Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменение свойств почв в связи с сукцессионной динамикой таежных экосистем после пожаров и рубок

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Изменение свойств почв в связи с сукцессионной динамикой таежных экосистем после пожаров и рубок"

г V 5 о А

1 7 ФЕВ «97

На правах рукописи

КАРПАЧЕВСКИЙ Михаил Львович

ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЧВ В СВЯЗИ С СУКЦЕССИОННОЙ ДИНАМИКОЙ ТАЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПОСЛЕ ПОЖАРОВ И РУБОК

Специальность 03.00.27 — почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА—1996

Работа выполнена на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения Московского Государственного университета им. М. В. Ломоносова

доктор сельскохозяйственных наук профессор В. А. Рожков

доктор биологических наук И. С. Урусевская кандидат географических наук Л. Б. Холопова

Ведущая организация: Институт Лесоведения РАН

Защита диссертации состоится" V" Н 1997 г. в 15 ч 30 ми

в ауд. М-2 на заседании диссертационного совета К 053.05.16 МГУ им. М. В. Ломоносова

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, ф-т почвоведении Ученый Совет.

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

? ¿1

Автореферат разослан " " у- ¿ 1997 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета

Г. В. Мотузова

• Актуальность темы. Рубки и лесные пожары стали важными факторами, определяющими долговременную динамику растительного покрова и почв таежно-лесной зоны. Противоречивость данных об изменении свойств почв при нарушении и восстановлении фитоценоза связана с многообразием нарушений, процессов лесо-восстановления и особенностей почв. Все чаще высказывается мысль о вероятностной сущности сукцессий, когда в точке бифуркации развитие лесного покрова (и почв) может пойти разными путями в зависимости от случайных обстоятельств.

• Цель работы. Установить общие закономерности изменения свойств почв в ходе послерубочных и послепожарных сукцессий таежных экосистем в зависимости от характера нарушения, свойств почв и типа биогеоценоза.

• Задачи исследования. 1) Оценить изменение свойств почв в результате рубок и пожаров 2) и вклад отдельных факторов в долговременное изменение в ходе послерубочных и послепожарных сукцессий; 3) выделить периоды развития почв, их продолжительность при восстановлении лесного биогеоценоза; 4) установить динамику свойств почв в ходе растительных сукцессий 5) и особенности реакции на нарушение почв в разной экологической ситуации.

• Научная новизна. После рубок и пожаров восстановление почв БГЦ проходит через стадии: гари (вырубки), чащи, жердняка, первого поколения леса, квазиравновесного типа леса. На первых трех стадиях наиболее заметно меняются химические свойства пота: содержание гумуса и кислотность. Вероятность заболачивания особенно велика в стадии чащи. Выделены три группы почв по их сук-цессионной динамике и устойчивости к нарушению: 1) богатые (бурые лесные), самые устойчивые; 2) бедные легкие почвы (альфегумусовые подзолы), устойчивые к периодическим нарушениям; 3) группа риска — текстурно-дифференцированные бедные почвы с плохими водно-физическими свойствами.

• Практическая значимость. Полученные закономерности позволяют осуществлять мониторинг состояния свойств почв и предупреждать их негативные изменения, контролируя характер воздействия. Они могут быть использованы для оценки роли человеческого фактора в развития почв лесных экосистем.

• Апробация. Основные положения работы докладывались на заседании кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ; на летнем семинаре в институте прикладного системного

анализа (ПАЗА, Лаксенбург, Австрия); на международной конф ренции студентов и аспирантов по фундаментальным наука "Ломоносов—96".

• Публикации. По теме диссертации подготовлено и опубликовав 4 статьи, одни тезисы.

• Объем работы. Диссертация состоит из введения. 5 глав, выв дов, списка литературы, содержащего наименований, и прил жений, изложена на страницах, имеет рисунков и таблиц.

Приношу глубокую признательность О.В.Смирновой и В.Н.Седы руководившими экспедициями на Урале и Западной Сибир В.В.Иванову, А.З.Швиденко, Л.О.Карпачевскому за ценные консул тации и особенно благодарю своего руководителя В.А.Рожкова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Своеобразие лесных почв связано с их развитием под пол гом леса. Почвы — консервативный элемент лесных биогеоценозе (БГЦ), но каждый новый тип растительности меняет их свойств Рубки и пожары стали одним из важнейших факторов, обуславл: вающих долговременную динамику растительного покрова и по* таежно-лесной зоны. В своем крайнем проявлении эти нарушен! близки, т.к. вызывают гибель древостоя на большой территори отчасти являясь как бы факторами почвообразования.

Особенности нарушения и его периодичность, тип БГ1 климатические и почвенно-грунтовые условия определяют вероя ность развития экосистемы по одному из возможных сценарие Движущей силой динамики свойств почв в ходе растительньгх су цессий является изменение структуры древостоя и связанных с ни природных условий экотопа. Чем старше древостой, тем сильн свойства почв зависят от видовых и экотопических особенносте их варьирование усиливается и из-за повторных некатастрофич ских нарушений.

В зависимости от генезиса и свойств почвы (богатые с хор шими водно-физическими свойствами; бедные легкие почв! устойчивые к физическому воздействию; бедные текстурно-дифф ренцированные) после нарушения будут развиваться по-разному.

Периоды восстановления почв должны соответствовать ст дням сукцессий: I) гарь или вырубка (пионерная и восстановится

\ая); 2) чаща; 3) жердняк; 4) первое поколение леса—"типичный"лес; ¡) квазиравновесие (распад). Для оценки изменений свойств почв на >азных временных отрезках можно использовать разные виды равнений (параболы, экспоненты, гамма функции:).

Мы исследовали долгосрочные изменения свойств бурых [есных почв Среднего Урала в ходе эндогенных и послерубочных укцессий со сменой пород, а также влияние на них степени нару-иенности почв. В Западной Сибири была изучена динамика войсгв автоморфных и мезоморфных альфегумусовых подзолов в оде пирогенных сукцессий без смены пород. На такие циклы установления могут накладываться процессы заболачивания.

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ РУБОК, ПОЖАРОВ И ВТОРИЧНЫХ СУКЦЕССИЙ НА СВОЙСТВА ЛЕСНЫХ ПОЧВ

Пожары и рубки не только нарушают растительный и починный покров лесного БГЦ, но и обусловливают начало много-:етнего цикла восстановления лесной экосистемы и почв (схема). Лноговариантность динамики свойств почв гарей и вырубок таеж-ю-лесной зоны связана с особенностями нарушения, комплексом риродных условий и процессами лесовосстановления.

Периодичность и интенсивность повторного нарушения :оррелируют с типом БГЦ и почвы (Мелехов, 1971; Фуряев, 1996). 1ериодическне нарушения делают реакцию каждого почвенного войства более сложной по сравнению с моделью однократного [арушения. Так, Райнерс (Яешегв, 1983) показал, что при [арушенви не чаще одного раза в 80—120 лет годовая первичная [родуктивность обобщенного БГЦ возрастает.

Динамика свойств почв заметно отличается после слабых и ильных {сплошных рубок и верховых пожаров) воздействий. Поверхность почвы нарушается неодинаково в пределах вырубки (гари).

По степени нарушенносш почвы вырубки можно разделить [а: слабонарушенные (после рубок ухода, выборочных рубок и т.д., частая около пней); средиенарушенные (пасека сплошной выруби); силънонарушенные (трелевка и колея волока).

Воздействие огня на почву более равномерно. Сильнее слра-:ают почвы верхних и средних частей склонов и участки с макси-[альными запасами подстилки (которые выравниваются в преде-ах парцеллы). Интенсивность пожара характеризуют по коли-еству тепла, выделяющегося с кромки огня (Фуряев, 1996). Также

связаны между собой интенсивность и тип пожара: слабые и средне-интенсивные — это в основном низовые и почвенные пожары, а сильные — сильные низовые и почвенные и верховые пожары.

Разрабатывая современную лесную топологию, В.Н.Сукачев (1951) обращал внимание на постоянные изменения типа леса. Одни типы леса при стабильных климатических условиях неограниченно долго сохраняют свою структуру. Ее принципиальная неизменность сочетается с интенсивной парцеллярной динамикой. Другие леса формируются периодическими мощными нарушениями (пожарами). Их структурные подразделения сильнее связаны с типом напочвенного покрова и абиотическими свойствами экотопа.

Стадии развишя лесного БГЦ (сукцессии) различают по изменению видового состава и структуры растительных ярусов. Предельное состояние ненарушенной экосистемы Клеменс (Clements, 1912) назвал климаксом. Наиболее общепринятым является представление о "подвижно-мозаичном" (Bormann, Likens, 1979) или "пульсирующем" климаксе (Тишков, 1986), когда экосистема характеризуется несколькими вариантами климаксного состояния в зависимости от конкретных условий.

Гари (вырубки) — это этап послепожарного (послерубочного) развития растительности на участках с погибшим древостоем до образования сомкнутого древесного полога. Роль периода с господством травяной растительности в изменении свойств почв сложно переоценить. Связь типов вырубок с исходными типами леса теоретически обоснована Мелеховым (1954, 1962). Типы вырубок в разных подзонах тайги описаны Чертовским и Аникеевой (1978), Обыденниковым и Кожуховым (1978) и др.

Долговременная динамика свойств почв в ходе послерубоч ных и послепожарных сукцессий должна прежде всего определять« изменением биомассы фитоценоза, как интегрального фактора сук цессионных изменений растительного покрова, и его продуктов кости, отражающего интенсивность биологического круговорота.

По Одуму (1969) в ходе сукцессии запасы биомассь приближаются к равновесным при данных условиях по кривой описываемой логистической функцией (рис. 1).

Гипотеза Лукса (Loucks, 1970), развитая Борманном i Лайкенсом в их теории "подвижной мозаики" (Bormann, Likens 1979) предполагает достижение некоей максимальной биомассы i затем ее снижение до значений климаксного леса. В то же время

Схема. Изменение свойств лесных почв после рубок и пожаров. Стрелки означают направление влияния, простые линии соединяют свойства и их возможные характеристики. Примечания: БГЦ — биогеоценоз; СПП — структура почвенного покрова; ЭПА — элементарный почвенный ареал

может быть и два неравных пика накопления биомассы.

Обобщая эти гипотезы, Пит (1982) предложил модель, близкую к теории подвижной мозаики Борманна и Лайкенса и опирающуюся на отставание процесса лесовозобновления и синхронность отмирания. Популяционный вариант модели подвижной мозаики описывает большинство случаев изменения биомассы.

Теоретические основы влияния рубок и пожаров на почвообразование заложили еще Мелехов, Ремезов, Погребняк. Иванов, Кощеев, Орфанитский, Орфанитская, Холопова, Цедищева, Баранова, Витоусек, Зах и др. исследовали многие процессы на зарастающих вырубках, гарях и пашнях. Подробные региональные

исследования провели Попова, Сапожников, Стефин, Фирсо Горбачев и многие др. Изменения в почвах вырубки и гари связа с нарушениями органогенного горизонта, теплового, светового водного режимов, физических свойств почв, потерей органическс вещества и питательных элементов.

Время послс нарушения

Рис. 1. Модели изменения запасов наземной биомассы после нарушен! лесных экосистемах (Рее1, 1982)

Подстилка частично или полностью уничтожается г пожаре и при рубке. Дальнейшая динамика ее запасов связан поступлением и скоростью разложения опада. Физические свойс почв сильнее всего меняются в ходе нарушения и сразу после не Химические свойства почв в меньшей степени меняю непосредственно при рубке, резко изменяются при пожарах характеризуются интенсивной динамикой в ходе раститель* сукцессий. Микробиологические свойства наиболее лабильны.

Однако, общей концепции многолетней динамики свойств п< не существует из-за противоречивости приводимых данных. Дол временные последствия воздействия тяжелой агрегатной техники изучены, т.к. она применяется только 30—40 лег, концентриров ные рубки широко используются лишь с 30-х годов. При пош восстановлешш леса набор и продолжительность стадий сукцес могут быть разными, а новое равновесное состояние почв — инь

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1. Природные условия Временные ряды бурых лесных почв изучали на запад!

увалистых предгорьях Среднего Урала (Сабарская возвышенность). Климат умеренно-континентальный, среднегодовая температура + 1°С, количество осадков — 550—650 мм/год.

Район сложен суглинистыми покровными отложениями частично эолового происхождения. Они залегают на песчаниках и ил-лит-монтмориллонитовых корах выветривания (Самойлова, 1992), подвергнувшихся мерзлотной солифлгокции в условиях перигляци-ального субарктического климата плейстоцена (Коломыц, 1979).

Средний Урал покрывают пихтово-еловые леса с примесью широколиственных пород. Пятна в мозаике разновозрастных лесов — это элементы циклической ценогенно-возрастной динамшси с пятью основными стадиями (Смирнова и др., личн. сообщ.):

1) начальный распад — активное очаговое усыхшше и вывал хвойных пород, образование небольших "окон", в основном зарастающих лиственными породами;

2) распад — заканчивается очаговое усыхание хвойных деревьев, "окна" смыкаются; прогалины зарастают кустарниками и липой; в верхнем пологе доминируют лиственные породы;

3) начальное восстановление — начинается активное возобновлении хвойных пород под пологом лиственных доминантов;

4) восстановление — верхний полог смешанный с преобладанием лиственных пород;

5) модальный древостой — в составе верхнего яруса преобладает ель и пихта, во втором ярусе хорошо представлены лиственные.

Послепожарные изменения в альфегумусовых подзолах изучали в Сургутском полесье (Западная Сибирь). Климат контитен-тальный. Рельеф сформирован приледниковым Мансийским озером 17—10 тыс. лет назад. Его терраса глубоко переработана мерзлот-но-термокарстовыми процессами. На междуречьях залегают табе-ральные и покровные эоловые отложения. Почвообразующие породы — сортированные мелко- и среднезернистые кварцевые пески и супеси эолового и озерно-аллювиального происхождения.

Полесье — это сочетание обширных озерно-болотных систем голоценового возраста на плоских междуречных поверхностях и речных террасах и средиетаежных лесов, преимущественно в поймах рек и на приречных террасах. В автоморфных и мезоморфных условиях господствуют послепожарные сосняки. Изменение запасов биомассы в ходе этих сукцессии показано на рис. 2. Выделяют их следующие стадии (по Седых, 1993; 1996, личн. сообщ. ):

1) пионерная, 1—10 лет. Формирование открытого экотопа, активное усыхание деревьев, поврежденных огнем, разрушение сухостоя, поселение сосны, трав и мхов на поверхности почвы;

2) восстановительная, 11—20 лет. Образование сомкнутого полога сосны с отдельными березами. Напочвенный покров: травы, лишайники, кустарнички и мхи;

3) чаща, 21—30 лет. Растет прирост деревьев в высоту и их дифференциация по размеру. К концу стадии начинается отпад древостоя. Напочвенный покров: травы, лишайники, кустарнички и мхи;

4) окердняк, 31—80 лет. Продолжение интенсивного роста, высокая сомкнутость древостоя. Запасы древесины быстро возрастают. Завершается отпад сухостоя. Напочвенный покров: вейник, лишайники, кустарнички и мхи;

5) зрелость, 81—200 лет. Прирост незначителен, но таксационные показатели древостоя возрастают, запасы древесины максимальны. Напочвенный покров: лишайники, кустарнички и мхи;

6) климакс, >200. Средняя высота диаметр и запас древостоя, наибольшие, Усиливается отпад деревьев, лиственные породы отсутствуют. Напочвенный покров: лишайники, кустарнички и мхи.

2.2. Объекты и методы

На Среднем Урале был исследован уникальный участок девственной южной тайги в кв. 156 и 157. Для изучения естественной внутрицеиотической изменчивости почв заложили почвенно-геоморфологический профиль (разрезы 2—12) с запада на восток длиной 2160 ми две пробные площади (разрезы 1 и 13). Помимо этого были использованы данные, полученные Е.М.Шевченко в пята парцеллах (25 прикопок) пробкой площади №1.

Почвы рубленных лесов (разрезы 14—49) были выбраны так, чтобы охарактеризовать их изменения в течение 20—50 лет после нарушения с учетом вариантов зарастания вырубок и их положения в рельефе. Подробно были исследованы почвы бывшей ле сосеки. Часть ее сильно механически нарушили и уплотнили. Сна чала она использовалась как сенокос (без пахоты), а затем зароелг березой; остальная часть вырубки (пасека) заросла липняком.

Для характеристики послерубочной динамики свойств поч] использовали стадии: 1) пионерная (окно, поляна); 2) восстановле иие — несомкнутый древесный ярус до формирования чащ! (сомкнутого древостоя первого поколения); 3) чаща—жердняк -

образование второго яруса лиственных пород, их интенсивный рост; появление подроста темнохвойных; 4) распад первого поколения — постепенное выпадение лиственных, выход хвойных во второй ярус; их совместное доминирование; 5) модальный древостой — доминирование хвойных во Н-ом ярусе.

Стадии сукцессии О Ю 20 30 80 200 300 600 >600 Лет после нарушения Рис. 2. Изменение запасов древесины 1-ого яруса сосняков в ходе после-пожарных сукцессий без смены породы (по Седых, 1996, личн. сообщ.). Сплошная линия — обобщенное, точки — фактическое изменение

В Сургутском полесье разрезы на пробных площадях характеризовали геоморфологию, гидрологию, почвы, а также развитие лесного покрова после пожаров (1, 2,9, 12); пожаров с признакам! рубки (4—7, 23); ветровала (8); механического нарушения (10). Использовали также те из разрезов вокруг кустовых площадок (20— 22, 24—81), почвы которых не были загрязнены легкорастворимыми солями, нефтью и тяжелыми металлами при нефтедобыча.

Для проверки гипотезы о связи свойств почв после рубок и пожаров с таксационными показателями древостоя (типом и запасами биомассы в лесном БГЦ) и интенсивностью биологического круговорота были выбраны объекты с близкими почвенно-литологическими свойствами и максимально однородными условиями формирования.

При анализе изменений свойств почв использовали содержание гумуса (показатель накопления и трансформации биомассы в лесном БГЦ), кислотность, состав обменных катионов (показатель биологического круговорота). Особое внимание уделили генетиче-

ским особенностям почв и типологии древостоя для того, чтоб получить достаточно однородные возрастные ряды почв.

Отдельные парцеллы разновозрастных хвойно-широк лиственных лесов Урала рассматривались как элементы восстан вительной динамики. Определение возраста фации (парцедш весьма затруднительно и возможно лишь для конкретного дерев эдификатора. Часто на одновременно нарушенных участках пр цессы восстановления идут с разной скоростью (одинаковые стадо имеют разную продолжительность). Поэтому, для описания энд генной и послерубочной динамики почв использовали стадии су цессии (фенотипический возраст), но учитывая и возраст древосто

Автоморфные и мезоморфные альфегумусовые подзо; рассматривали вместе, т.к. свойства верхних, затрагиваемых по» рами, горизонтов близки. Возрастная структура западносибирск! сосняков обусловлена давностью пожара. Лесовозобновление гарях быстрое, стадии сукцессии жестко связаны с возрастом древ стоя. Поэтому дня описания динамики свойств почв сходные эк топы располагали в порядке увеличения возраста насаждения.

Продолжительность сукцессионного цикла велика (сот лет), а наиболее важные (определяющие) изменения происходят течение его первых стадий (десятки лет). Поэтому, для наглядное и для подчеркивания важности первых лет на графиках длина вс стадий равна; точки распределены по стадиям пропорциональ фенотипическому возрасту парцеллы. В Западной Сибири фен о: пический возраст совпадает с давностью нарушения парцеллы.

Содержание гумуса определяли по Тюрину, обменные оа вания в буроземах — в вытяжке 1н. ЫаС1 по Карпачевскому, цв( горизонтов в сухом порошке по Манселлу, величины удельной I верхности — на газовом хроматографе; содержание аморфно железа по Тамму и несгошкатного по Мер—Джексону; рН почв 1 тенциометрически и по Алямовскому. Плотность почв измерял! буриком объемом 100 мл. Минералы крупных фракций анализи] вали иммерсионным методом, а илистую фракцию, насыщенную и Mg по Соколовой, —. рентгеио-структурным, В подзолах обм ные катионы определялся по Шелленбергу (те же элементы плкк и Ыа) и Соколову. Такая замена правомочна, т.к. оба методы , стоверны. Результаты определений, сделанные по разным мето, кам, сравнивались не напрямую, а через особенности их изменен Подвижный Р определяли в вытяжке по Кирсанову.

ГЛАВА 3. ПОЧВЫ САБАРСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ

Почвы дренированных экотопов близки по своим юйстаам. Они формируются с раннего голоцена и представлены аломощными высокогумусными с хорошей структурой бурыми ¡сными почвами на пылеватых покровных тяжелых суглинках, очвы бедны минералами крупных фракций; в илистой фракции эеобладают неупорядоченные смешаносло!1ные хлорит-онтмориллониты. Содержание Са и высоко и уменьшается щз по профилю; максимум аморфного железа в гор.А; рН кислый слабокислый, слабо меняется с глубиной. Почвы подстилают гли-1стые солифлюкционные отложения с высоким содержанием об-енных оснований и выветреяые песчаники.

По данным Е.М.Шевченко (Карпачевский, Шевченко, 1997), грево-эдификатор парцеллы закономерно меняет свойства почв в эеделах тессеры. Средние свойства буроземов под деревьями-щфикаторами разных пород на одном водоразделе отличаются.

Почвы парцелл отдельных пород во много?,! характеризуют гдельные фазы восстановительной динамики (табл. 1). Почвы отняков имеют низкую кислотность и высокую гумусность. Со-гржание гумуса также высоко в почвах пихтарников. Кислотность язка в почвах окон и опушек. Содержание гумуса в них выше, чем почвах под березой, но ниже чем в почвах остальных парцелл.

Разрезы на заросшей вырубке отражают особенности яару-:ения почв (лесовосстановления) (табл. 2). Низким содержанием /муса и рН отличаются сильно механически нарушенные почвы ¡нокоса, заросшие березой. Слабонарушенные участей вырубки эзобновшшсь липой, под ней гумуса особенно много в стадии ча-[и. Ель и пихта растут там, где древостой не был полностью уничижен или условия были благоприятными для возобновления.

Из-за хорошей структуры и механической ненарушенностп очв после зимних рубок их свойства сильнее определяются на ре-ьефом, а составом и структурой древостоя (табл. 3). Поэтому юйства слабонарушенных почв 2-ой стадии послерубочной сук-ессип и схожей 3-ей стадии эндогенной сукцессии близки.

ГЛАВА 4. ПОЧВЫ СУРГУТСКОГО ПОЛЕСЬЯ

В структуре сосняков хорошо выражены поколения древо-гоев, соответствующие пожарным годам. Типологически леса от-ичаются только по характеру напочвенного по]фова. Повторяе-

мость пожаров не позволя ет автоморфным БГЦ достичь климакса.

При однородном бедном и легком минеральном субстрате важнейшим фактором почвообразования наряду с пожарами яв ляется водный режим. Структура почвенного покрова жестко свя зана с формой поверхносга и глубиной залегания грунтовых вод Однако, пожары слабо влияют на сам водный режим почв незабо лоченных участков. Тип леса и уровень грунтовых вод хорошо ди агностируют группы лесных почв (табл. 4):

Таблица 1. Свойства бурых лесных почв разных парцелл_

Парцелла ¡Повторность[Горизонт |рН [Сорг, % ¡УП», мУг |рь**, г/и2 Первые стадии послерубочных сукцессии на сильнонарушенных почвах Березовая 4 Ад 5,0±0,3 3,47±!,13 ВД 0,73

3 А+АВ 4,5±0,2 1,62±0,26 н.д. 1,06

2 В 4,5±0,2 0,46±0,15 н.д. 1,35 1 ВС 4,4 0,25 н.д. 1,36

_Поздние стадии ценогенных и послерубочных сукцессий_

Еловая 25 А 5,0±0,1 4,41 ±0,36 68,2±6,7 0,46

14 IB 5,0±0,2 1,99±0,47 46,0±3,4 0,79

5 IIB 5,4±0,4 1,36±0,50 93,4±12,5 0,97

3_I1BD 4,7±0,2 0,26 н.д. 1,22

Поздние стадии ценогенных и послерубочных сукцессий_

Пихтовая П А 5,1 ±0,1 5,15±0,51 TÖ3 н.д.

_3_В 5,1±0,5 1,94±0,75_н.д.

Первые стадии послерубочных (на слабонарушенных почвах), средние —

_ ценогенных сукцессий_

иповая 16 Ад+А 5,3±0,2 5,15±0,52 н.д.

5 В 4,7±0,2 1,85±0,21 н.д.

_2_IIB 4,6±0,3 0,35±0,16_н.д.

Первые стадии ценогенных и послерубочных сукцессий_

Окно" 3 Ад+А 5,4±0,7 4,34±0,58 91/7 н.д. опушка 1 IB 5,9 1,65 н.д. _1_IIB 5,9 1,52_н.д.

Примечание: * удельная поверхность; ** плотность сложения.

* подзолы иллювиалыю-жемзистые гребней приречных грив с п<

слепожарными сосняками лишайниково-зеленомошными; в подзолы иллювиалыш-железистые глубинно-глееватые на переп

ах склонов грив, где грунтовые воды приближаются к поверх-ости, и плоских слабоприподнятых водоразделах с послепожар-ыми сосняками багулъниково-бруснично-лишайниковыми;

аблица 2. Свойства бурых лесных почв на участках заросшей вырубки

'азрез. Гран- Гори- РН Сорг, Плотность Положение на

Древостой состав зонт % сложения, г/м3 вырубке

Сильнонарушенная почва па вырубке

24. лс Ад 4,6 2,35 0,73 центр бывшей

ЗБЮсШвк лс АВ 4,4 1,50 1,06 сенокосной

лс В1 4,4 0,37 1,32 поляны (СП)

лс В2 н.д. н.д. 1,37

лс ВС 4,4 0,25 1,36

22. сс Ад 5,0 3,04 н.д. опушка бывшей

7БЗИвк сс АВ 4,8 1,42 н.д. СП

сс В1 4,6 0,55 н.д.

26. 9Б1 Ивк лс/сс Ад 5,0 3,04 н.д. край бывшей СП

Средпенарушенная почва на вырубке

27. сс/тс Ад 5,4 5,47 н.д. опушка бывшей

бБЗИвкШ сс/тс А 4,4 1,94 н.д. СП

34. лс А 5,2 3,96 н.д. язык липняка на

8Л1В1Б лс 1В 4,4 1,56 Н.д. бывшей СП

Сяабонарушенная почва на вырубке

35. 9Л1Б сс А 5,2 5,41 Н.д. бывшая пасека

30. ЮЛ тс А 5,8 5,69 н.д. бывшая пасека

тс ГВ 4,8 2,11 н.д.

тс ИВ 4,8 0,46 н.д.

тс ПВО 4,4 0,24 н.д.

33. 6ЛЗВ1Б тс А 5,2 4,82 Н.д. бывшая пасека

Ненарушенная почва около вырубки

20. сс Ад 4,6 2,78 0,49 разновозраст-

ЗЕЗП2В1Л1Б сс А 4,4 2,11 0,76 ный выборочно-

сс 1В1 4,4 1,39 0,98 рубленный лес

сс №2 н.д. 0,82 1,15

п НВЭ 4.8 0.26 Н.Д.

• переходные к болотам подзолы торфяно-иллювиалъно-гумусово-железистые глубинно-глееватые пологих склонов и пониженных

участков террас с близкими грунтовыми водами и плоских слабоприподнятых водоразделов с послепожарными сосняками багуль-никово-сфагновыми.

Таблица. 3. Свойства бурых лесных почв склонов в связи с особенностями процесса лесовосстановления_

|Разреэ. |Гран- |Гори- рн Сорг, Положение Стадия сукцессии

Древостой [состав ронт % на склоне

Катена в антропогенно нарушенном лесу на крутом склоне

14. 7ЛЗВ сс Ад+А 5,0 7,39 верхняя 2-ая стадия после-

тс/лг 1В1 4,4 1,81 часть рубочной (ПС)

16. тс Ад+А 4,8 5,12 перегиб 5-ая стадия ценоген-

4ЛЗПЗЕ тс 1В1 4,6 1,62 но-возрастной (ЦВС)

17.9Е1П сс/тс Ад+А 4,8 2,74 перегиб 5-ая стадия ЦВС

сс/тс 1В1 4,6 1,13

Катена в антропогенно ненарушенном лесу на крутом склоне

9. Опушка тс А 6,2 5,77 средняя 3-я стадия ЦВС

окна часть

8. Ельник тс Ад+А 5,3 5,40 верхняя 5-ая стадия ЦВС

тс 1В1+1В2 5,2 2,18 часть

7. Липняк тс Ад+А 5,7 7,78 перегиб 1-ая стадия ЦВС

Катена в антропогенно ненарушенном лесу на крутом склоне

10. Ельник тс Ад+А 6,2 4,70 средняя 5-ая стадия ЦВС

1В1+1В2 6,3 1,66 часть

17. Окно тс Ад+А 6,0 4,55 то же 1-ая стадия ЦВС

| Катена в антропогенно нарушенном лесу на пологом склоне

Й8. 7ПЗЛ тс Ад+А 4,6 4,83 пологий 3-я стадия ПС

! ! лг 1В1 4,6 1,15 склон

|39. 9Л1В тс Ад+А 4,6 3,62 то же 3-я стадия ПС

!|41. Поляна тс Ад+А 4,6 3,65 то же 1-ая стадия ПС

|40. 7ВЗЛ тс Ад 5,6 3,33 то же 3-я стадия ПС

У альфегумусовых подзолов кислотность слабо снижается вниз по профилю, у торфяно-подзолов, наоборот, существенно возрастает. Чем выше уровень фунтовых вод, тем выше содержание гумуса в иллювиальных горизонтах. В подзолах он концентрируется в их верхней части, в торфяно-подзолах в горизонте ортзанда. Наиболее беден подзолистый горизонт.

Близость грунтовых вод и экспансия сфагнума ведет к постепенному вытеснению лесных сообществ болотными. Торф задерживает атмосферную влагу и ухудшает дренаж. Нарастание слоя торфа приводит к отрыву корневых систем деревьев от минерального грунта и образованию болот. Гидроморфные почвы представлены аллювиальными почвами, верховыми торфяниками и олигоме-зотрофными торфяниками на погребенных подзолах.

У лесных почв отмечена отрицательная линейная зависимость между содержанием гумуса и величиной рН (рис. 4). Верхняя группа точек — это более гумусированные иллювиальные горизонты, оказавшиеся на поверхности вследствие послепожарных ветровалов.

ГЛАВА 5. МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА СВОЙСТВ ПОЧВ В ХОДЕ ПОСЛЕРУБОЧНЫХ И ПОСЛЕПОЖАРНЫХ СУКЦЕССИЙ

По особенностям динамики свойств почв после гибели древостоя в ходе рубок и пожаров все почвы можно разделить на: 1) богатые почвы; 2) бедные легкие; 3) бедные текстурно-дифференцированные с неудовлетворительными водно-физическими свойствами.

К почвам первой группы можно отнести: бурые лесные почвы, буро-подзолистые, серые лесные, некоторые дерново-подзолистые, дерновые и пр. У них хорошие физические свойства и высокое содержание гумуса и питательных элементов. Критическим фактором после нарушения является эрозия. Эти почвы наиболее устойчивы к нарушениям.

По нашим данным послерубочная динамика свойств бурых лесных почв связана в основном с увеличением древесной биомассы и характером смены растительности (Рис. 5). Изменение свойств почв заметно только в пределах гумусового горизонта. Степень механической нарушениости почв и их использование (например, в качестве сенокоса) во многом определяет тип лесовозобновления на вырубке и характер растительных смен.

В почвах вырубок и полян кислотность и содержание гумуса ниже, чем в почвах темнохвойного леса. На слабонарушенных почвах, поросших вегетативной липой, содержание гумуса и рН почвы максимальны в стадию чащи. По мере распада лиственного древостоя и замене его смешанным, содержание гумуса в почвах снижается, а кислотность возрастает. На наиболее нарушенных участках (сенокосы и опушки) селится береза. До стадии чащи

Таблица 4. Средние показатели свойств альфегумусовых подзолов (уровень значимости — 0,05)

Гори- Мощ- рн Гумус Са Мв К Ыа Н А1 СНО* РгОякяв. Беамсфф.

зонт ность,см % обменные катионы, мг—экв/100 г почвы % мгЛООг %

Подзолы иллювиально-железистые сосняков лишайниковых (грунтовые воды — 2,6±0,3 м)

ОТ 4±1 3,8±£),1 383** Н.Д.

Ш 15±6 5,(Ж)3 0ДШ),05 0,28+0,20 0,05+0,01 0,06±0,01 0,04+0,01 0,07+0,02 0,27+0,15 56+11 0,6510,71 0,03+0,02

вп 11±3 5,(ЙОД 0,52+0,09 0,2510,16 0,0910,02 0,09Й,02 0,08+0,04 0,1040,08 1,15+0,60 38+13 1,92+1,12 0,37+0,19

ВЕ2 12+5 4,7±0,1 ОДЫ),07 0,43+0,46 0,0410,02 0,09+0,04 0,0510,03 0,0310,01 033+031 66+23 6,91+6,07 0,14Ю,12

ВСё 27±15 5ДШЗ 0,11+0,06 0,37+033 0,09+0,03 0,08+0,01 0,06+0,01 0,04+й,02 037+0,19 57+12 3,95+036 0,0410,02

Подзолы иллювиалъно-железистые глубинно-глееватые сосняков багульниково-лишайниковых

(грунтовые воды — 0,9±0,1 м)

ОТ 8±3 3,4 н д.

Е1 19±7 5,1+0,6 0,1510,07 0,28+0,04 0,05+0,01 0,06+0,01 0,04+0,01 0,06+0,02 0,10+0,04 65+13 0,28+0,28 0,01

ВЫ 7±2 4,8+0,5 1,011031 0,13+0,09 0,07+0,01 0,0610,01 0,06*0,02 0,08+0,04 1^>2±036 1412 2331357 0,19+031

в§ 20±13 5,0+03 0,90±1,10 0,1010,14 0.06Ю.07 О,(Ш0,О9 0,05+0,07 0,(Ш0,02 1,07+1,81 26+13 н.д.

Сё ад. 5,з+о,4 0,69+0,85 0,08+0,03 0,07+0,03 0,05+0,05 0,02+0,00 0,97Ю,88 47±1 н.д.

Подзолы торфянисто-иллювиально-гумусово-железистые глубинно-глееватые сосняков багульниково-сфагновых

(грунтовые воды — 0,7±0,2 м)

Т 19±10 4.0+0,4 4,4-73** Н.Д.

Н 13±4 4,6Ш,4 0ДН038 0,12 0,07 0,05 0,02 0,08 0,12 57 0,51 0,02

ВЫ 8±2 4,410,4 о««юзо 039 0,19 0,08 0,03 0,08 2,64 20 0,00 0,02

ВГорт 7±1 5,110,1 1,79±1,08 0,24 0,10 0,08 0,17 0,04 0,96 37 1,02+2,00 нд.

Сё вд. 5,0+0,4 н.д. 0,11 0,08 0,09 0,05 0,01 1,44 19 2^9 0,01

Примечание; * степень насыщенности основаниями; ** зольность.

очва под ней подкисляется, а содержание гумуса снижается. По tepe роста березы и ее замены темнохвойными породами, свойства ючвы возвращаются к исходным значениям девственного леса.

рН

Рис. 4. Связь между содержанием гумуса и кислотностью "обыкновенных" белых и "буровато-розовых" подзолистых горизонтов альфегумусовых подзолов; * ГоР-Е. "белый в Гор.Е, "розовый"

По сравнению с послерубочным, изменение свойств бурых лесных почв в ходе ценогенно-возрастных сукцессий менее выражено и сильнее растянуто во времени из-за более постепенного распада древостоя и меньшей нарушенности почв. Кислотность максимальна на 1-ой стадии и уменьшается в ходе сукцессии до 3-ей (образования чащи). Содержание гумуса достигает пика на 3-ей стадии сукцессии, по своим свойствам точно отвечающей 2-ой стадии послерубочной. Позже эти величины не обнаруживают отличия от таковых под генеративными деревьями девственного леса. Сильное варьирование свойств почв на последних стадиях сукцессий связано как с деревьями эдификаторами парцелл, так и с литологией (палеопочвой).

Используя данные других автором мы установили, что долгосрочные изменения свойств богатых буроземоподобных почв Среднего Урала, Сихотэ-Алиня и Прибайкалья имеют сходную динамику (рис. 7). После рубок и пожаров содержание гумуса увеличивается до стадии чащи или жердняка лиственных пород.

БГЦ сосняков с легкими почвами второй группы (подзолы,

некоторые дерновые) адаптированы к периодическим нарушениям. Они подвержены пожарам и интенсивно рубятся; даже сильное механическое нарушение не препятствует их восстановлению.

8 -т-

7 -е -5 -С, %4 3 -2 -1

г «

« *

о «

А

1 2 3

Стадии сукцессии

ю 30 60

Лет после нарушения

Ч— 4

100

5

150

7,0

6,0

РН

5,0

4.0

10

8

2 3

Стадии сукцессии

30 60

Лет поело нарушения

□ □

100

5

150

Рис. 5. Изменение содержания гумуса (А) и кислотности (Б) буроземов в ходе послерубочных и ценогенно-возрастных сукцессий. Сукцессии: ❖ поелврубочная о послерубочная на в ценогенно-возрастная сильнонарушенной почве

Послепожарная динамика свойств альфегумусовых подзолов Западной Сибири обусловлена изменением запасов древесной био-

4

массы и вероятностью заболачивания, диагностируемой по ¡»тачки сфагнума. Кислотность подзолов, минимальная сразу после пожара, в ходе сукцессии увеличивается (рис. 8). Общая тенденция — уменьшение содержания гумуса в течение первых трех стадий и его увеличение на 4-ой и 5-ой стадиях; дальнейшее развитие БГЦ неизбежно обрывается пожаром. Динамика свойств почв сильнее выражена в иллювиальных горизонтах. Возможно, в подзолистом горизонте она маскируется воздействием повторных пожаров.

С.%

-г 14

13

4-

+

-- 12

11

0 12 3 4

Стадии после нарушения о ю 30 60 юо

Лет после нарушения

150

Рис. 7. Изменение химических свойств бурых лесных почвах Урала в ходе зарастания вырубок (по Фирсовой и др., 1993): * С°РГ. % и

Анализ изменений свойств бедных подзолистых почв показал, что в автоморфных условиях свойства подзолистых почв сосняков и сосново-еловых лесов Ленинградской области и Приангарья изменяются сходным образом после рубок и пожаров (рис. 9). Хотя послерубочное увеличение кислотности не столь существенно. Экстремальные значения достигаются к стадии жердняка (минимум содержания гумуса и азота.

Текстурно-дифференцированные бедные почвы с неудовлетворительными водно-физическими свойствами входят в третью группу (подзолистые, некоторые дерново-подзолистые, таежно-мерзлотные почвы, и т.д.). Их динамика разнообразна, что в первую очередь связано с критическим фактором — водным режимом. После нарушения отмечается период переувлажнения (заболачивания). На севере критическими для развития почв может стать не-

хватка тепла; они также могут близко подстилаться вечной мер: той. Такие почвы относятся к группе наибольшего риска и под? жены необратимым изменениям после пожаров и рубок.

1.5 -г-

1,0

Гумус, %

0,5 --

0,0

А

в

о

4-

10

2 3 4 5

Стадии сукцессии

20 30 80 200

Лет после нарушения

>200

7.0 -г

«,0

РН

5,0

4.0

3,0

*

В

А

а

В

п§

вВ в

10

2 3 4 5

Стадии сукцессии

20 30 80 200

Лет после нарушения

>200

6

Рис. 8. Изменение содержания гумуса (А) и кислотности (Б) автоморф и мезоморфных альфегумусовых подзолов Сургутского полесья в : послепожарных сукцессий: И гор.ВЬ(П) ▲ гор. ВП

В более благоприятных условиях дерново-подзолистые г

вы занимают промежуточное положение между подзолами и буро-земными почвами и имеют короткий период уменьшения содержания гумуса. Менее дренированные, а также еильнонарушенные почвы часто переувлажены, что приводит к накоплению органического вещества в восстановительных условиях.

7,0 -

6,0 "

рН

5,0

? *

I

8

* ♦

4,0 Контроль

100

1 10 Лет после пожара Рис. 9. Изменение кислотности подзолистых и дерновых почвах Иркутского Приангарья в ходе послепожарных сукцессий багульниково-зеленомошных сосняков (по Поповой, 1979, 1983)

Колея волока

-г 8

Гумус, %

О 20 40 60 80 Контроль

Лет после нарушения

Рис. 10. Изменение содержания гумуса дерново-подзолистых почв в ходе послерубочных сукцессии ельников черничниковых н кисличниковых (по Макаровой, 1994). Левая ордината— пасека, правая — колея волока. -♦—Колея волока, гор. А -♦—Колея волока, гор. Е

-а- Пасека, гор.А -е— Пасека, гор.Е

Динамика свойств почв первых двух групп в неблагоприят-

21

!

:

ных условиях или при сильном нарушении (эрозии) после рубо) или пожаров может быть ближе к почвам с неудовлетворительным! водно-физическими свойствами. Наоборот, выборочные рубки 1 слабые пожары имеют скорее благотворное влияние, стимулиру: накопление гумуса и питательных веществ (Ремезов и Погребняк 1963). Вообще, эта группа почв в достаточной мере сборная и от ражает недостаток наших знаний об их долговременной динамике.

Несмотря на все разнообразие растительных сукцессии, из менения свойств поте после нарушения, развитие "самовосстан авлнвающихся" почв можно описать следующими стадиями:

1) 0—5(10) лет. Вырубка или гарь (пионерная+восстановитеяьная) Велика роль травянистой растительности и мха в круговороте эле ментов. Эта стадия наиболее критическая для развития почв (точк; бифуркации) вследствие эрозии, задернения, переуплотнения, и т.д.

2) 5(10)—30 лет. Чаща. Максимальное уплотнение и минимальная транспирация могут вести к оглеению, а на сильнонарушенных поч вах — к заболачиванию. В конце этапа влажность почвы снижаете; до контрольной, химические свойства почв заметно меняются,

3) 30—60(80) лет. Жердняк. Сопровождается изменением (восста новлением) микроклимата и физических свойств почв. В этот пери од значения многих химических и биологических свойств почв до стегают максимумов (минимумов). В конце периода профиль поч вы неотличим от типичной почвы.

4) 60 (80)—120 (140) лет. Первое поколение леса (иногда отлично* от коренного) эволюционирует в "типитый" лес. Часть свойсп почв еще не достигла равновесных значений.

>120 (140) лет. Квазиравновесие или распад древостоя. Свойстве почв близки к фоновым (создается новое равновесие) или начинает си новый сукцессионный цикл. На поздних стадиях изменчивосп свойств почв сильнее связана с особенностями литологии, микроре льефа и породой эдификатором. В действительности, восстанавливающийся БГЦ испытывает различные повторные нарушения.

ВЫВОДЫ

1) Рубки и пожары сходным образом обуславливают долгосрочную динамику свойств почв. Динамика свойств почв и сроки их восстановления определяются особенностями нарушения, типом БГЦ н свойствами самих почв.

2) По реакции на рубки и пожары почвы можно разделить на три

группы: наиболее устойчивые к нарушениям богатые почвы с хорошими физическими свойствами; бедные легкие почвы, устойчиво существующие при периодических нарушениях и группа риска — текстурно-дифференцированные бедные почвы с неудовлетворительными водно-физическими свойсгвами, чья динамика зависит от водного режима почв, гидротермических условий, и т.д. При сильных нарушениях они меняются необратимо.

3) Периоды развития "самовосстанавливающихся" почв в целом совпадают со стадиями сукцессий: 1. гарь или вырубка 0пионер-пая +впсстановителы1ая): самая критическая для дальнейшего развития; 2. чаща: максимально уплотнение и переувлажнение почвы, меняются химические и микробиологические свойства почв; 3. жердняк-. восстановление микроклимата и физических свойств почв, продолжают изменяться химические и микробиологические свойства; 4. первое поколение эволюционирует в "типичный" лес: свойства почв приближаются к исходным; 5. квазиравновесие {квазиклшлакс) или распад древостоя. На поздних стадиях изменчивость свойств почв сильнее связана с особенностями литологии, микрорельефа и породой-эдификатором.

4) Изменения свойств почв в отдельные отрезки времени могут быть описаны разными типами уравнений регрессий.

5) Долговременная послерубочная динамика свойств бурых лесных почв Среднего Урала связана в основном с увеличением древесной биомассы и растительными сменами. Характер начального лесо-восстановления определяется степенью нарушенности почв и их послерубочным использованием. Вегетативная липа возобновляется на слабонарушенных участках, стимулируя гумусонакопление и уменьшая кислотность почв до стадии жердняка. Береза поселяется на сильнонарушенных участках и опушках сенокосных полян. Почвы под ней более кислые и характеризуются низким содержанием гумуса. Ель и пихта возобновляется на практически ненарушенных почвах. После однократных нарушений структура девственного леса и свойства почв восстанавливаются. При зарастании пашни восстановление свойств ночв должно занимать больше времени.

6) Изменение свойств буроземов в ходе ценогенно-возрастных сукцессий также связано с господством лиственных на средних стадиях сукцессии (содержание гумуса возрастает), но менее выражено из-за более постепенного распада древостоя; кислотность почв в ходе сукцессии снижается. Накопление гумуса приурочено к пихтовым и

липовым парцеллам, низкая кислотность к липовым, более высс кислотность и низкая гумусность к еловым. 7) В Западной Сибири в ходе пирогенных сукцессий автоморф] сосняков динамика свойств альфегумусовых подзолов связан изменением запасов наземной биомассы и продуктивности др( стоя. Важный фактор — механическая пертурбация почвы. Со; жание гумуса уменьшается в течение первых трех стадий развита увеличивается на последних; кислотность почв, минимальная ср после пожара, возрастает в ходе сукцессии. Значительное варьи вание свойств почв на поздних стадиях развития особенно в го обусловлено повторными нарушениями. Наложение заболачива] на пирогенез может превращать лесные почвы в болотные.

Список работы, опубликованных по теме диссертации:

1. Karpachevsky М. Immediate impact of logging and fires on boi forest soils in Russia HIIASA working papers, vol. 95—37, 1995, 41 p.

2. Карпачевский Л.О., Рожков В.А., Карпачевский МЛ., Швиденко А.З. J почва и лесное почвоведение //Почвоведение, 1996, №5, с. 586—59

3. Карпачевский М.Л. Динамика свойств почв в ходе сукцессий ; ных экосистем после рубок и пожаров //Тез. дот. междунар. /со, студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоноса 96", Москва: 1996, с. 36.

4. Карпачевский М.Л., Шевченко Е.М. Соотношение литогенны: ценогенетических факторов при формировании бурых лесных п< Среднего Урала. //Почвоведение, 1997, №1.

5. Бабанин В.Ф., Шпилькина И.В., Иванов A.B., Карпачевский М. Состояние железа в бурых лесных почвах Среднего Урала по д; ным ЯГРС и магнитных измерений //Почвоведение (в печати).