцессий сосняков происходит накопление и перераспределение ПОВ, вызывающее дифференциацию профиля и агрегирование песчаных ЭПЧ 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 ( £ 0,3 год-*) при годовом поступлении опада m = 3-4 т-га-*, 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 ШЧ и прочность агрегатной структуры - низкие (Sn i 8 и2«г""*, </¿6-8%, fi , ^-<4, \,6 ч< 60-70%).

4. Смена.простых сосняков сложными сопровождается возрастанн-еи 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,¿e. Общее количество гумуса превышает 100 т-га-1, распределение его по профилю - бимодальное, дисперсность почвы и прочность агрегатной структуры высокие (Sn ¿ 25 м^г-1, X. <13%, К С ß i Ю, А » d >, 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 элементов 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 грубогумусные почвы эволюционируют в глубокодерновые глубокоподзолистые модер-муллевые.

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

8. Анализом сорбционного и тензиометрического участков ОГХ исследованных песчаных почв выявлена четкая дифферслцированность микростроения на агрегатном уровне организации почвы при достаточной однородности макроструктуры. Последняя характеризуется отсутствием стабильных макроагрегатов (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 нативных скоростей минерализации ПОВ в песчаных лесных почвах с использованием стационарной аппроксимации диффузного газообмена.

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. У1 Всесовзн. съезда почвоведов.-Новосибирск, 1989. Т. 4.С.41

2. Ильинская С.А., Смагия A.B. Роль почвы в экогенезе долинных сосногих лесов Подмосковья// Лесоведение.-1989,-№ 5.-С.13-22

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

4. Смагин A.B. Почва как результат самоорганизации биогеоценоза// ДАН СССР.-1989.- Т. 308, № 3.- С. 729-731

5. Смагин A.B., Быстрицкая Т.Л. Самоорганизация биогеоценоза и формирование почвы// Экологическая кооперация. - Братислава, 1989, - Т. 3-*.- С. 48-50

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