Некоторые параметры биологического круговорота в модельных экосистемах почвенных лизиметров

Золотарев, Геннадий Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Некоторые параметры биологического круговорота в модельных экосистемах почвенных лизиметров
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Некоторые параметры биологического круговорота в модельных экосистемах почвенных лизиметров"

На правах рукописи

Золотарев Геннадий Викторович

НЕКОТОРЫЕ ПАРАМЕТРЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА В МОДЕЛЬНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ПОЧВЕННЫХ ЛИЗИМЕТРОВ

Специальность 03.00.27 — почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В .Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор А.С.Владыченский Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Л.О.Карпачевский доктор сельскохозяйственных наук Е.Б.Скворцова

Ведущая организация:

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (г.Пущино)

Защита состоится " декабря в 15ч ЗОмин в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета К 501.001.04 в МГУ им. М.В .Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ. Отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба присылать по указанному адресу секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Л.Г.Богатырев

Введение-

Актуальность темы. Современные проблемы охраны окружающей среды, рационального использования почв тесно связаны с необходимостью изучения циклов важнейших биофильных элементов. Для более глубокого понимания законов, управляющих процессами в биосфере, необходимо знать не только количественные и качественные показатели, характеризующие процессы создания живого вещества, но и пути его трансформации, превращения вещества и энергии в экосистемах, процессы обмена как между компонентами, так и экосистемами в целом.

Цели и задачи исследования. Целью данного исследования является изучение основных параметров биологического круговорота па начальных стадиях почвообразовательного процесса, их изменение с течением времени и изучение особенностей биологического круговорота в условиях лизиметрического эксперимента. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи;

1). Изучение динамики фитомассы растительных сообществ.

2). Изучение химического состава надземной фитомассы и опада, запасов элементов в надземной фигомассе и возврат элементов с опадом.

3).Количественная и качественная оценка ' адсновных параметров биологического круговорота.

Научная новизна. В литературе практически нет данных о столь длительном и детальном изучении начальных стадий почвообразования в контролируемых условиях. Впервые исследована динамика основных параметров биологического круговорота с начальных стадий формирования биогеоценозов. Благодаря детерминированности условий почвообразования и формирования фитоценозов выявлено влияние на эти процессы отдельных факторов, в том числе обусловленных особенностями городской среды.

Практическая значимость работы. Результаты диссертации могут быть использованы при рекультивации территорий (открытая добыча полезных ископаемых, отчуждение земель при строительстве дорожных магистралей), для

решения лесокультурных и лесохозяйственных проблем (чистые и смешанные насаждения, рубки ухода и др.). Полученные данные содержат информацию о развитии почв городских территорий и их функциях в городской экосистеме и могут быть использованы при организации землепользования в городах и прогнозе эволюции городских почв и урбанизированных экосистем.

Апробация работы. Результаты работы представлялись на 1-ой Всероссийской конференции "Лизиметрические исследования почв" (1998г.), VI международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-99", Всероссийской молодежной научной конференции 'Растение и почва" (1999г.), III Съезде Докучаевского общества почвоведов (2000г.), Международном экологическом форуме "Сохраним планету Земля" (2004 г.), на заседании кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 147 стр., содержит 6 рисунков и 33 таблицы. Список литературы включает 104 источника на русском и иностранных языках.

Глава 1. Современное состояние проблемы. Учение о биологическом круговороте элементов является фундаментальным разделом современного почвоведения, основы которого заложены в трудах В .В. Докучаева, В.В.Вернадского, Б.Б.Полынова, В.В.Сукачева. Изучению биологического круговорота посвящены работы крупнейших геохимиков: В.В.Виноградова, В.В.Ковальского, М.А.Глазовской, А.И.Перельмана и других. Труды В.А.Ковды, Н.И.Базилевич, Л.Е.Родина, С.В.Зонна, Н.Н.Болышева, Т.А.Работнова, А.А.Титляновой, Л.А.Гришиной, Е.М.Самойловой, Т.И.Евдокимовой являются основополагающими в области биологического круговорота. К настоящему времени исследования в области биологического круговорота значительно расширились и обогатились в теоретическом и методологическом отношениях. Перспективы развития учения о биологическом круговороте лежат в различных областях, но составляют единое целое. Однако в настоящий период теория опережает экспериментальные и эмпирические наблюдения. Можно назвать несколько показателей, которые до сих пор еще не получили обобщения (Богатырев, 2005): во-первых, величина, характеризующая суммарное содержание зольных элементов ("чистая" зола); во-вторых, недостаточное использование энергетических величин; в-третьих, отсутствие полной и достоверной информации о продуктивности наземных экосистем; в-четвертых, различная степень исследования наземных экосистем; в-пятых, слабая изученность биохимического состава структурных составляющих фитомассы. Таким образом, к настоящему

времени накопилось довольно много проблем, касающихся как методических, так и теоретических аспектов.

Глава 2. Почвенные лизиметры. Одним из оригинальных и наименее распространенных методов стационарного изучения почв и экосистем является лизиметрический метод. Главным достоинством лизиметрического метода является получение новых экспериментальных данных в приближенной к реальной почвенно-геохимической обстановке ландшафта. Использование лизиметрического метода весьма актуально и эффективно при разработке двух крупных проблем современного почвоведения: во-первых, при изучении механизмов конкретных почвенных процессов на микро-, мезо- и макроуровнях сгруюурной организации почв, выявлении динамики их свойств, а также диагностике направленности эволюции элементарных почвенных ареалов в реальных экосистемах и, во-вторых, при исследовании специфики и масштаба техногенной эволюции почв. К недостаткам лизиметрического метода относится отсутствие горизонтального притока и оттока грунтовых вод, что не позволяет оценить все составляющие водного баланса изучаемых модельных экосистем.

Сеть лизиметрических станций в настоящее время невелика. Наиболее крупными из ныне действующих являются лизиметрические станции ВНИИПТИХИМ, Института кормов им. В.Р.Вильямса и лизиметрическая станция факультета почвоведения МГУ им. М.В Ломоносова, которая будет рассмотрена ниже.

Глава 3. Влияние городских условий на почвообразование. Развитие городских экосистем, в отличие от природных, определяется не столько естественными природными процессами, сколько деятельностью человека. В городе имеет место значительное изменение всех факторов почвообразования. Разница в климате города и окрестностей иногда равнозначна передвижению на 200 - 300 км к югу. Повышенная конвективность атмосферы города, а также ее техногенная запыленность приводят к увеличению над городом числа гроз, росту интенсивности ливней и общего числа осадков. При этом в результате повышения температуры происходит уменьшение влажности почвы.

Масса пыли, ежесуточно поступающей на земную поверхность, составляет 78 мг/м2, что в 4 — 6 раз выше фонового уровня. В составе пыли содержится много карбонатов кальция и магния, поступающих с автомагистралей и при выветривании строительного раствора.

Глава 4. Объекты и методы исследования. Объектами исследования послужили насыпные лизиметры открытого типа, заложенные на почвенном стационаре факультета почвоведения МГУ им. М.ВЛомоносова в 1967г. При их закладке предполагалось изучение особенностей почвообразовательного процесса на покровных суглинках под растительностью, характерной для юга таежной зоны. Открытые лизиметры состоят из 20 отдельных бункеров (площадь каждого

бункера 9 м2, глубина 1,5 м, объем 13,5 м3), заполненных покровным суглинком, который был взят с глубины 130 - 280 см. из Люберецкого карьера.

При составлении плана использования лизиметров был принят во внимание характер угодий, на которых происходит почвообразование в южной части дерново-подзолистой зоны, где большая площадь занята хвойными и лиственными лесами, луговой растительностью, а также посевами различных культур. В связи с этим, по четыре лизиметра заняли под посадки ели, смешанные насаждения (ель, дуб, клен) и под лиственные (дуб, клен). Луговая растительность также занимает четыре лизиметра. Два лизиметра засеяли культурами, входящими в полевой севооборот, и два лизиметра были оставлены без растительности в качестве контроля.

В каждый лизиметр с хвойными породами было высажено по 61 саженцу ели, а в смешанных посадках - по 30 саженцев ели, 16 - дуба и 15 - клена. В лизиметры с широколиственными породами был посажен 31 саженец дуба и 30 -клена.. В настоящее время количество деревьев следующее: на лизиметрах с хвойными насаждениями - 188 елей; на лизиметрах со смешанными насаждениями

- 104 ели, 24 дуба, 16 кленов; на лизиметрах с широколиственными насаждениями

— 83 дуба, 41 клен. Одновременно в четыре лизиметра были высеяны многолетние травы: тимофеевка луговая, райграс пастбищный, ежа сборная, клевер луговой. После 14 лет вегетации лизиметры с многолетними травами в течение года находились в состоянии черного пара, и в 1982г. был произведен второй посев трав, состоящий из 60% злаков и 40% бобовых без внесения минеральных удобрений. Видовой состав посева следующий: клевер луговой, клевер гибридный, лядвенец рогатый, люцерна хивинская, козлятник восточный, клевер ползучий, тимофеевка луговая, лисохвост луговой, овсяница луговая, овсяница красная, мятлик луговой, полевица белая, костер безостый.

В лизиметры с сельскохозяйственными культурами была посеяна озимая рожь. В настоящее время на лизиметрах с сельскохозяйственными культурами соблюдается девятипольный севооборот: ячмень, люпин + рожь озимая, рожь озимая, овес + многолетние травы, многолетние травы, многолетние травы, яровая пшеница, яровая пшеница, картофель. Ежегодно под сельскохозяйственные культуры вносятся минеральные удобрения (суперфосфат, KN03, NH4NO3, KCl).

Для изучения динамики надземной фитомассы растительных сообществ на лизиметрах с древесными культурами производился обмер всех произрастающих на лизиметрах деревьев, высчитывалось среднее, выбиралось модельное дерево, спиливалось, разбиралось на составные части (древесина, ветви, хвоя или листва, кора) и взвешивалось.. На лизиметрах с многолетними травами и сельскохозяйственными культурами ежегодно проводился укос с площади 1 м , укос разбирался на составные части (для многолетних трав - злаки, бобовые,

разнотравье; для сельскохозяйственных культур - зерно, солома, колос, полова), взвешивался и производился пересчет на га.

Опад собирался в опадоуловители, разбирался на составные части (хвоя и листья, ветви) и взвешивался. В отобранных образцах надземной фитомассы и опада проводилось сухое озоление с последующим определением К, Иа (на пламенном фотометре ИарЬо-4); Са, М§ (на атомно-абсорбционном спектрофотометре Перкин-Элмер ААв-ЗОЗМ (пламенный вариант)); Бе, А1 (на атомно-абсорбционном спектрофотометре Перкин-Элмер АА8-503М (непламенный вариант)); в (весовым методом из отдельной навески); Р, Э! (колориметрически с молибденовокислым аммонием); N (по методу Кьельдаля из отдельной навески).

Глава 5. Биологический круговорот на лизиметрах, занятых лесными насаждениями. За время проведения эксперимента произошло уменьшение количества деревьев, произрастающих на лизиметрах. Незначительное уменьшение количества елей можно объяснить тем, что в растительных сообществах лизиметров, также как и в естественных сообществах, происходит самоизрежевание, но не столь существенное. Значительное уменьшение количества лиственных пород на лизиметрах со смешанными насаждениями связано с подавлением их елью.

Биологический круговорот в хвойных насаждениях. Исходным моментом при изучении биологического круговорота в растительных сообществах является изучение и анализ запасов и динамики органического вещества. В данной работе учитывалась только надземная фитомасса, так как учет подземной фитомассы из-за заповедного режима функционирования лизиметров не представлялся возможным.

В еловых растительных сообществах за период с 1972 г. по настоящее время запасы надземной фитомассы увеличились с 38 до 125 т/га (рисунок 1), причем в период с 1983 по 1990Г1. запасы фитомассы практически не изменились, что может быть связано с отмиранием ряда деревьев, произраставших на лизиметрах. По мере роста деревьев наиболее значительно увеличилась масса стволов (с 22 до 72 т/га). Естественные еловые леса такого же возраста (около 40 лет) могут иметь несколько большую надземную фитомассу (до 151 т/га, Ремезов, 1959), но при этом количество деревьев на единице площади в них в 10 раз меньше, чем в сообществах лизиметров. По своим лесотаксационным характеристикам данные насаждения не могут соответствовать даже низкобонитетным еловым лесам однотипного возраста и условий произрастания.

1 Данные по запасам надземной фитомассы и количеству опада за 1972-1990 г.г. были получены А.ПЛобутевым и Л. А-Герас и м о в о й а любезно предоставлены автору Л.В.Герасимовой.

1977 1978 1986 1987 1997 1998

Рисунок 1. Надземная фитомасса в фитоценозах лизиметров, а — хвойные насаждения; б - смешанные насаждения; в — широколиственные насаждения; г — многолетние травы; д - пшеница.

I Зерно в Солома ■ Колос □ Полова

За время проведения эксперимента количество опада в еловых насаждениях колебалось от 4,02 до 10,52 ц/га (рисунок 2), причем, несмотря на значительные колебания, имеет место тенденция к увеличению массы опада, что связано с увеличением возраста и, соответственно, надземной фитомассы произрастающих на лизиметрах деревьев. В естественных лесах такого же возраста опад составляет 20 - 25 ц/га (Ремезов, 1959). В составе опада подавляющую часть составляет хвоя, что характерно и для естественных лесов.

Соотношение между элементами в химическом составе растений хвойных насаждений лизиметров имеет те же особенности, что и в растениях естественных сообществ. Наиболее высокое содержание зольных элементов присуще хвое, далее идут ветви, наименьшее количество зольных элементов содержится в стволе (таблица 1). Характерной особенностью исследуемых еловых насаждений является повышенная зольность хвои и ветвей по сравнению с естественными насаждениями. Содержание зольных элементов в стволе близко к естественным условиям. При этом последовательность накопления элементов не имеет четко выраженных различий (Са и К абсолютно преобладают во всех структурных частях). Следует отметить повышенное содержание кальция во всех структурных частях ели по сравнению с естественными фитоценозами. Это может быть связано с тем, что лизиметрический эксперимент проводится в черте города, где имеет место дополнительный привнос кальция с осадками и пылью. В опаде наибольшее содержание зольных элементов также характерно для хвои. Ветви значительно беднее этими элементами, что характерно и для естественных лесов. Следует отметить, что в опавшей хвое произошло незначительное обогащение ее кремнеземом (0,29 и 0,26% соответственно) и кальцием (1,24 и 1,06% соответственно) и уменьшение количества алюминия, магния, фосфора и особенно калия и серы по сравнению с живой хвоей (таблица 2). В период с 1982 по 1999 г.г.2 наблюдается увеличение содержания зольных элементов в опаде, что может косвенно говорить о таковом и в надземной фитомассе. Запасы зольных элементов в надземной фитомассе составили 1863 кг/га (таблица 3); для естественных сообществ аналогичные показатели характерны только для очень молодых насаждений, а также для низкобонитетных лесов (Ремезов, 1959). В естественных еловых лесах наибольшее накопление элементов приходится как раз на возраст 30 - 40 лет (3000 - 4000 кг/га, Ремезов, 1959). В отличие от естественных насаждений, где в наибольшем количестве накапливаются элементы, преобладающие в древесине ствола (так как с возрастом дерева масса стволовой части увеличивается в значительно большей степени, чем масса других частей ели), в сообществах лизиметров наибольшее количество элементов накапливается в ветвях. Это

2 Образцы надземной фитомассы н опада за 1975-1986 г.г. были отобраны и озолены А.П.Лобутевым и Л. А.Герасимовой н любезно предоставлены автору Л. А.Герасимовой.Химический анализ золы проводился автором диссертации.

О ОТ ' О! О! 0> о>

□ хвоя ЕЗ ветви

1962- 1983- 1984- 1985- 1986- 1998 1999

1983 1984 1945 1986 1987_____

[и ель хвоя вепьветви и дуб листья ¡И дуб ветви щ клен листья в клен ветви |

ц/га 9

7 6 5 4 3 2

.1975 1976.1977 1978 1980 1981 1998 1999 | и дуб листья и дуб ветви I

■ клен листья в клен ветви

Рисунок 2. Опад в древесных фитоценозах лизиметров, а - хвойные насаждения; б - смешанные насаждения; в - широколиственные насаждения.

связано с тем, что, несмотря на несколько раз выше. Из зольных элементов в надземной фитомассе больше всего накапливается кальций и калий. Такие соотношения в накоплении элементов характерны и для естественных еловых лесов. Ряд накопления для ельника: Са>К>Р>А1>К^>5>5!>Ка>Ре. Тип круговорота фосфорно-калиево-кальциевый.

С опадом растительные сообщества лизиметров возвращают до 12,55кг/га зольных элементов (таблица 4). Это в 2,5 - 3 раза меньше, чем естественных сообществах такого же возраста (Ремезов,1959). Основная масса элементов возвращается с хвоей - самой высокозольной и представительной фракцией опада.

Таблица 1. Зольный состав надземной фитомассы в 1999г., (% на абсолютно- сухую навеску)

Состав "сырая" зола К № Са Ре А1 Р в сумма N

хвойные насаждения

ель хвоя 4,81 0,98 0,05 1,06 0,18 0,02 0,24 0,33 0,26 0,16 3,28 н/о

ветви 2,59 0,52 0,02 0,83 0,14 0,01 0,19 0,14 0,06 0,11 2,02 н/о

ствол 1,12 0,18 0,01 0,44 0,05 0,01 0,04 0,06 0,02 0,03 0,84 н/о

смешанные насаждения

ель хвоя 5,18 1,01 0,04 0,98 0,22 0,01 0,2 0,24 0,21 0,18 3,09 н/о

ветви 3,16 0,48 0,01 0,88 0,12 0,01 0,16 0,13 0,04 0,1 1,93 н/о

ствол 1,08 0,16 0,01 0,46 0,06 0,01 0,02 0,03 0,01 0,04 0,80 н/о

дуб листья 4,74 1,22 0,006 1,09 0,28 0,02 0,02 0,1 0,53 0,07 3,34 н/о

ветви 3,16 0,63 0,04 1,42 0,09 0,02 0,02 0,11 0,04 0,1 2,47 н/о

ствол 1,29 0,13 0,01 0,62 0,05 0,003 0,01 0,07 0,01 0,06 0,96 н/о

клен листья 6,88 1,06 0,004 2,18 0,38 0,02 0,08 0,33 1,04 0,14 5,23 н/о

ветви 4,92 0,92 0,02 1,83 0,12 0,01 0,01 0,23 0,06 0,23 3,43 н/о

ствол 2,55 0Д9 0,004 1,13 0,09 0,01 0,01 0,12 0,02 0,11 1,78 н/о

широколиственные насаждения

дуб листья 5,01 1,13 0,004 1,18 0,26 0,02 0,03 0,14 0,39 0,1 3,25 н/о

ветви 2,99 0,53 0,02 1,46 0,06 0,01 0,01 0,09 0,05 0,12 2,35 н/о

ствол 1,47 0,16 0,01 0,58 0,03 0,003 0,009 0,08 0,02 0,08 0,97 н/о

клен листья 6,81 1,12 0,005 2,02 0,42 0,03 0,07 0,24 1,1 0,18 5,19 н/о

ветви 5,02 1,02 0,03 1,67 0,09 0,01 0,02 0,28 0,04 0,32 3,48 н/о

ствол 2,96 0,18 0,006 1,02 0,07 0,01 0,01 0,16 0,01 0,08 1,55 н/о

многолетние травы

злаки 5,16 1,78 0,04 0,44 0,35 0,03 0,03 0,66 н/о 0,09 3,42 0,24

бобовые 4,88 1,44 0,05 1,23 0,29 0,01 0,01 0,38 н/о 0,14 3,55 1,36

разнотравье 7,18 1,94 0,04 1,34 0,71 0,04 0,02 0,88 н/о 0,11 5,08 0,89

пшеница (1998 г.)

зерно 2,55 0,49 0,02 0,03 0,12 0,009 0,002 0,47 0,09 0,03 1,261 1,812

солома 3,26 1,01 0,02 0,23 0,05 0,02 0,007 0,24 0,29 0,07 1,937 0,165

колос 3,02 0,88 0,01 0,19 0,04 0,01 0,009 0,51 0,03 0,05 1,729 1,144

полова 2,48 0,72 0,03 0,09 0,08 0,08 0,008 0,39 0,08 0,02 1,498 0,947

ячмень (2000 г.)

солома 4,17 1,33 0,04 0,46 0,18 0,02 0,02 0,47 0,39 0,05 2,96 0,91

полова 3,99 1,06 0,02 0,29 0,14 0,01 0,02 0,54 0,19 0,05 2,32 1,44

зерно 2,65 0,49 0,01 0,05 0,21 0,01 0,01 0,39 0,14 0,03 1,34 1,88

Таблица 2. Зольный состав опада, 1999г., (% на абсолютно- сухую навеску)

Состав "сырая" зола К N3 Са мё Ре А1 Р в! в сумма

хвойные насаждения

ель хвоя 4,08 0,12 0,02 1,24 0,12 0,02 0,21 0,2 0,29 0,05 2,27

ветви 2,81 0,19 0,01 0,71 0,11 0,01 0,16 0,12 0,06 0,09 1,46

смешанные насаждения

ель хвоя 4,36 0,87 0,03 0,86 0,24 н/о 0,18 0,17 0,23 0,12 2,70

ветви 2,58 0,26 0,01 0,72 0,09 н/о 0,12 0,09 0,06 0,08 1,43

дуб листья 5,62 0,95 0,01 1,12 0,25 н/о 0,02 0,1 0,51 0,04 3,00

ветви 4,12 0,55 0,02 1,53 0,09 н/о 0,02 0,09 0,05 0,09 2,44

клен листья 5,87 0,64 0,01 1,82 0,42 н/о 0,06 0,24 1,02 0,15 4,36

ветви 3,65 0,71 0,01 1,52 0,13 н/о 0,01 0,14 0,08 0,17 2,77

широколиственные насаждения

дуб листья 5,28 1,11 0,01 1,06 0,22 0,01 0,03 0,12 0,41 0,08 3,05

ветви 3,65 0,58 0,01 1,33 0,07 0,01 0,01 0,07 0,07 0,09 2,24

клен листья 5,47 1,04 0,01 1,78 0,37 0,02 0,06 0,23 1,12 0,15 4,78

ветви 4,18 0,86 0,01 0,86 0,07 0,01 0,01 0,25 0,04 0,27 2,38

Больше всего с опадом возвращается кальция (до 6 кг/га), в меньшей степени - кремния (до 1,53 кг/га), алюминия (до 1,38 кг/га) и фосфора (до 1,30 кг/га).

К настоящему времени под всеми типами растительности сформировались маломощные почвенные профили. Профиль почвы, сформировавшейся под хвойным лесом, состоит из подстилки (0-3 см), состоящей из хвои, и минерального гумусоаккумулятивного горизонта А (3 - 6 см) — серый суглинок с остатками слаборазложившегося органического вещества. В почвах под ельником содержание органического углерода меньше, нежели под остальными фитоценозами (3,26%, таблица 5). По сравнению с исследованиями 1989г. (Герасимова и др., 1989) можно отметить, во-первых, увеличение мощности органопрофиля и его морфологической дифференцированное™ и, во-вторых, изменение количества гумуса в почве. Вслед за увеличением фитомассы лесных фитоценозов выросло содержание органического углерода в почвах лизиметров. В гумусоаккумулятивном горизонте диагностируется увеличение рН по сравнению с исходной породой (5,98 и 5,45% соответственно), что обусловлено накоплением Саг+ в результате пылевого загрязнения и биологической аккумуляции. В почвах, развивающимися под лесными фитоценозами, значения рН уменьшаются с глубиной.

Состав | К | N3 | Са | М*> | Ре | А1 | Р | | в | сумма | N

хвойные насаждения

ель хвоя 154,40 7,90 167,03 28,36 3,15 37,82 52,00 40,97 25,21 516,84 н/о

ветви 189,28 7,28 302,12 50,96 3,64 69,16 50,96 21,84 40,04 735,28 н/о

ствол 130,97 7,28 320,14 36,68 7,28 29,10 43,66 14,55 21,83 611,49 н/о

сумма 474,65 22,46 789,29 116,00 14,07 136,08 146,62 77,36 87,08 1863,61 н/о

смешанные насаждения

ель хвоя 190,90 7,60 185,30 41,60 1,90 37,80 45,40 39,70 34,00 584,20 н/о

ветви 209,70 4,40 384,40 52,40 4,40 70,40 56,80 17,50 43,70 843,70 н/о

ствол 141,70 8,90 407,40 53,10 8,90 17,70 26,60 8,90 35,40 708,60 н/о

дуб листья 1,00 0,01 0,90 0,20 0,02 0,02 0,08 0,40 0,06 2,69 н/о

ветви 3,40 0,20 7,60 0,50 0,10 0,10 0,60 0,20 0,50 13,20 н/о

ствол 1,10 0,08 5,10 0,40 0,02 0,08 0,60 0,08 0,50 7,96 н/о

клен листья 2,30 0,01 4,80 0,80 0,04 0,20 0,70 2,30 0,30 11,45 н/о

ветви 10,90 0,20 21,60 1,40 0,10 0,10 2,70 0,70 2,70 40,40 н/о

ствол 6,60 0,10 25,60 2,00 0,20 0,20 2,70 0,50 2,50 40,40 н/о

сумма 567,60 21,50 1039,70 125,4С 15,58 126,60 135,58 70,28 197,36 2252,6 н/о

широколиственные насаждения

дуб листья 2,87 0,01 3,00 0,66 0,05 0,08 0,38 0,99 0,25 8,29 н/о

ветви 8,88 0,34 24,47 1,01 0,17 0,17 1,51 0,84 2,01 39,40 н/о

ствол 4,18 0,26 15,14 0,78 0,08 0,23 2,09 0,52 2,09 25,37 н/о

клен листья 11,22 0,05 20,21 4,23 0,31 0,72 2,40 11,02 1,84 52,00 н/о

ветви 54,67 1,61 89,51 4,82 0,54 1,07 15,01 2,14 17,15 186,52 н/о

ствол 18,52 0,62 104,96 7,20 1,03 1,03 16,46 1,03 8,21 159,06 н/о

сумма 100,34 2,59 257,29 18,70 2,18 3,30 37,85 16,54 31,55 470,64 н/о

многолетние травы

злаки 77,38 1,74 19,13 15,21 1,30 1,30 28,69 н/о 3,91 148,66 10,43

бобовые 5,50 0,19 4,70 1,11 0,04 0,04 1,45 н/о 0,53 13,56 5,20

разнотравье 5,35 0,12 3,90 2,78 0,12 0,06 2,56 н/о 0,32 15,21 2,59

сумма 88,23 2,05 27,73 19,10 1,46 1,40 32,70 н/о 4,76 177,43 18,22

пшеница (1998г.)

зерно 9,62 0,39 0,59 2,36 0,18 0,04 9,23 1,82 0,59 24,81 35,59

солома 27,99 0,55 6,37 1,39 0,55 0,19 6,65 8,03 1,94 53,67 4,57

колос 0,45 0,01 0,10 0,02 0,01 0,01 0,26 0,02 0,03 0,89 0,58

полова 3,38 0,14 0,42 0,38 0,38 0,04 1,83 0,44 0,09 7,11 4,45

сумма 41,44 1,09 7,48 4,15 1,12 0,28 17,97 10,31 2,65 86,48 45,19

ячмень (2000г.)

солома 52,30 1,57 18,09 7,08 0,79 0,79 18,48 15,33 1,97 116,40 35,78

полова 13,89 0,28 1,42 5,95 0,28 0,28 11,05 3,97 0,85 37,97 53,28

зерно 6,96 0,13 1,91 0,92 0,07 0,13 3,55 1,25 0,33 15,25 9,46

сумма 73,15 1,98 21,42 13,95 1,14 1,20 33,08 20,55 3,15 169,62 62,74

Таблица 4. Возврат элементов с опадом, 1999г., кг/га

Состав К Ыа Са м8 Ие А1 Р Б сумма

хвойные насаждения

ель хвоя 0,75 0,12 5,80 0,75 0,12 1,31 1,25 1,50 0,31 11,91

ветви 0,08 0,01 0,30 0,05 0,01 0,07 0,05 0,03 0,04 0,64

сумма 0,83 0,13 6,10 0,80 0,13 1,38 1,30 1,53 0,35 12,55

смешанные насаждения

ель хвоя 3,51 0,12 3,47 0,97 н/0 0,73 0,73 0,93 0,48 10,94

ветви 0,08 0,01 0,23 0,03 н/о 0,04 0,03 0,02 0,03 0,47

дуб листья 0,44 0,01 0,52 0,12 н/о 0,01 0,01 0,23 0,01 1,35

ветви 0,03 0,01 0,08 0,01 н/о 0,01 0,01 0,01 0,01 0,17

клен листья 0,52 0,01 1,47 0,34 н/о 0,05 0,19 0,83 0,12 3,53

ветви 0,04 0,01 0,09 0,01 н/о 0,01 0,01 0,01 0,02 0,20

сумма 4,62 0,17 5,86 1,48 н/о 0,85 0,97 2,03 0,67 16,66

широколиственные насаждения

дуб листья 7,99 0,07 9,58 0,50 0,07 0,22 0,86 2,95 0,58 22,82

ветви 0,93 0,02 2,13 0,11 0,02 0,02 0,11 0,11 0,14 3,59

клен листья 3,02 0,03 5,16 1,07 0,06 0,17 0,67 3,25 0,44 13,87

ветви 1,03 0,01 1,03 0,08 0,01 0,01 0,30 0,05 0,32 2,84

сумма 12,97 0,13 17,90 1,76 0,16 0,42 2,91 6,36 1,48 43,12

Содержание обменных и водорастворимых форм Са и М^ максимально в гумусоаккумулятивных горизонтах и с глубиной уменьшается до значений, свойственных почвообразующей породе. Потенциальная кислотность под лесными фитоценозами увеличилась. Под хвойными насаждениями максимум обменной кислотности приходится на гумусоаккумулятивный горизонт. Изменение показателей почвенной кислотности обусловлено разными причинами: величина рН увеличивается в результате образования бикарбоната кальция, поступающего с техногенной пылью, обменная кислотность увеличивается в почвах, где трансформация опада приводит к образованию кислых продуктов. Значения ЕКО в молодых почвах зависят от содержания органического вещества. Максимальные величины свойственны горизонтам гумусонакопления, с глубиной значения ЕКО резко уменьшаются. В почвах пара, где нет растительного покрова и содержится мало органического вещества, ЕКО практически не изменилось. ППК суглинка был на 94% насыщен обменными основаниями.

Качественный состав гумуса почв, формирующихся под разной растительностью, различен (Савельев, 2001). В почвах под хвойными фитоценозами отношение Сгк/Сф„ составляет 0,38, что на 0,3 единицы меньше, чем под широколиственным фитоценозом и на 0,4 единицы меньше, чем под многолетними травами.

Таблица 5. Некоторые химические свойства почв лизиметров

(Савельев,2001).

Лизи метр Горизонт, глуб., см рН водн. рН СОЛ. С общ. С вод. Са+М% вод. обменные катионы гидр, кисл. ЕКО станд. Степень насыщ. ПГ1К,%

% Са2+ мё2+ Н++А13 +

мг-экв/100г

П 0-5 6,78 5,15 0,38 — 0,47 13,35 5,08 0,05 1,18 17,08 94

10-15 6,65 5,25 0,25 — 0,38 12,35 5,08 0,07 1,48 13,12 92

Е АЗ-6 5,98 5,00 3,26 0,05 0,58 15,64 4,88 0,78 4,20 25,00 83

6-11 5,64 4,93 1,02 — 0,30 13,05 5,47 0,23 3,02 17,58 86

11-16 5,20 4,40 0,39 — 0,22 11,75 5,48 0,36 3,27 19,31 84

16-21 5,18 4,90 0,26 — 0,20 10,66 5,18 0,62 3,62 16,09 81

ЕДК АЗ-6 6,24 5,65 2,93 0,04 0,20 12,95 4,58 0,50 3,36 22,03 84

6-11 5,53 5,21 0,73 — 0,10 11,55 5,28 0,29 3,76 18,07 82

11-16 5,13 4,98 0,30 — 0,12 11,25 5,18 0,47 3,64 12,87 82

16-21 5,26 4,70 0,20 — 0,12 11,16 4,58 0,41 3,19 16,59 83

ДК А 1-5 6,30 5,85 6,10 0,06 0,90 20,91 5,38 0,13 4,23 35,75 86

5-10 5,03 4,70 0,60 — 0,32 10,86 4,68 0,45 3,35 14,79 82

10-15 5,13 4,73 0,29 — 0,35 10,46 4,88 0,53 4,00 15,29 79

15-20 4,90 4,35 0,19 — 0,24 8,77 5,08 0,82 3,91 14,79 78

МТр А11 0-5 6,15 5,30 2,10 0,03 0,47 13,35 4,88 0,10 2,86 21,94 86

5-10 5,88 5,08 0,56 — 0,31 12,35 4,58 0,11 2,45 15,04 87

0-15 6,00 5,30 0,35 — 0,29 10,96 4,98 0,11 2,31 15,04 87

15-20 6,18 5,40 0,27 — 0,27 12,25 4,98 0,12 2,22 15,04 89

С/Х 0-5 — — 0,64 — 0,32 12,05 4,48 0,08 2,22 17,26 88

10-15 — — 0,53 — 0,25 12,45 4,38 0,09 2,39 15,29 88

покровный суглинок 5,45 5,18 0,11 ... 0,16 9,56 4,98 0,12 2,71 14,54 84

В составе гуминовых и фульвокислот под хвойными насаждениями преобладает фракция ФКЗ (19,3% от общего углерода, Савельев, 2001; рисунок 3). Доля гумусовых кислот, находящихся в свободной форме, невелика (ФК1 - 6,3%). Гуминовые кислоты, связанные с кальцием, содержатся в минимальном количестве. Значения оптической плотности гуминовых кислот изменяются в пределах 0,01 - 0,04. это свидетельствует о сильно развитой алифатической части молекулы ГК. Величины такого порядка характерны для подзоны подзолистых почв средней тайги (Орлов и др., 1996).

50 40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

Рисунок 3. Групповой и фракционный состав гумуса почв лизиметров (по данным Савельева, 2001, % от общего углерода.

Отмеченные особенности гумуса почв лизиметров, вероятно, объясняются природой гуминовых кислот: БГК очень слабо взаимодействуют с Са2+ и отдают его в раствор при действии воды. Это обусловливает низкое содержание ПС2 на фоне обильного поступления Са2+ с пылью; сумма фракций гуминовых кислот занижена по сравнению с дерново-подзолистыми почвами, что наиболее заметно в почве под еловыми насаждениями. Содержание фульвокислот не отличается от такового в зональных почвах (31,7%).

Биологический круговорот в смешанных насаждениях. Сообщества, представленные смешанными породами (ель, дуб, клен), также имеют свои особенности. Они создают большую, чем чисто еловые насаждения, фитомассу (156,26 против 124,92т/га) (рисунок 1). При этом если фитомасса ели в 1999 по сравнению с 1972 г. значительно увеличилась (с 37,79 до 151,15т/г), то фитомасса широколиственных пород (дуба и клена) уменьшилась с 17,88 до 1,44т/га (дуб) и с 25,03 до 3,67 т/га (клен). Таким образом, доля лиственных пород в фитомассе в 1999г. составила всего 4%. Это связано с резким уменьшением количества лиственных пород, произрастающих на лизиметрах, вследствие подавления их елью в процессе развития.

Количество опада в смешанных насаждениях сопоставимо с таковым в хвойных и составило 5,73ц/га в 1999г (рисунок 2). В опаде преобладает хвоя ели (70,3%), в значительно меньших количествах находятся листья дуба и клена (22,2%). Ветви ели и лиственных пород составляют всего 7,5% от всего опада. Так же как и на лизиметрах с еловыми насаждениями, в количестве опада наблюдаются заметные колебания, хотя наблюдается тенденция к увеличению массы опада.

Структурные части древесных пород, произрастающих на лизиметрах, имеют в целом повышенную зольность, нежели аналогичные в естественных

условиях, и отличаются повышенным содержанием кальция. Содержание кальция, магния, калия и общее содержание зольных элементов выше в фитомассе широколиственных пород, нежели в ели (таблица 1). Сумма зольных элементов во всех структурных частях клена выше, нежели у дуба, что характерно и для естественных растительных сообществ (Ремезов, 1959). При этом соотношение в накоплении зольных элементов в породах, произрастающих на лизиметрах, близко к естественным фитоценозам.

Соотношение элементов в опаде смешанных насаждений близко к таковому для хвойных (таблица 2). Больше всего во всех частях опада, также как и в надземной фитомассе, содержится кальция и калия.

Запасы зольных элементов в надземной фитомассе смешанных насаждений составляют 2252 кг/га (таблица 3), что несколько больше, чем в хвойных (1863 кг/га), причем больше всего элементов накапливается в ели. Наибольшая емкость 1фуговорота характерна для смешанных растительных сообществ, что является следствием их большей фитомассы, возможно, из-за лучших условий произрастания ели при участии широколиственных пород. Так же, как и на лизиметрах с хвойными насаждениями, больше всего элементов накапливается в ветвях, затем в стволах и в хвое и листьях. Среди зольных элементов больше всего накапливается кальций и калий. С опадом возвращается 16,66 кг/га зольных элементов (таблица 5), причем большая часть элементов возвращается с хвоей ели. Ряд накопления для смешанного леса: Са>К>8>Р>А1>М§>81>Ыа>Ре. Тип круговорота серно-калиево-кальциевый.

Почвы под хвойным и смешанным лесом весьма схожи между собой вследствие того, что в процессе развития модельных экосистем ель в смешанных насаждениях практически полностью вытеснила лиственные породы, из-за чего уменьшилась густота посадок, а видовой состав фитоценоза стал мало отличаться от исходно однородных посадок ели.

Биологический круговорот в широколиственных насаждениях. Широколиственные породы в лизиметрическом эксперименте создают наименьшую фитомассу (21,18 т/га) (рисунок I), причем фитомасса клена в несколько раз превышает фитомассу дуба (16,65 и 4,54 т/га соответственно). Наибольшую фитомассу создают стволы деревьев, затем ветви и листья. С 1972 г. надземная фитомасса увеличилась незначительно, что связано, с одной стороны, с ростом деревьев и, соответственно, увеличением их массы, с другой -значительным выпадением деревьев. В естественных условиях запасы фитомассы 48-летних дубрав составляют 260 т/га (Ремезов, 1959). Накопление фитомассы в этих сообществах отличается от хвойных лесов. Максимальную фитомассу в естественных условиях они накапливают к 40 годам, при этом количество деревьев сокращается с 8500 до 1500 на 1 га. В изучаемых сообществах лизиметров в

расчете на 1 га приходится 34430 деревьев. По своим лесотаксационным характеристикам эти насаждения, так же, как и хвойные, и смешанные, не соответствуют низкобонитетным широколиственным лесам. За время проведения эксперимента количество опада в широколиственных насаждениях колебалось от 7,3 до 13,0 ц/га (рисунок 2). Несмотря на значительные колебания массы опада, имеет место тенденция к ее увеличению вследствие возрастания доли ветвей дуба и клена в общей фитомассе (от 0,7% в 1976г. до 21,7% в 1999г.). Масса листового опада не обнаруживает закономерных изменений в зависимости от возраста древостоя. Несравненно большее влияние оказывают природные условия разных лет. В составе опада преобладают листья клена (до 56%).

В химическом составе растений широколиственных пород выявляются такие же, как и для хвойных пород закономерности (таблица 1). Наибольшее количество элементов содержится в листьях, наименьшее — в древесине. Из элементов, как и в хвойных и смешанных насаждениях, больше всего накапливается кальций (1,46% в ветвях дуба, 2,02% - в листьях клена). Еще более высокая по сравнению с хвойными породами зольность — характерная черта широколиственных пород. При этом все структурные части клена по сравнению с дубом богаче зольными элементами, что характерно и для естественных растительных сообществ.

В опаде широколиственных насаждений больше всего содержится кальция (1,78% в листьях клена, 1,33% в ветвях дуба) и калия (1,11% в листьях дуба, 1,04% в листьях клена) (таблица 2).

Запасы зольных элементов в надземной фитомассе широколиственных насаждений значительно меньше, чем в хвойных и смешанных и составляет всего 397,6 кг/га(таблица 3). Но данный факт - лишь следствие малой фитомассы сообщества. Преобладающая часть элементов содержится в растениях клена (397,6 против 73,06 кг/га у дуба). В наибольших количествах накапливаются кальций и калий. В естественных лесах масса аккумулируемых зольных элементов в дубравах соответствующего возраста составляет около 2000 кг/га. Ряд накопления для широколиственного леса: Са>К>Р>8>М§>81>А1>Ка>Ре. Тип круговорота фосфорно-калиево-кальциевый.

Количество возвращаемых с опадом элементов в условиях лизиметров, занятых широколиственными насаждениями (43,1 кг/га) (таблица 4), существенно превышает таковое в еловом сообществе, хотя масса поступающего опада (13 ц/га) в широколиственном и еловом сообществах отличается не столь существенно. Это говорит о более высокой интенсивности круговорота зольных элементов. При этом по сравнению с хвойными и смешанными насаждениями возвращается в 2 — 3 раза больше таких элементов, как кальций, калий, фосфор. Богатство опада зольными элементами должно обуславливать его интенсивное разложение и образование при

гумификации в значительном количестве устойчивых органо-минеральных соединений, что, в свою очередь, должно привести к повышению емкости обмена и более полной насыщенности почв основаниями (Орлов и др., 1996).

Профиль почвы, сформировавшейся под широколиственным лесом, несколько отличается от такового под хвойным и смешанным лесом. Он разделяется на горизонт подстилки (0-1 см), состоящий из листьев дуба, клена, и минеральный горизонт А (1 — 5 см) - серый суглинок, переплетенный корнями травянистой растительности, развивающейся в нижнем ярусе. В данной почве содержится максимальное количество органического углерода по сравнению с почвами под другими типами растительности (6,10%) (таблица 5). Данный фитоценоз характеризуется максимальной величиной опада по сравнению с другими лесными сообществами. Высокое содержание органического углерода обусловлено тем, что в гумусовом горизонте содержатся органические остатки средней степени разложенности. По сравнению с 1989г. количество органического вещества выросло более чем в 5 раз (1,10%, против 6,10%,). В гумусоаккумулятивном горизонте отмечается увеличение pH про сравнению с исходной породой (6,30 и 5,45 соответственно), что обусловлено накоплением Са2+ в результате пылевого загрязнения и биологической аккумуляции. Значения ЕКО в молодых почвах зависят от содержания органического вещества. Максимальная величина свойственна горизонту гумусонакоиления, с глубиной значения ЕКО резко уменьшаются.

В почвах под широколиственными насаждениями отношение С|к/Сфк составляет 0,63 (рисунок 3), что на 0,3 единицы больше, чем под хвойными насаждениями и на 0,1 единицы меньше, чем под многолетними травами. В составе гуминовых и фульвокислот преобладает фракция, прочно связанная с полуторными оксидами и глинистыми минералами: доминирует ФКЗ (17,3% от общего углерода). Доля гумусовых кислот, находящихся в свободной форме, невелика (ФК1 - 7,4%). Гуминовые кислоты, связанные с кальцием, содержатся в минимальном количестве.

Глава 6. Биологический круговорот на лизиметра«, занятых многолетними травами. В результате анализа данных по надземной фитомассе за годы наблюдения (1982 - 1999 г.г.) можно сделать вывод, что многолетние травы лизиметрического опыта характеризуются высокой урожайностью (средняя - 53,42 ц/га, рисунок 1) и в целом по этому показателю превосходят естественные фитоценозы. Эти показания несколько выше, чем средние данные за первые 12 лет наблюдения (44 ц/га). Тенденция увеличения биологической продуктивности в травяных сообществах лизиметров с годами может быть связана с улучшением условий минерального питания растений, связанных с обогащением верхнего слоя почвогрунта биофильными элементам, поступившими туда в результате

биологического круговорота элементов. Выявленные некоторые, иногда значительные (29,17 - 92,14 ц/га) флуктуации продуктивности многолетних трав -явление, нередкое для луговых сообществ.

На лугах от года к году происходят значительные изменения их урожайности и количественного соотношения видов, образующих луговые фитоценозы. Причины разногодичной изменчивости луговых фитоценозов связаны с различиями в метеорологических и гидрологических условиях различных лет; особенностями жизненного цикла некоторых компонентов луговых фитоценозов; колебаниями численности фитофагов и фитопаразитов; различиями в форме и интенсивности воздействия человека. Как правило, в естественных луговых сообществах при этом флористический состав меняется незначительно, однако соотношение компонентов травостоя может измениться довольно сильно. Изучение зольного состава групп растений (злаков, бобовых и разнотравья) позволяет сделать вывод о том, что основные особенности зольного состава растений, произрастающих на лизиметрах, в целом совпадают с таковыми у растений в естественных биогеоценозах (Гришина, 1974) (таблица 1). В злаках наблюдается повышенное содержание калия и относительно низкое содержание кальция. В бобовых и кальций, и калий содержатся в больших количествах. То же можно сказать и о немногочисленной группе разнотравья. Наблюдаемые различия в" зольном составе одних и тех же групп растений в разные годы может объясняться флуктуациями в видовом составе травостоя. Химический состав фитоценозов является функцией двух величин: количественного видового состава фитоценоза и химического состава каждого вида. Обе эти величины изменяются во времени независимо друг от друга. С годами общее количество элементов, вовлекаемых в биологический круговорот возрастает, т.е. прослеживается тенденция к увеличению емкости биологического круговорота (таблица 3). Так, в 1986 г. при урожае трав 50,71 ц/га общее количество элементов, вовлекаемых, по нашим расчетам, в круговорот надземной частью лугового сообщества, составляло 135,25 кг/га, а в 1999 г. при урожае 50,2 ц/га в круговорот было вовлечено 177,43 кг/га зольных элементов. При этом больше всего в фитомассе накапливаются калий, кальций и фосфор. Ряд накопления для многолетних трав: К>Р>Са>1^>М>8>№>Ре>А1. Тип круговорота кальциево-фосфорно-калиевый.

Таким образом, увеличение зольности произрастающих на лизиметрах растений и, соответственно, увеличение емкости биологического круговорота, возможно, связано с повышением концентрации питательных элементов в верхнем слое почвогрунта вследствие их биогенного накопления.

В процессе почвообразования под многолетними травами сформировался дерновый горизонт Аа (0 - 5 см), серый, густо переплетенный корнями. Глубже встречаются серые затеки органического вещества по ходам корней на желтовато-

буром фоне суглинка. Вследствие особенностей корневых систем травянистой растительности, переход к неизмененной почвообразованием породе здесь более постепенный по сравнению с лесными фитоценозами (таблица 5). В данной почве содержание органического вещества меньше, чем под лесными фитоценозами. С 1989г. его количество уменьшилось на 1% (2,10% в настоящее время против 3,18% в 1989г., (Герасимова и др.), вероятно вследствие изменения видового состава травостоя. Первоначально травосмесь состояла из 60% злаков и 40% бобовых. В настоящее время злаки абсолютно доминируют, вследствие чего изменился состав поступающего в почву органического вещества. Кроме того, органическое вещество под луговым фитоценозом наиболее доступно для микроорганизмов. В гумусоаккумулятивном горизонте отмечено увеличение рН по сравнению с исходной породой (6,15 и 5,45 соответственно). Почва под многолетними травами не дифференцирована по данному показателю. Содержание обменных и водорастворимых форм Са2+ и М§2+, как и в лесных фитоценозах, максимально в гумусоаккумулятивных горизонтах и с глубиной уменьшается до значений, свойственных почвообразующей породе. Под многолетними травами потенциальная кислотность не изменилась. Обменная кислотность одинакова по всему профилю.

В почвах под многолетними травами отношение Сгк/Сфк составляет 0,78 (рисунок 3), что на 0,4 единицы больше, чем под хвойными насаждениями и на 0,1 единицы больше, чем под широколиственными насаждениями. В составе гуминовых и фульвокислот преобладает фракция, прочно связанная с полуторными оксидами и глинистыми минералами: доминирует ГКЗ (17,7% от общего углерода). Доля гумусовых кислот, находящихся в свободной форме, невелика (ФК1 — 11,5%). Гуминовые кислоты, связанные с кальцием, содержатся в минимальном количестве.

Глава 7. Биологический круговорот на лизиметрах с сельскохозяйственными культурами. С 1972 года сельскохозяйственные культуры включены в девятипольный севооборот, объединяющий зерновые (пшеница, овес, рожь, ячмень) и пропашные (картофель) культуры, чередующиеся с многолетними травами. Под все культуры ежегодно вносились минеральные удобрения.

Особенности биологического круговорота на посевах пшенииы. Рассматривая некоторые особенности биологического круговорота на лизиметрах с сельскохозяйственными культурами, на наш взгляд следует более подробно остановиться на особенностях биологического круговорота на посевах пшеницы, которая за время эксперимента высевалась на лизиметрах чаще остальных культур.

Урожай пшеницы учитывали по струкгурным частям (зерно, солома, колос, полова). За время наблюдений средний урожай зерна составил 15 ц/га, общая

надземная фитомасса - 52,5 ц/га (рисунок 1), что примерно соответствует средним показателям по дерново-подзолистым почвам, интенсивно используемым в сельском хозяйстве с внесением нормальных доз удобрений и извести (Левин, 1965). С 1977 по 1998 год урожайность зерна увеличилась с 9,79 до 19,64 ц/га, а общая надземная фитомасса - с 42,98 до 52,56 ц/га. Однако на общем фоне увеличения надземной фитомассы пшеницы можно отметить, что год от года биологическая продуктивность культуры имела некоторые флуктуации. Они могут быть связаны с несколькими причинами: во-первых, за время проведения эксперимента высевалось три сорта яровой пшеницы, отличающиеся продуктивностью; во-вторых, изменение климатических условий служит дополнительным фактором, влияющим на величину продуктивности; в-третьих, дополнительным стимулом к увеличению биологической продуктивности у сельскохозяйственных культур является применение удобрений. Однако бесспорным является тот факт, что общая продуктивность пшеницы в условиях лизиметрического опыта за последние годы (1997, 1998) имеет тенденцию к стабилизации. Это может свидетельствовать о том, что в почве созданы стабильные условия для поддержания определенного уровня биологической продуктивности.

Содержание зольных элементов в отдельных частях растений различно (таблица 1). Известно, что ряды накопления элементов для различных структурных частей одинаковы независимо от места произрастания растения. Общие закономерности накопления зольных элементов растениями пшеницы в лизиметрическом эксперименте в целом совпадают с литературными данными для полевых агроценозов (Бобрицкая,1958). В зерне пшеницы в наибольших количествах содержится азот (до 1,81%), затем калий (0,26 - 0,53%) и фосфор (0,4 - 0,47%). Для пшеницы также отмечены значительные колебания по годам как суммарного количества зольных элементов, так и содержания некоторых из них. В конечном итоге, мы все-таки можем говорить о тенденции увеличения с годами содержания зольных элементов в растениях яровой пшеницы. Наблюдая тенденцию увеличения содержания зольных элементов в растениях, можно предположить, что за годы опыта произошло обогащение верхних слоев почвы питательными элементами за счет естественных процессов накопления биогенных элементов, повлекшее за собой увеличение содержания этих элементов в растениях.

Полученные нами характеристики не отражают полной картины круговорота элементов, так как в силу специфики эксперимента мы могли оценить накопление элементов только в надземной части растений. Но, по неполным данным, изученные сообщества вовлекают в круговорот до 196 кг/га зольных элементов и до 45 кг/га азота (таблица 3). Причем величина общего количества

вовлекаемых в круговорот элементов с годами также имеет тенденцию к увеличению. Причины этого связаны с повышением зольности растений и, в меньшей степени, с увеличением продуктивности изученных сообществ. Исходя из этого, можно предположить, что за годы проведения эксперимента произошло обогащение верхних слоев почвы питательными элементами за счет естественных процессов накопления биогенных элементов, повлекшее за собой увеличение содержания этих элементов в растениях. Ряд накопления для пшеницы: Ь[>К>Р> 8"1>Са>М£>8> >Ре>Ма>А1. Тип круговорота фосфорно-калиево-азотный.

Следует подчеркнуть, что формирование сообщества при посевах пшеницы на не затронутом почвообразованием покровном суглинке не приводит к изменению соотношения между зольными элементами в растениях по сравнению с аналогичными сообществами на развитых почвах. По мере развития фитоценоза запасы зольных элементов в растениях возрастают главным образом за счет увеличения их содержания.

Особенности биологического круговорота на посевах других сельскохозяйственных культур. Кроме пшеницы, на лизиметрах также высевались следующие сельскохозяйственные культуры: гречиха, люпин однолетний + рожь озимая, рожь озимая, овес, многолетние травы, картофель, ячмень яровой, люпин однолетний, овес + многолетние травы.

Средний урожай зерна озимой ржи составил 26,91 (общая надземная фитомасса - 71,02), овса — 20,38 (надземная фитомасса - 61,11), ячменя - 29,45 ц/га (надземная фитомасса - 69,29 ц/га), что, как и в случае с яровой пшеницей, примерно соответствует средним показателям по дерново-подзолистым почвам, интенсивно используемым в сельском хозяйстве с внесением нормальных доз удобрений.

Из-за малого количества лет наблюдения за отдельными сельскохозяйственными культурами невозможно сделать какой-либо определенный вывод о закономерностях динамики урожайности данных культур. Однако, как и в случае с пшеницей, можно отметить тот факт, что общая продуктивность сельскохозяйственных культур в условиях лизиметрического опыта имеет тенденцию к стабилизации несмотря на разные дозы вносимых удобрений. Это может свидетельствовать о том, что в почве созданы стабильные условия для поддержания определенного уровня биологической продуктивности.

Ряды накопления элементов для различных структурных частей растений одинаковы независимо от места произрастания растения. Общие закономерности накопления зольных элементов растениями, высеваемыми на лизиметрах, в целом совпадают с литературными данными для полевых агроценозов (таблица 1).

Изученные нами сообщества вовлекают до 169 кг/га зольных элементов и до 99 кг/га азота в посевах зерновых культур и до 350 кг/га зольных элементов в

посадках картофеля. В посевах ячменя больше всего вовлекается калия (до73) и фосфора (до 33 кг/га); в посевах ржи - калия (до 51) и кремния (до 46 кг/га); в посевах овса - также калия (до 56) и кремния (до 55 кг/га). В посадках картофеля -калия (до 260 кг/га).

Причем, как и в посевах пшеницы, можно говорить об увеличении с годами количества вовлекаемых в круговорот элементов, что, по-видимому, является следствием обогащения верхних слоев почвы питательными элементами за счет естественных процессов накопления биогенных элементов. Причины этого связаны с повышением зольности растений и, в меньшей степени, с увеличением продуктивности изученных сообществ.

Почва, сформировавшаяся под агроценозом, не дифференцирована на горизонты из-за ежегодной перекопки лизиметров. В данной почве содержание органического вещества наиболее низкое из всех почв лизиметров (таблица 5). На данных лизиметрах источники поступления органического вещества невелики, т.е. отсутствует постоянная растительность на поверхности почвы. По сравнению с 1989г. количество органического вещества увеличилось незначительно: ранее оно составляло 0,31%. Содержание обменных и водорастворимых форм Са2+ и М§2+, как и в лесных и в травяных фитоценозах, максимально в гумусоаккумулятивных горизонтах и с глубиной уменьшается до значений, свойственных почвообразующей породе.

Выводы.

1). Древесные растительные сообщества, произрастающие в условиях насыпных лизиметров, существенно отличаются по таксационным характеристикам от естественных растительных сообществ: несмотря на сопоставимые показатели надземной фитомассы, все древесные насаждения почвенных лизиметров не соответствуют даже низкобонитетным лесам.

2). Древесные насаждения и многолетние травы лизиметров имеют повышенную зольность (примерно в 1,4 раза для деревьев и 1,2 раза для трав) по сравнению с естественными насаждениями (особенно повышенное содержание кальция), что может быть связано с тем, что лизиметрический эксперимент проводится в черте города, где имеет место привнос кальция и других зольных элементов с пылью и осадками как в почву, так и на поверхность растений.

3). Наибольшее количество зольных элементов в насаждениях лизиметров накапливается в ветвях деревьев (тогда как в естественных насаждениях - в стволах), что связано с очень высокой плотностью насаждений и необычайно большой долей массы ветвей.

4). Наибольшая емкость круговорота характерна для смешанных древесных растительных сообществ, что является следствием большей их фитомассы.

5). Возврат наибольшего количества химических элементов с опадом отмечен в широколиственных сообществах, что соответствует более высокой зольности опада, несмотря на меньшую его массу.

6). Общая продуктивность сельскохозяйственных культур, произрастающих на лизиметрах, имеет тенденцию к стабилизации, что может свидетельствовать о том, что в почве созданы стабильные условия для поддержания определенного уровня биологической продуктивности.

7). С годами имеет место увеличение содержания зольных элементов в сельскохозяйственных растениях, что, по-видимому, является следствием обогащения верхних слоев почвы питательными .элементами за счет естественных процессов накопления биогенных элементов, повлекшее за собой увеличение содержания этих элементов в растениях.

8). Формирование растительных сообществ на не затронутом почвообразованием покровном суглинке не приводит к изменению соотношений между зольными элементами в растениях по сравнению с такими же сообществами, сформированными на естественных почвах, и имеют аналогичные с таковыми типы биологического круговорота.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Золотарев Г.В., Владыченский A.C., Ульянова Т.Ю. Особенности биологического круговорота в модельных биогеоценозах почвенных лизиметров.//Тезисы докладов III Докучаевского общества почвоведов (11-15 июля 2000 г., г.Суздаль). М.: 2000, кн. 3, стр.196.

2. Владыченский A.C., Золотарев Г.В., Герасимова JI.B. Некоторые особенности биологического круговорота в модельных экосистемах почвенных лизиметров.//Тезисы 1-ой Всероссийской конференции "Лизиметрические исследования почв" (6—10 июля 1998 г., г.Москва). М.: 1998, стр. 94 - 95.

3. Владыченский A.C., Ульянова Т.Ю., Золотарев Г.В. Некоторые показатели биологического круговорота в модельных растительных сообществах почвенных лизиметровУ/Вестн. моек, ун-та, сер. 17 почвоведение, 2000, №3, стр.20-27.

4. Владыченский A.C., Ульянова Т.Ю., Золотарев Г.В. Некоторые показатели биологического круговорота и продуктивности в модельных агроценозах почвенных лизиметров.//НегЬа: Moscow Electronic Botanical Journal (Электрон, ресурс)- 1998 - Режим доступа: http://herba.msu jii/mssian^oumals/herba/6/index.htm

5. Золотарев Г.В. Некоторые особенности биологического круговорота в модельных агроценозах почвенных лизиметров (на примере пшеницы).//Тезисы VI международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-99" (20-23 апреля 1999 г., Москва). М.: изд-во Моск. ун-та, 1999, стр. 46-47.

6. Золотарев Г.В. Некоторые показатели биологического круговорота в посевах пшеницы на насыпных лизиметрах.//Тезисы докладов Всероссийской молодежной научной конференции "Растение и почва" (6-10 декабря 1999 г., Санкт-Петербург). СПб.: НИИ химии СпбГУ, 1999, стр. 90-91.

7. Золотарев Г.В. Биологический круговорот на насыпных лизиметрах, занятых древесной растителыюстью.//Доклады Международного экологического форума "Сохраним планету Земля" (1-5 марта, Санкт Петербург). СПб.: Центральный музей почвоведения им. В.В.Докучаева, 2004, стр.404 — 408.

Подписано в печать 27.10.2006 Формат 60x88 1/16. Объем 1.75 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 546 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Золотарев, Геннадий Викторович

Введение.

Актуальность темы.

Цели и задачи исследования.

Научная новизна.

Практическая значимость работы.

Апробация работы.

Глава 1 .Современное состояние проблемы.

Глава 2. Почвенные лизиметры.

Глава 3. Условия и факторы почвообразования Московской области.

Особенности почвообразования в г. Москве.

Глава 4. Объекты и методы исследования.

Глава 5. Биологический круговорот на лизиметрах, занятых лесными насаждениями.

Глава 6. Биологический круговорот на лизиметрах, занятых многолетними травами.

Глава 7. Биологический круговорот на лизиметрах, занятых сельскохозяйственными культурами.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Некоторые параметры биологического круговорота в модельных экосистемах почвенных лизиметров"

Актуальность темы.

Учение о биологическом круговороте элементов развивается на стыке нескольких дисциплин и неразрывно связано с почвоведением. Основы этого учения заложены в трудах Н.П.Ремезова, В.В.Вернадского, Б.Б.Полынова, В.В.Сукачева и других. Под биологическим круговоротом понимается совокупность следующих взаимосвязанных явлений: биохимический синтез и закрепление химических элементов в органическом веществе растений, превращение химических соединений в цепях питания микроорганизмов и животных, возврат элементов в атмосферу и почву в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах разложения органических остатков, новообразование почвенного органического вещества и его распад.

В последние годы концепция биологического круговорота как сложного полициклического процесса приобрела особую значимость. Это объясняется тем, что многие проблемы охраны окружающей среды, рационального использования агросистем, так или иначе, оказываются связанными с необходимостью изучения циклов важнейших биофильных элементов. Таким образом, динамика органического вещества наземных растительных сообществ, биологический круговорот зольных элементов и азота и поток энергии - важнейшие вопросы проблемы взаимоотношений между растительностью и почвой. По мнению В.А.Ковды (1973), создание живого вещества (биологическая продуктивность) - важнейшая функция биосферы и составляющих ее экосистем. Количество органического вещества, создаваемое продуцентами на единицу площади за единицу времени является фундаментальной характеристикой экосистемы. Для более глубокого понимания законов, управляющих процессами в биосфере, необходимо знать не только количественные и качественные показатели, характеризующие процессы создания живого вещества, но и пути его трансформации, превращения вещества и энергии в экосистемах, процессы обмена как между компонентами, так и экосистемами в целом.

Понять законы, управляющие биосферой, возможно лишь с помощью количественной и качественной оценки массы органического вещества, синтезируемого в биосфере. Без представления о величине биомассы и круговороте веществ в экосистеме невозможна классификация биогеоценотического покрова (Герасимов, 1985). Эти показатели помогают решить проблему устойчивости природных, природно-антропогенных и антропогенных экосистем и их адаптации к условиям существования (Одум, 1986).

Интенсивное антропогенное использование естественных экосистем, многообразие необратимых губительных последствий этих преобразований вызывает необходимость иметь представление о естественном ходе круговорота веществ, протекающих в экосистемах для более достоверного прогнозирования последствий антропогенных воздействий.

Необходимость представления о величине биомассы продукции, круговорота веществ в экосистемах для познания процессов, проходящих в биосфере и научного обоснования охраны и рационального использования ее ресурсов является, таким образом, общепринятым положением.

Исходя из всего вышесказанного, несомненный интерес представляет изучение особенностей биологического круговорота в условиях многолетнего эксперимента на открытых насыпных лизиметрах, который проводится с 1967г. Целью данного эксперимента является изучение начальных стадий почвообразовательного процесса на покровных суглинках под растительностью, характерной для подзоны южной тайги. Лизиметрический эксперимент обычно используют для наблюдения за объемом и химическим составом вертикального внутрипочвенного стока. Однако возможности данного эксперимента значительно шире, особенно в тех случаях, когда в распоряжении исследователя имеются лизиметрические установки больших размеров, фактически являющиеся моделями экосистем (и почв как их компонентов) с известными, в той или иной степени, параметрами функционирования. Изучение биологического круговорота в условиях лизиметрического эксперимента дает уникальную возможность сравнить основные показатели круговорота в различных растительных сообществах, начиная с момента формирования этих сообществ. Это сравнение позволяет оценить вклад каждого из сообществ в формирование почв.

Цели и задачи исследования.

Целью данного исследования является изучение основных параметров биологического круговорота на начальных стадиях почвообразовательного процесса, изменение данных параметров в ходе эксперимента с течением времени и изучение особенностей биологического круговорота в условиях данного эксперимента по сравнению с биологическим круговоротом в естественных фитоценозах.

Для достижения данных целей были поставлены следующие задачи:

1). Изучение динамики фитомассы растительных сообществ.

2). Изучение химического состава надземной фитомассы и опада, запасов элементов в надземной фитомассе и возврат элементов с опадом.

3 ^Количественная и качественные оценка основных параметров биологического круговорота (зольный состав надземной фитомассы, запасы элементов в надземной фитомассе, количественная характеристика растительного опада, зольный состав растительного опада, возврат элементов с растительным опадом).

Научная новизна.

В литературе практически нет данных о столь длительном и детальном изучении начальных стадий почвообразования в контролируемых условиях. Впервые исследована динамика основных параметров биологического круговорота с начальных стадий формирования биогеоценозов. Благодаря детерминированности условий почвообразования и формирования фитоценозов выявлено влияние на эти процессы отдельных факторов, в том числе обусловленных особенностями городской среды.

Практическая значимость работы.

Результаты диссертации могут быть использованы при рекультивации территорий (открытая добыча полезных ископаемых, отчуждение земель при строительстве дорожных магистралей), для решения лесокультурных и лесохозяйственных проблем (чистые и смешанные насаждения, рубки ухода и др.). Полученные данные содержат информацию о развитии почв городских территорий и их функциях в городской экосистеме и могут быть использованы при организации землепользования в городах и прогнозе эволюции городских почв и урбанизированных экосистем.

Апробация работы.

Результаты работы представлялись на 1-ой Всероссийской конференции "Лизиметрические исследования почв" (1998г.), VI международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-99", Всероссийской молодежной научной конференции 'Растение и почва" (1999г.), III Съезде Докучаевского общества почвоведов (2000г.), Международном экологическом форуме "Сохраним планету Земля" (2004 г.), на заседании кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ.

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Золотарев, Геннадий Викторович

Выводы.

4). Наибольшая емкость круговорота характерна для смешанных растительных сообществ, что является следствием большей их фитомассы.

7). С годами имеет место увеличение содержания зольных элементов в сельскохозяйственных растениях, что, по-видимому, является следствием обогащения верхних слоев почвы питательными элементами за счет естественных процессов накопления биогенных элементов, повлекшее за собой увеличение содержания этих элементов в растениях.

8). Формирование растительных сообществ на не затронутом почвообразованием покровном суглинке не приводит к изменению соотношений между зольными элементами в растениях по сравнению с такими же сообществами на развитых почвах и имеют аналогичные с таковыми типы биологического круговорота.

Заключение.

Лизиметрический опыт обычно используют для наблюдения за объемом и химическим составом вертикального внутрипочвенного стока. Однако возможности лизиметрического эксперимента значительно шире, в особенности в тех случаях, когда в распоряжении исследователя имеются лизиметрические установки больших размеров, фактически являющиеся моделями экосистем (и почв как их компонентов) с известными, в той или иной степени, параметрами функционирования. Именно такие лизиметры на Почвенном стационаре факультета почвоведения МГУ послужили объектом настоящего исследования. Основное внимание в работе было уделено, помимо изучения объема и состава внутрипочвенного стока, исследованию динамики параметров биологического круговорота и особенностям начального почвообразования. Изучение биологического круговорота в условиях лизиметрического эксперимента дало уникальную возможность сравнить основные показатели круговорота в различных растительных сообщества, начиная с момента формирования этих сообществ. Это сравнение позволяет оценить вклад каждого из сообществ в формирование почв.

Еловые растительные сообщества за период с 1972 по настоящее время увеличили запасы надземной фитомассы с 38 т/га до 125 т/га. Естественные еловые леса такого же возраста (40 лет) могут иметь меньшую надземную фитомассу (113 т/га по данным Н.П.Ремезова), но при этом количество деревьев на единице площади (5220 деревьев на 1 га) в них в 10 раз меньше, чем в сообществах лизиметров (52 тысячи на 1 га). В растительных сообществах лизиметров, так же как и в естественных сообществах, происходит самоизреживание, но не столь существенное, т.к. площадки занимают небольшие площади и деревья получают дополнительное освещение. За время существования абсолютная масса опада увеличилась с 4 ц/га до 8,18 ц/га. В естественных лесах такого же возраста опад составляет 20-30 ц/га в зависимости от местоположения и бонитета растительного сообщества.

Химический состав растений хвойных насаждений лизиметров имеет те же особенности, что и растений естественных сообществ. Наиболее высокое содержание зольных элементов присуще хвое, далее идут ветви, наименьшее количество в стволе. Характерной особенностью исследуемых еловых насаждений является повышенная зольность всех структурных частей (хвоя-3,28%, ветви- 2,02%, ствол -0,84%). При этом последовательность накопления элементов не имеет четко выраженных различий (Са и К абсолютно преобладают во всех структурных частях). Повышенная зольность в естественных насаждениях часто связана с видовыми особенностями растений. Южно-таежные сообщества по сравнению с сообществами северной тайги также отличаются повышенной зольностью.

Количество зольных элементов в надземной фитомассе елового сообщества составило 1863 кг/га; для естественных сообществ аналогичные показатели характерны только для очень молодых насаждений, а также для низкобонитетных лесов. В естественных еловых лесах наибольшее накопление всех элементов приходится на возраст 30-40 лет (2000-4000 кг/га).

С опадом эти растительные сообщества возвращают 17,4 кг/га зольных элементов. Это в 2,5 раза меньше, чем для естественных сообществ такого же возраста.

Сообщества, представленные смешанными породами (ель, клен, дуб) также имеют свои особенности. Они создают большую, чем чисто еловые насаждения, фитомассу (156,2 т/га). При этом прослеживается четкая тенденция к уменьшению с возрастом доли лиственных пород от 38%в 1972г. до 4% в 1999 г. Химический состав пород и их структурных частей не имеет четко выраженных особенностей, кроме отмеченной ранее повышенной зольности всех растений. Запасы элементов в фитомассе составляют 2252 кг/га. С опадом возвращается 16,61 кг/га зольных элементов (больше всего кальция).

Широколиственные породы в лизиметрическом опыте создают наименьшую фитомассу (211,9 ц/га). В естественных условиях запасы фитомассы 48-летних дубрав составляют 2608 ц/га. Ритм накопления биомассы с возрастом в этих сообществах отличается от хвойных лесов. Максимальную фитомассу в естественных условиях они накапливают к 40 годам, при этом количество деревьев сокращается с 8500 до 1500 на 1 га. В изучаемых сообществах лизиметров на 1 га приходится 31000 деревьев. По своим лесотаксационным характеристикам эти насаждения не могут соответствовать даже низкобонитетным широколиственным лесам.

В химическом составе растений широколиственных пород выявляются такие же, как и для хвойных пород, закономерности. Наибольшее количество элементов содержится в листьях, наименьшее в древесине. Еще более высокая по сравнению с хвойными породами зольность - характерная черта широколиственных пород. При этом все структурные части клена по сравнению с дубом богаче зольными элементами. Меньшие запасы химических элементов в надземной фитомассе - следствие лишь малой фитомассы сообщества. В естественных лесах масса аккумулируемых зольных элементов в дубняках соответствующего возраста около 2000 кг/га. Количество же возвращаемых с опадом элементов в условиях лизиметров (43,5 кг/га) существенно превышает таковое в еловом сообществе, хотя масса поступающего опада (12 ц/га) в широколиственном и еловом сообществе лизиметров отличается не столь существенно. Это является показателем более высокой скорости биологического круговорота в лизиметрах с широколиственными породами.

В отличие от древесных сообществ, травяные по показателям биологической продуктивности превосходят естественные фитоценозы (54 ц/га). Емкость биологического круговорота (179 кг/га) достаточно высокая по сравнению с аналогичными естественными сообществами, но значительно меньше, чем в древесных фитоценозах. При этом количество возвращаемых элементов существенно превышает аналогичные показатели изученных древесных сообществ лизиметров (Са -31 кг/га, К - 84 кг/га, Р 37 кг/га). Биологический круговорот элементов здесь имеет наибольшую скорость и интенсивность.

Отмеченные особенности биологического круговорота обусловили различный характер почвообразования и свойств почв в разных лизиметрах.

Начальные стадии почвообразования сопровождаются накоплением органического вещества. В результате этого становится возможной диагностика слаборазвитых почв, отсутствующих в отечественной классификации, с профилем типа АС-С и позднее О-А-АС-С. Первые морфологические изменения покровного суглинка (прокраска минеральной массы органическим веществом) относятся к середине второго десятилетия лизиметрического эксперимента. К настоящему времени в лизиметрах сформировались слаборазвитые почвы возраста немногим более 30 лет с самостоятельным горизонтом подстилки и минеральным гумусоаккумулятивным горизонтом.

Под елью и смешанными насаждениями молодые почвы имеют одинаковое морфологическое строение. На поверхности накапливается подстилка (3 см), состоящая из неразложившейся хвои и мха. Далее выделяется гумусоаккумулятивный горизонт А такой же мощности -серый суглинок с остатками слаборазложенного органического вещества, сменяющийся неизмененным суглинком. Это является следствием того, что в процессе развития модельных экосистем ель в смешанных посадках практически полностью вытеснила лиственные породы, из-за чего уменьшилась густота насаждений, а видовой состав фитоценоза стал мало отличаться от исходно однородных посадок ели. Под широколиственными породами деревьев подстилка имеет мощность 1 см. Здесь на поверхность почвы поступает легкогумифицируемый опад, в нижнем ярусе активно развивается травянистая растительность. Следующий за подстилкой минеральный гумусоаккумулятивный горизонт мощностью 4 см переплетен корнями и диагностируется как дерновый. Под луговой растительностью сформировался дерновый горизонт (5 см), густо переплетенный корнями. Вследствие особенностей корневых систем травянистой растительности, переход к неизмененной почвообразованием породе здесь более постепенный по сравнению с вышеперечисленными площадками.

Количество накапливаемого гумуса и его качественный состав различаются в вариантах модельного эксперимента. Эти различия более всего заметны в верхних горизонтах, на глубине 20 см они сглаживаются. Коэффициенты вариации, рассчитанные для содержания органического вещества в гумусовых горизонтах и трех следующих слоях мощностью 5 см, соответственно равны 48%, 28%, 17% и 18%.

По содержанию общего органического углерода резко выделяются лизиметры, где источники поступления органического вещества невелики, т.е. отсутствует постоянная растительность. Минимальное содержание органического углерода 0,38% в почве под паром, несколько большее - 0,64% - в почве агроценоза. В обоих случаях происходит ежегодное перемешивание почвенной массы в результате обработки, что делает невозможным процесс дифференциации на горизонты. По сравнению с предыдущими исследованиями количество органического вещества увеличилось незначительно: в 1989 г. в почвенной массе пара и агроценоза оно составляло соответственно 0,33 и 0,31% углерода. В исходном суглинке этот показатель был равен 0,07%. Максимальное количество органического углерода накапливается в дерновом горизонте под широколиственными породами деревьев - 6,15%. Меньше органического вещества содержится под елью и смешанными насаждениями, соответственно 2,93 и 3,26% углерода. В дерновом горизонте под луговой растительностью количество углерода гумуса оказалось еще меньшим - 2,10%. По сравнению с исследованиями 1989 г. мы можем отметить, во-первых, увеличение мощности органопрофилей и их морфологической дифференцированности и, во-вторых, изменение количества гумуса в почвах. 10 лет назад мощность органогенных горизонтов была равной 3 см. Изменения содержания органического вещества не столь однозначны. Вслед за увеличением биомассы лесных фитоценозов выросло содержание органического углерода в почвах лизиметров. В 1989 г. в почвах под хвойными, смешанными и широколиственными посадками оно равнялось соответственно 1,09%, 0,64% и 1,10%. В дерновом горизонте под луговой растительностью количество гумуса уменьшилось на 1% (3,18% в 1989 г.) Это может быть следствием сукцессионных изменений видового состава луговой растительности. Первоначально травосмесь состояла из 60% злаков и 40% бобовых. К настоящему времени злаки абсолютно доминируют, вследствие чего изменился состав поступающего в почву органического вещества.

Несмотря на крайне малый возраст почв, отмечены определенные различия в составе гумуса. Под широколиственными породами деревьев и многолетними травами отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот увеличивается на 0,3-0,4 единицы по сравнению с почвами, развивающимися при участии хвойной растительности. Под разными фитоценозами изменяется количество гумина. Его содержание под древесной растительностью колеблется в пределах 45-57%, уменьшение этого показателя фиксируется под многолетними травами (35%) и агроценозом (39%). В данном случае происходит более полная трансформация органического вещества в гумусовые кислоты. Из других особенностей гумуса молодых почв отметим следующее. В составе гуминовых кислот и фульвокислот преобладает фракция прочно связанная с полуторными окислами и глинистыми минералами: под древесной растительностью и почве агроценоза ФКЗ (17-22%), под травами ГКЗ (18%). Количество гумусовых кислот, находящихся в свободной форме невелико: ГК1 3-7%, ФК1 5-12%. Больше всего их содержится под луговой растительностью. Гуминовые кислоты, связанные с кальцием, содержатся в минимальном количестве (1-4%), увеличиваясь только в гумусе агроценоза, где их содержание возрастает до 9% за счет проводимого там известкования. Значения коэффициентов экстинкции в вытяжках гуминовых кислот низки (0,01-0,04) и не имеют связи с типом растительности, что свидетельствует о сильно развитой алифатической части молекулы ГК. Вероятно, это является следствием молодости гуминовых кислот.

Исследуемый объект находится в пределах крупного города, поэтому почвы испытывают влияние атмосферного пылевого загрязнения, приводящего к их подщелачиванию. Почвы лизиметров имеют менее кислую реакцию по сравнению с исходным суглинком. Они характеризуются слабокислой и близкой к нейтральной реакцией среды. Изменение уровня кислотности можно проследить как в пределах индивидуальных профилей, так и при сравнении почв разных фитоценозов, что наиболее заметно при сравнении гумусовых горизонтов.

Под древесной растительностью максимальные актуальная и обменная кислотности наблюдаются в верхних горизонтах. В нижележащих слоях эти показатели уменьшаются в среднем на единицу рН. Почвы, формирующиеся под многолетними травами, в пределах верхних 20 см не дифференцированы по степени кислотности. Значение актуальной кислотности (рН) в почвенной массе пара увеличилось на 0,2-0,3 единицы по сравнению с исходным суглинком, уровень потенциальной кислотности не претерпел изменений. Свойства ППК на данном этапе развития почв определяются главным образом содержанием гумуса. Стандартная ЕКО максимальна в верхних горизонтах, где происходит аккумуляция органического вещества. Ниже величина данного показателя уменьшается, приближаясь на глубине 20 см к таковой в покровном суглинке. В гумусоаккумулятивных горизонтах содержится наибольшее количество обменных оснований. Индивидуальные профили дифференцированы по содержанию обменного Са, количество Mg мало изменяется с глубиной, оставаясь на уровне покровного суглинка. На поверхность почвы с пылью поступает большое количество Са, этот элемент активно вовлекается в биологический круговорот лизиметров и поступает в почву с опадом. В силу аналогичных причин в верхних горизонтах содержится максимальное количество водорастворимых Са и Mg. Сравнение количества обменных оснований с величиной гидролитической кислотности показывает, что степень насыщенности ППК равна 80-90%. Величина обменной кислотности в гумусоаккумулятивных горизонтах уменьшается от хвойных насаждений к травам. Это может зависеть от изменения качества опада с одной стороны и проективного покрытия растительности, влияющего на поступление атмосферной пыли. Однако сравнение значений обменной кислотности и поглощенного Са в различных лизиметрах говорит скорее в пользу первого предположения.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Золотарев, Геннадий Викторович, Москва

1. Авдусин Д.А. Полевая археология в СССР. - М.: Высшая школа, 1980, 335 стр.

2. Алексеенко JI.H. Разногодичная изменчивость продуктивности луговых сообществ на северо-западе европейской территории Союза. В кн.: Экологические факторы продуктивности земель. Горький, 1988.

3. Алехин В.В. Растительность и геоботанические районы Московской и сопредельных областей. М.: изд-во Общества испытателей природы, 1947,

4. Андреев К.А. Озеленение городов и поселков. Петрозаводск: Карелия, 1985.

5. Базилевич Н.И Малый биологический круговорот зольных веществ и азота при лугово-степном и степном почвообразовании Почвоведение, 1958. №12, стр. 9-27.

6. Базилевич Н.И. и др. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М.: Мысль, 1978, 184 стр.

7. Бараков П.Ф. Лизиметры и их роль в изучении свойств почвы, обусловливающих их плодородие Почвоведение, 1908, № 3.

8. Белозерский Б.В. Парки и их проблемы. Городское хозяйство Москвы, 1983, №8, стр.14-15.

9. Беттен Л. Погода в нашей жизни. М.: Мир, 1985,223 стр.

10. Винник М.А., Болышев Н.Н. Первые итоги наблюдений в открытом лизиметре. Почвоведение, 1972, № 4, стр. 114 -121.

11. Генкель П.А. Физиология растений. М., 1975.

12. М.Герасимов И.П. Экологические проблемы прошлой, настоящей и будущей географии мира. М.: Наука, 1985, 247 стр.

13. Герасимова JT.B., Лобутев А.П. Состав, продуктивность многолетних мезофильных трав и изменение почвогрунта в лизиметрах. -Биологические науки, 1979, №11, стр. 79 86.

14. Герасимова Л.В., Первова Н.Е., Лобутев А.П. О почвообразовании под различной растительностью на покровном суглинке в условиях 20-летнего лизиметрического опыта. Почвоведение, 1989, №1, стр. 24 -30.

15. Гильманов Т.Г., Базилевич Н.И. Построение и анализ моделей экосистем. Вопросы географии. М., Мысль, 1986, №127, стр.55 - 96.

16. Голубев Б.А. Лизиметрические методы исследования в почвоведении и агрохимии.-М.: Наука, 1967, 111 стр.

17. Гришина Л. А. Биологический круговорот и его роль в почвообразовании. М., 1974.

18. Гришина Л.А., Васильевская В.Д., Самойлова Е.М. Типы биологического круговорота в некоторых природных зонах СССР. В кн.: Почвы и продуктивность растительных сообществ. Вып.З. М., 1976.

19. Гришина Л.А., Владыченский А.С. Опад и подстилка хвойных лесов Валдая. В кн.: Почвы и продуктивность растительных сообществ. Вып.4. М., изд-во Московского университета, 1979, стр.15 - 50.

20. Гришина Л.А., Самойлова Е.М. Учет биомассы и химический анализ растений. -М.: Изд-во Московского университета, 1971,100 стр.

21. Гришина Л.А., Щеглов А.И. Биогеохимия агроценозов. В кн.: Биогеохимия агроценозов Нечерноземья. М.: Изд-во Московского университета, 1989, стр.77 - 161.

22. Денисов М.Ф. Ландшафтное проектирование при восстановлении парков. -М., 1986,104 стр.

23. Добровольский В.В. Гипергенез четвертичного периода. М., 1966.

24. Дубинский Г.П., Филоненко К.Т. Перспективы улучшения природной среды в пределах большого города (на примере г.Харькова). В кн.: Человек в окружающей среде (вопросы рационального природопользования), М.,. 1978

25. Евдокимова Т.И., Брехова Л.И., Лобозева Л.А. Продуктивность сельскохозяйственных культур и биологический круговорот веществ в орошаемом земледелии на черноземах. В кн.: Орошаемые черноземы, М.: Изд-во Московского университета, 1989, стр. 170-200.

26. Евдокимова Т.И., Гришина Л.А. Почвы долины реки Москвы в ее нижнем течении. В кн.: Пойменные почвы Русской равнины. Вып.2.М., 1963.

27. Егоров Ю.В., Лобутев А.П., Калакуцкий А.В. Установка для учета лизиметрических вод. Почвоведение, 1981, №8, стр.98-104.

28. ЗО.Запша Н.А. Биологический круговорот азота и зольных элементов в орошаемом земледелии Молдавии. Кишинев, 1984.

29. Казимиров Н.И., Морозова P.M. Биологический круговорот веществ в ельниках Карелии. Л., Наука, 1974.

30. Калабухов Н.И. Сохранение энергетического баланса организма как основы процесса адаптации. Общая биология, 1946, №6, стр.417 - 434.

31. Касимов Н.С., Перельман А.И. Геохимические принципы эколого-географической систематики городов. В кн.: Экогеохимия городских ландшафтов. М.: МГУ, 1995а, стр. 6 - 12.

32. Касимов Н.С., Перельман А.И. Геохимическая систематика городских ландшафтов. В кн.: Экогеохимия городских ландшафтов. М.: МГУ, 19956, стр. 13-19.

33. Каталог сортов и гибридов сельскохозяйственных культур и других возделываемых растений, впервые районированных с 1993 г. в Российской Федерации. М., 1992, стр. 24-25.

34. Ключарев А.П. К вопросу о нитрифицирующей способности нормальных почв и потере нитратов путем вымывания. Изв. МСХИ, 1903, кн.4, т. 10, стр.490-491.

35. Ковальский В.В. 60 лет биогеохимии. Труды БГХ лаборатории. М., Наука, 1985, №20, стр. 5 - 20.

36. Ковда В.А. Основы учения о почвах. М.: Наука, 1973, т.1,447 стр.

37. Кононова М.М Органическое вещество почвы: его природа, свойства и методы изучения. М.: изд-во АН СССР, 1963,314 стр.

38. Котлов Ф.В. Антропогенные геологические процессы и явления на территории города. М., 1977, 171 стр.

39. Котлов Ф.В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека. М.: Недра, 1978, 263 стр.

40. Кочетков А.П. Крупногабаритные лизиметры с корпусом из полиэтиленовой пленки. Сиб. вестн. с.-х. науки, 1977, №6, стр.57-68.

41. Крупеников И.А. О законах почвоведения. Бонитировка, генезис и химия почв Молдавии. Кишинев, Штиница, 1979, стр.3 - 9.

42. Кучерявый В.А. Зеленая зона города. Киев: Наукова думка, 1981.

43. Кучерявый В.А. Влияние факторов внешней среды на экологическую структуру зеленой зоны города. Лесное хозяйство, лесная, бумажная и деревообрабатывающая промышленность, вып. 14,1983, стр. 26-28.

44. Левин Ф.И. Биологический круговорот азота и зольных элементов на посеве зерновых культур на дерново-подзолистых почвах. Агрохимия, 1965, №8, стр.56 - 64.

45. Левин Ф.И. Методические указания по определению показателей биопродуктивности почв для разработки мер по увеличению выходапродукции сельскохозяйственных культур с единицы площади. М.: Колос, 1976,32 стр.

46. Левин Ф.А., Маркин В.А., Рашковецка А.С. Биологический круговорот органического вещества и элементов питания в посевах культурных растений на черноземах. Биологические науки, 1975, №3, стр.105 -109.

47. Левковский А.К. Конструкция лизиметров для изучения промывок засоленных почв. Почвоведение, 1972, №2, стр. 144-147.

48. Манаков К.Н. Поглощение растительностью минеральных элементов и азота из почвы в лесах Кольского полуострова. Почвоведение, 1961, №8, стр.34-41.

49. Методические рекомендации по проведению лизиметрических исследований водного, солевого и пищевого режимов почв на многолетних травах. М., 1982,36 стр.

50. Муравьева К.А. К вопросу об оптимизации городской среды. В кн.: Человек в окружающей среде (вопросы рационального природопользования), М., 1978

51. Надеин П.Г. Применение удобрений и повышение зерновой продукции в текущей семилетке. Почвоведение, 1961, №9, стр. 16-30.

52. Неттевич Э.Д. Высокопродуктивные сорта зерновых культур для Нечерноземья. М., Московский рабочий, 1987, 192 стр.

53. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М., Высшая школа, 1975, 340 стр.

54. Петров Е.Г., Шишов Л.Л. Устройство почвенных лизиметров с помощью пленки из пластических материалов. Докл. ТСХА, 1962, в.76, стр.135-137.

55. Пешкова Н.В., Пенин A.M., Ильин А.Д. Связь некоторых физико-химических свойств почвы с величиной и структурой урожая пшеницы. В кн.: Экологические факторы продуктивности земель. Горький, 1988.

56. Плешков Б.П. Биохимия сельскохозяйственных растений. М.: Агропромиздат, 1987,495 стр.

57. Поляков С.С. Состав и свойства покровных суглинков и глин Московской области (Подмосковья). Землеведение. Новая серия. М., 1960, т.V (XIV).

58. Пономарева Н.Н., Плотникова Т.А Гумус и почвообразование. Л.: Наука, 1980,222 стр.

59. Постников А.В., Смирнов А.П. Лизиметрическая станция полигон агроэкологических исследований. - Агрохим. вестн., 1998, №1, стр.15 -17.

60. Почва, город, экология. М.: Фонд "За экономическую грамотность", 1997,320 стр.

61. Почвы Московской области и повышение их плодородия. М., Московский рабочий, 1974, 664 стр.

62. Проспект лизиметрической станции ВНИИПТИХИМ. М., 1977, 26 стр.

63. Работнов Т.А. Луговедение. М.: изд-во Московского ун-та, 1984, 320 стр.

64. Ремезов Н.П. Итоги изучения взаимодействия дубового леса с почвой. -Труды Воронежского государственного заповедника, 1961а, вып. XIII, стр.9 54.

65. Ремезов Н.П. Разложение подстилки и круговорот элементов в дубовом лесу. Почвоведение, 19616, №7, стр.1 - 13.

66. Ремезов Н.П., Быкова Л.Н, Смирнова К.М. Потребление и круговорот азота и зольных элементов в лесах европейской части СССР. М.: изд-во Московского университета, 1959,284 стр.

67. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот в основных типах растительности. М., 1965.

68. Родин Л.Е, Ремезов Н.П., Базилевич Н.И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. Л., Наука, 1968.

69. Савельев Д.В. Почвообразование в модельных экосистемах почвенных лизиметров. Автореферат на соискание ученой степени кандидата биологических наук. М., 2001,24 стр.

70. Самойлова Е.М. Почвообразующие породы. М.: изд-во Московского университета, 1992,176 стр.

71. Серова Л.В. О емкости и химизме биологического круговорота элементов питания в травопольном и пропашном севооборотах. В кн.: Повышение плодородия дерново-подзолистых почв. Л., 1977.

72. Соколова Т.А., Шоба С.А., Баганцов В.Н., Урусевская И.С. Профильная и внутригоризонтная дифференциация глинистого материала в дерново-подзолистых почвах на морене. Почвоведение, 1987, №6, стр.38 - 48.

73. Степанова И.П. Условия минерального питания растений в лесопарках г.Свердловска. Тр. Уральского лесотехнического ин-та, вып. 17, Свердловск, 1973, стр.160 - 163.

74. Субботин А.А. Обзор лизиметров и основные требования к их конструкциям. Тр. ГГИ, 1968, в.92, стр.3-48.

75. Таран И.В., Спиридонов В.Н. Устойчивость рекреационных лесов. Новосибирск: Наука, 1977,177 стр.

76. Титлянова А.А Продукционный процесс в агроценозах пшеницы. В кн.: Биоценоз пшеничного поля, М.: Наука, 1986, стр.4 - 12.

77. Титлянова А.А. Биологический круговорот азота и зольных элементов в травяных биогеоценозах. Новосибирск, Наука, сибирское отделение, 1979,139 стр.

78. Титлянова А.А., Тихомирова Н.А., Шатохина Н.Г. Продукционный процесс в агроценозах. Новосибирск, Наука, сибирское отделение, 1982,185 стр.

79. Толковый словарь по почвоведению. М.: Наука, 1975, 286 стр.

80. Федоров Ю.Д., Чалая И.П. Разработка природоохранных мероприятий в пригородной зоне крупного города. Проблемы больших городов. М., 1979.

81. Федорова Ю.Н. Влияние избыточного увлажнения почвы и азотного питания на некоторые физиологические процессы и урожай ячменя. -Автореферат на соискание ученой степени кандидата биологических наук. ЛГПИ, 1973, 25 стр.

82. Ферсман А.Е. Геохимия. М., 1934.

83. Френч Н., Рышковский JI.B., Титлянова А.А., Злотин Р.И. Сравнение структуры органического вещества в различных экосистемах. Изв. СО АН СССР, 1975, №15, сер. биол. наук, вып.З, стр.98 - 106.

84. Харченко С.И. Гидрология орошаемых земель. Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 373 стр.

85. Шилова Е.И. Методы получения почвенного раствора в природных условиях. Почвоведение, 1955, №11, стр.86 - 90.

86. Шилова Е.И. Лизиметрический метод, его значение условия применения для познания современных процессов почвообразования. -Применение лизиметрических методов в почвоведении, агрохимии и ландшафтоведении. Л., 1972, стр.1 -21.

87. Шишов Л.Л. и др. Лизиметры в почвенных исследованиях. М.: Почвенный институт им. В.В.Докучаева, 1998, 286 стр.

88. Экология и продуктивность лесов Нечерноземья (на примере Валдая). -М., изд-во Московского ун-та, 1980,144 стр.

89. Юркин С.Н., Пименов Е.А. Роль корневых и пожнивных остатков зерновых культур и кукурузы в аккумуляции азота, фосфора и калия. -Агрохимия, 1977, №11, стр.145 152.

90. Bhardway S.P., Sastry G. Development and installation of a simple mechanical weighting type lysimeter. Trans. ASQE, St. Joseph, Mich., 1979, v.22, №4, p.792-802.

91. Brackke Finn N. A soil lysimeter system with water table and temperature control. Plant and soil, 1982, v.68, №2, p.279-282.

92. Kitching R., Shearer T.R. Construction and operating of a large undisturbed lysimeter to measure recharge to the Chalk agnifer, England. J. Hudral, 1982, v.58, №3-4, p.267-277.

93. Koreal J., Stockinger R.R. Construction and performance of a hydraulic weighting lysimeter at Samarn Nigeria. Samarn, Miscel laneous paper, 1979, №44, p.6.

94. Korreen H.C., Peltoh W.Z. Hydraulic load cell lysimeter. Canad. Agric. Enyng., 1972, v.14, №1, h.33-36.

95. Mottran R., Yager F.M. A sensitive recording lysimeter. -Agrochemophysica, 1973,v.5, №1, p.9-14.

96. Robbins C.W., Willardson L.S. An instrumented lysimeter system for monitoring salt and water movement. Trans. ASAE, St. Joseph, Mich., 1980, v.23, №1, p.109-111.

Информация о работе

Золотарев, Геннадий Викторович
кандидата биологических наук
Москва, 2006
ВАК 03.00.27

Диссертация

Некоторые параметры биологического круговорота в модельных экосистемах почвенных лизиметров - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы