Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Органопрофили лесных почв Карелии

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бахмет, Ольга Николаевна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

Кафедра географии почв

На правах рукописи

БАХМЕТ Ольга Николаевна

ОРГАНОПРОФИЛИ ЛЕСНЫХ ПОЧВ КАРЕЛИИ (03.00.27. - почвоведение)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук профессор С.А.Шоба

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ..........................................................................................................................................1

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................3

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................6

1.1. Гумусовое состояние лесных почв Карелии......................................................6

1.2. К систематизации морфологических особенностей органичес- 11

кого вещества почв...............................................................

Глава 2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕГИОНА ИССЛЕДО- 24

ВАНИЙ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ..............................................

2.1. Природные условия Карелии..............................................................................................24

2.2. Объекты исследований............................................................................................................33

2.3. Методы..................................................................................................................................................53

Глава 3. ПОСТУПЛЕНИЕ, ЗАПАСЫ И ТРАНСФОРМАЦИЯ 56

ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ИССЛЕДОВАННЫХ ПОЧВ.........

3.1. Источники органического вещества почв............................................................56

3.2. Компонентный состав лесных подстилок исследованных почв... 62

3.3. Запасы органического вещества лесной подстилки, минеральной 65 части почвы и почвы в целом..................................................

3.4. Роль почвенной биоты в трансформации растительного опада..........69

3.5. Скорость и интенсивность трансформации органических 78

остатков в почве...................................................................

Глава 4. МОРФОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 81

ОРГАНОПРОФИЛЯ ЛЕСНЫХ ПОЧВ.......................................

4.1. Морфологические особенности органопрофиля почв средне- 81 таежной подзоны..................................................................

4.2. Строение органопрофиля почв северотаежной подзоны........................100

Глава 5. СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВ........................106

5.1. Групповой и фракционный состав органического вещества почв. 106

5.2. Зольный состав органогенного горизонта............................................................108

5.3. Биохимический состав лесных подстилок............................................................112

Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОРГАНОПРОФИЛЯ 115

ИССЛЕДОВАННЫХ ПОЧВ....................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................................119

ВЫВОДЫ........................................................................................................................................................121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................ 123

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Органическое вещество почв является важнейшим компонентом биогеоценозов. Концентрируя накопленную в процессе фотосинтеза и почвообразования энергию, оно наиболее полно отражает те почвенно-экологические условия, которые соответствуют современному этапу почвообразования (почва-момент по Соколову и Таргульяну, 1976). Строение органопрофиля и качественные характеристики органического вещества имеют огромное значение при диагностике главнейших типов почв, к сожалению, зачастую диагностически важные особенности органопрофиля, такие например, как строение и качество подстилки, мало используются в почвенной классификации.

В настоящее время в литературе недостаточно изученным остается многообразие форм органического вещества на всех этапах его образования и трансформации в определенных условиях среды. Возможность проследить все этапы преобразования растительного опада вплоть до образования конечных продуктов - гумусовых кислот дают морфологические, а особенно микроморфологические исследования. Выяснить же химизм процессов минерализации и гумификации органического вещества, а также изучить и оценить свойства гумусовых веществ в разных типах почв позволяют биохимические исследования. В связи с этим особенный интерес представляют комплексные исследования органического вещества почв с использованием как морфологического (микроморфологического) описания органопрофиля, так и данных биохимического анализа.

Цель исследований. Установить разнообразие морфологического строения органопрофилей подзолистых почв Карелии, выявить экологические особенности их формирования.

Задачи исследований.

1. Выявить в ареале подзолистых почв разнообразие органопрофилей.

2. Провести детальные морфологические описания органопрофилей подзолистых почв Карелии.

3. Дать оценку гумусного состояния почв.

4. Изучить микроморфологическое строение органопрофилей почв, дать его генетическую интерпретацию.

5. Изучить экологические особенности формирования органопрофилей исследуемых почв.

Научная новизна. Установлено разнообразие морфологического строения органогенных и органо-минеральных горизонтов подзолистых почв Карелии, выделены типы органопрофилей и выяснена их экологическая приуроченность. Детально описано микроморфологическое строение органопрофилей почв. Выявлена корреляция между строением и качественным составом органического вещества.

Практическая значимость. Выделенные типы органопрофилей позволят уточнить диагностику и критерии выделения форм гумуса и классификацию лесных почв, выявить связь процессов трансформации органического вещества с разнообразием экологических условий.

Апробация. Основные положения работы докладывались на международной научно-практической конференции «Состояние и мониторинг лесов на рубеже XXI века», Докучаевских молодежных чтениях" 98 «Почвы и почвенный покров современных наземных экосистем», международной конференции «Экология таежных лесов», международной школе молодых ученых «Биоиндикация-98», заседании кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, 3 сданы в печать.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов и списка литературы. Содержит 138 е., 18 иллюстраций и 22 таблицы. Список литературы включает 191 наименование, из них 56 зарубежных авторов.

Работа выполнена в Институте леса Карельского Научного Центра РАН и на кафедре географии почв факультета почвоведения Московского государственного университета в 1994-1998 годах.

В работе использованы данные к.б.н. Л.М.Ласковой по составу почвенной фауны, к.б.н. Л.М.Загуральской по составу микробоценов, к.б.н. Р.М.Морозовой по составу подстилок. Автор выражает глубокую признательность всем перечисленным коллегам, научному руководителю д.б.н., профессору С.А.Шобе, а также д.с.-х.н. Н.Г.Федорец за всемерную помощь в работе.

Глава I.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В настоящее время существует два главных направления в изучении органического вещества почв: биохимическое и морфолого- (микроморфолого) экологическое (Кононова, 1963; Орлов, 1974; Парфенова, Ярилова, 1978; Александрова, 1975, 1980; Аристовская, 1980; Гришина и др., 1983; Шоба, 1988; Kubiena, 1955; Bal, 1973; Babel, 1975). Первое направление значительно доминирует и основной упор делается на выяснение химизма процессов гумификации органического вещества и изучение свойств гумусовых веществ в разных типах почв. Значительно меньше работ второго направления, которое позволяет рассмотреть многообразие форм органического вещества на всех этапах его образования и трансформации под воздействием факторов почвообразования в определенных условиях среды. Такой подход позволяет проследить и глубже оценить все этапы трансформации растительного опада вплоть до образования конечных продуктов - гумусовых кислот. Особенно важным для решения этих вопросов является выделение типов органопрофиля и их классификация. Неразработанность иерархических подходов классификации органопрофилей (Гришина, 1986), а также недостаточное количество в отечественной литературе детальных исследований микроморфологии органического вещества делают актуальным вопрос об описании отдельных органопрофилей и их классификации.

1.1. Гумусовое состояние лесных почв Карелии

Роль органического вещества в формировании почвы трудно переоценить. Как отмечала М.М.Кононова (1968), наличие органического вещества в значительной степени определяет направление процессов почвообразования. Поэтому и изучение генезиса почв невозможно без исследования трансформации и свойств органического вещества.

Первыми начали изучение подзолистых почв на легких породах финские и шведские исследователи (Aarnio, 1913, 1925; Frosterus, 1912, 1913; Aaltonen, 1935, 1940; Tamm, 1915). Эти авторы связывали образование сильно химически выветренного подзолистого горизонта с поступлением из лесной подстилки органических кислот и их агрессивным действием на зерна первичных минералов. Вопрос о природе таких кислот остался нерешенным, как и не было однозначного мнения о месте осаждения иллювиированных гумусовых веществ.

В дальнейшем уточнялись свойства и генезис подзолистых почв на легких породах как русскими учеными (Иванова, Полынцева, 1936; Роде, 1941; Пономарева, 1951, 1964; Ярков, 1954; Парфенова, Ярилова, 1960; Марченко, 1962; Руднева и др., 1966; Тонконогов, 1959, 1971; Таргульян, 1971; Морозова, 1978, 1991), так и зарубежными исследователями (Deb, 1949; Tamm, 1950; Bloomfield, 1952, 1953; Schnitzer, 1956; Wright, Schnitzer, 1963).

Биохимические процессы в почвах на песчаных отложениях подробно рассматривались в работе В.В.Пономаревой (1964). Ею была показана приоритетная роль процессов разрушения первичных минералов гумусовыми кислотами, реакций взаимодействия гумусовых кислот с оксидами алюминия и железа в почвообразовании на легких породах.

Гумусовые кислоты не только разрушают минеральную часть почвы, но также снимают органоминеральные пленки с кварцевых, полевошпатовых и других частиц и перемещают их по профилю почвы. Особенно ясно этот процесс выражен на песчаных породах.

Большая роль в образовании подзолистых почв принадлежит корневым системам (Роде, 1944), обменной реакции между почвой и корнями в процессе питания. Около корней, особенно мелких, отмечается повышенное содержание подвижных полуторных окислов и кремнезема (Морозова, 1978).

Накопление, состав и свойства органического вещества в почве зависят от природных особенностей региона и типа растительности. В Карелии большая часть территории занята хвойными лесами с покровом из мхов и кустарничков. Опад этих лесов беден зольными элементами и азотом (Родин, Базилевич, 1965). Бедность опада, пониженные температуры, короткий

вегетационный период приводят к замедлению микробиологической деятельности и преобладанию грибного кислотообразующего разложения растительных остатков (Аристовская, 1965). В результате значительная часть опада консервируется и образуется лесная подстилка. Кроме того в подстилке продуцируются и усиленно из нее вымываются водорастворимые органические кислоты - фульвокислоты, а также простые органические кислоты (Фокин, 1975). Образование же аккумулятивной формы гумуса - гуминовых кислот -выражено слабо. Поэтому подстилка является аккумулятивным питающим горизонтом, в котором сосредоточены корни, микроорганизмы и мезофауна (Пономарева, Плотникова, 1980).

Гумусообразование в подзолистых почвах на легких породах задерживается на самых ранних стадиях - образовании подстилки из полуразложившихся остатков и водорастворимых гумусовых веществ, близких по составу к веществам растительной природы: гемицеллюлозам, уроновым кислотам, другим простым кислотам (Кауричев и др., 1963, 1978; Кауричев, Фролова, 1965; Кауричев, 1968; Petersen, 1976).

В подстилке подзолистых почв происходит консервация слаборазло-жившихся растительных остатков. Растения потребляют элементы-биофилы, в частности основания, непосредственно из подстилки. Из нее с нисходящим током влаги мигрируют растворы более или менее свободных кислот, в основном фульвокислот. Сразу под подстилкой эти агрессивные растворы разлагают минералы, взаимодействуют с освобождающимися полуторными окислами, образуя с ними подвижные комплексные соединения. Далее по профилю, растворы все более обогащаются R2O3, что приводит к осаждению комплексов в горизонте В (До динь Шам, 1977; Пономарева, Плотникова, 1980).

Как отмечала В.В.Пономарева (1964): "Песчаные подзолы Севера в наиболее яркой и наглядной форме отражают огромную роль органического вещества в формировании почвенных профилей" (с. 157). Природные условия Карелии с ее умеренно холодным климатом и преобладанием почвообра-зующих пород легкого механического состава обусловили широкое распространение элювиально-иллювиального процесса почвообразования.

Подзолистые почвы, имеющие подобную направленность почвообразования, широко распространены на территории Карелии (53 % территории республики). Они развиваются в автоморфных условиях на рыхлых четвертичных отложениях (Морозова, 1991).

В этих почвах органическое вещество резко перераспределяется в почвенном профиле по элювиально-иллювиальному типу. Для них характерно накопление органического вещества на поверхности почвы в виде лесной подстилки, в которой может быть сосредоточено до 80% общего запаса органического вещества. По мере увеличения увлажнения почв и усиления иллювиально-гумусового процесса содержание органического вещества в почвах возрастает как за счет массы лесной подстилки, так и за счет накопления его в иллювиальном горизонте.

Дифференциация профиля подзолов отмечается не только по содержанию, но и по составу органического вещества. Гуминовые и фульвокислоты данных почв представлены, в основном, подвижными формами, связанными с полуторными окислами или находящимися в свободном состоянии. Фракции же гуминовых и фульвокислот, связанных с кальцием, отсутствуют, а количество этих кислот, прочно связанных с полуторными окислами, очень незначительно. Поэтому и распределение подвижных полуторных окислов по профилю почвы практически совпадает с кривой распределения органического вещества.

В подстилках преобладают гуминовые кислоты. Их относительное накопление в верхней части профиля связано с высокой подвижностью фульвокислот и миграцией их в минеральные горизонты, а также с закреплением гуминовых кислот в результате насыщения их кальцием и железом, освобождающимися при минерализации растительного опада. В минеральных горизонтах наблюдается иное соотношение гуминовых и фульвокислот. Фульвокислоты здесь преобладают, отношение Сгк.Сфк меньше 1, с глубиной понижаясь до 0,1-0,2.

Гумусовые кислоты подзолистых почв имеют небольшую оптическую плотность, что связано с простым строением их молекул, и поэтому обладают

высокой дисперсностью. Свободные гуминовые кислоты имеют большую оптическую плотность по сравнению ПС, которые связаны с полуторными окислами. Меньшая оптическая плотность гуминовых кислот, прочно связанных с минеральной частью почвы, хорошо увязывается с элементарным составом этих кислот, они имеют пониженное содержание углерода (около 53 %) и повышенное количество водорода (6 %). Все это свидетельствует о том, что в форме более прочной связи находятся гуминовые кислоты с менее сложной молекулой. Фульвокислоты обладают наименьшую оптическую плотность.

Для подстилок характерно высокое содержание негидролизуемого остатка (40-70 %). Состав органического вещества лесных подстилок зависит от степени их минерализации. В более разложившихся подстилках количество негидролизуемого остатка уменьшается (20-30%). В этих горизонтах содержится много воскосмол (7-15%), которые тормозят разложение растительных остатков.

Содержание азота и его распределение по почвенному профилю тесно связаны с органическим веществом. Основная часть N содержится в минеральных горизонтах почвы. Отношение содержания С к N в минеральных горизонтах составляет 7:15, в лесных подстилках - возрастает до 20:50 (эта величина зависит от типа леса: чем больше в напочвенном покрове трав, тем меньше это отношение).

Гумусовые кислоты подзолистых почв, выделенные из различных горизонтов, различаются и по элементному составу. Содержание углерода в них колеблется от 53 до 56 %. Наименьшее количество углерода у гуминовых кислот иллювиальных горизонтов. В гумусово-аккумулятивных горизонтах гуминовые кислоты имеют более сложное строение, так как здесь условия более благоприятны для конденсации молекул. Гуминовые кислоты подзолистых почв содержат повышенное количество водорода, что свидетельствует об их высокой обводненности.

Фульвокислоты по элементарному строению также неоднородны как и гуминовые кислоты. В фульвокислотах, выделенных из почв Карелии, содержание углерода колеблется около 48 % (Морозова, 1959).

Органическое вещество подзолистых песчаных и супесчаных почв обладает высокой подвижностью, особенно подвижен гумус иллювиальных горизонтов, где негидролизуемый остато�