Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности макроэлементного химического состава почв верховых болот средней тайги Западной Сибири

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Особенности макроэлементного химического состава почв верховых болот средней тайги Западной Сибири"

На правах рукописи

Степанова Вера Андреевна

ОСОБЕННОСТИ МАКРОЭЛЕМЕНТНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОЧВ ВЕРХОВЫХ БОЛОТ СРЕДНЕЙ ТАЙГИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

03.02.13 - почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 4 уди 2072

Томск-2012

005044755

Работа выполнена в лаборатории биогеоценологии ФГБОУН Института почвоведения и агрохимии СО РАН

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент

Мироиычева-Токарева Нина Петровна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Ефремова Тамара Тимофеевна, ведущий научный сотрудник Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (г. Красноярск)

доктор сельскохозяйственных наук, член- корреспондент РАСХН Инишева Лидия Ивановна, профессор Томского государственного педагогического университета (г.Томск)

Ведущая организация: ФГБОУН Институт водных и экологических

проблем СО РАН (ИВЭП СО РАН), г. Барнаул

Защита состоится «7» июня 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.09 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36. Факс: (3822) 529601

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан «_» мая 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор биологических наук В.П. Середина

/ '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования определяется важной ролью биологического поглощения макроэлементов в торфяных почвах, как звена биогеохимических циклов в функционировании болотных экосистем. Стабильность биогеохимических циклов макроэлементов является основной предпосылкой длительного существования болот Западной Сибири (Родин, Базилевич, 1965; Карпачевский, 1977; Манаков, Никонов, 1981). Изучение закономерностей накопления и распределения макроэлементов в торфяном слое почвы имеет определяющее значение для познания механизма и динамики болотообразования, как почвенного процесса, основных закономерностей формирования состава и основных ее свойств (Караваева, 1982; Бахнов, 2002). На территории бывшего Советского Союза содержание макроэлементов в торфяных почвах интенсивно изучалось в связи с мелиоративными работами на болотах Белорусского полесья, Карелии и юга Западной Сибири (Пьявченко, 1955; Глебов и др., 1973; Нейштадт, 1977; Раковский, Пигулевская, 1978; Нечаева, 1992).

В настоящее время российских и зарубежных исследователей беспокоят проблемы, связанные с глобальным потеплением, проявления которого наиболее заметны в высоких широтах. Поскольку почвенно-растительная составляющая болотных ландшафтов является очень чувствительной по отношению к внешнему воздействию, ожидается, что глобальное изменение климата значительно отразится на их состоянии со сдвигом баланса круговорота макроэлементов. Согласно прогнозируемым климатическим сценариям произойдет изменение величин химизма поверхностных и почвенно-грунтовых вод, определяемых геохимической обстановкой и степенью участия химических элементов в биологическом круговороте. Несмотря на традиционное внимание к запасам и распределению макроэлементов в торфяных почвах, их латеральные миграции по почвенно-геохимической катене практически не изучены.

Цель работы — выявить особенности накопления и распределения макроэлементов в верховых торфяных почвах,

сформированных в сопряженных элементарных ландшафтах на примере почвенно-геохимической катены типичного олиготрофного болотного комплекса средней тайги Западной Сибири.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. изучить ботанический состав и свойства болотных почв в пределах изучаемого болотного массива;

2. определить содержание и запасы макроэлементов (С, Н, Л, Б, Р, N3, К, Са, М& Бе) в профиле болотной почвы изучаемых элементарных ландшафтов;

3. определить распределение концентраций элементов в торфяной почве элементарных болотных ландшафтов;

4. рассчитать латерально-миграционную дифференциацию макроэлементов по почвенно-геохимической катене изучаемого болотного комплекса;

5. провести сравнительную характеристику распределения макроэлементов в торфяных почвах болотных ландшафтов среднетаежной подзоны Западной Сибири.

Научная новизна. 1. Установлено, что на протяжении почти всей истории формирования торфяной почвы сопряженных элементарных ландшафтов средней тайги Западно-Сибирской низменности условия торфонакопления не менялись: низкий рям и гряда занимали повышенные элементы рельефа и, как и в современное время, были сложены фускум торфом; мочажина и олиготрофная топь занимали подчиненное положение в болотном ландшафте и были сформированы балтикум, шейхцериево-сфагновым и шейхцериевым торфом, что свидетельствует о метахронности изменений климата и смены почвенно-растительного покрова экосистем на данной территории.

2. Впервые установлено, что содержание углерода и водорода в органическом веществе почвенного профиля каждой экосистемы практически не меняется, а их соотношение равно примерно 8, что говорит о незначительной изменчивости гидротермических условий формирования торфяной почвы болотного массива в течение периода его образования.

3. Впервые выявлено, что почва низкого ряма характеризуется максимальными коэффициентами биологического поглощения всех исследуемых элементов, почва олиготрофной топи - только для калия, натрия, кальция и магния, тогда как средние показатели этого коэффициента выявлены для всех исследуемых элементов почв гряды, а минимальные его значения наблюдаются в мочажине (для Са, Р и Бе) и рослом ряме (для К, М^ и Р).

4. Впервые для условий средней тайги Западно-Сибирской низменности установлено, что латерально-миграционная сопряженность торфяных почв болотного ландшафта определяется биогеохимическим циклом макроэлементов в нем. Рассчитаны латеральная и радиальная геохимические структуры почв элементарных ландшафтов, обоснован нисходяще-восходящий тип латеральной и органогенный тип - радиальной, с преобладанием разного набора элементов в верхних и нижних горизонтах торфяного слоя в рамках последней.

Теоретическая и практическая значимость работы. Исследования вносят вклад в теорию биологического круговорота макроэлементов, а также развивают представления о процессах накопления и распределения углерода, азота и зольных элементов в сопряженных ландшафтах, взаимодействия между циклами С и N при смещении баланса углерода при глобальном изменение климата. Материалы по распределению макроэлементов в торфяных почвах могут быть использованы при проведении экологического мониторинга естественных и нарушенных болотных экосистем.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. В торфяных почвах болотных ландшафтов средней тайги Западной Сибири интенсивность вовлечения изучаемых химических элементов в биологический круговорот максимальна только в низком ряме; для калия, натрия, кальция и магния - в олиготрофной топи; средними показателями биологического поглощения для всех исследуемых элементов отличаются гряды. Для кальция, фосфора и железа интенсивность минимальна в мочажинах, и для калия, натрия, магния и фосфора - в рослом ряме.

2. Латеральная геохимическая структура болотного ландшафта на территории среднетаежной подзоны Западной Сибири по элементам калий, натрий, фосфор, магний, кальций и железо определяется как дисцендиально-асцендиальная (нисходяще - восходящая), а радиальная геохимическая структура - как органогенная с преобладанием разного набора элементов в верхних и нижних горизонтах торфа.

Публикации и апробация работы. Положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, в т.ч. 1 публикация - в журнале из перечня ВАК. Материалы доложены и обсуждены на Международном конгрессе «ГЕОСибирь» (Новосибирск, 2010), Всероссийской научной конференции «Ковалевские молодежные чтения» (Новосибирск, 2010), Всероссийской научной конференции «Докучаевские молодежные чтения» (Санкт-Петербург, 2011), третьем Международном полевом симпозиуме «Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: прошлое и настоящее (Ханты-Мансийск, 2011).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы, который включает в себя 201 источников, и 16 приложений. Работа изложена на 163 страницах, содержит 14 таблиц и 43 рисунка, иллюстрирующих полученные результаты.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, к.б.н. Нине Петровне Миронычевой-Токаревой за всестороннюю помощь в проведении исследования, терпение и понимание. Автор также благодарит к.г.-м.н. О.С. Покровского (Тулуза, Франция) за организацию отдельных аналитических исследований и неоценимую помощь в этом, д.б.н. А.И. Сысо за постоянные консультации в процессе работы, а также сотрудников лаборатории БГЦ ИПА СО РАН за помощь в проведении лабораторных исследований, дружескую поддержку и творческую атмосферу в коллективе. Автор благодарит за помощь в проведении полевых и аналитических работ A.C. Гамова, В.Ю. Шавырина, Е.А. Украинцеву, Я.Р. Соломина.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Проблемы накопления и распределения макроэлементов в торфяных почвах болотных экосистем

В первой главе на основании литературных данных изложено современное общее представление о болотных почвах (Бахнов, 1986, 2002, Инишева, 2006) и их химическом составе (Крештапова, 1974, 1994; Архипов и др., 1989, 1994а, 19946, 1995, 1997, 2000; Бернатонис и др., 1990; Добродеев О.П., 1990; Инишева, Цыбукова, 1997, 1999; Рассказов и др. 2001; Bowen, 1966; Shotyk, 1988, 1996а, 19966, 1997; Shotyk et al., 1990; Hill, Siegel, 1991; Novak, Wieder, 1992; Wind-Mulder et al, 1996; Steinmann, Shotyk, 1997; Timmen et al., 2001; Weiss et al., 2002; Zaccone et al., 2007; Klavins et al., 2009 и др.). Обсуждается роль подстилающих пород и почв, болотных растений и атмосферного переноса минерального вещества в формировании химического состава органогенного профиля болотных почв (Манская и др., 1960; Дроздова, 1963; Скрынникова, 1974; Тюремнов, 1976; Сапрыкин, 1984; Бахнов, 1986, 2002; Инишева и др., 1991, 1994; Инишева, Цыбукова, 1999 и др.).

Описываются подходы к ландшафтному изучению болотных систем. По определению Полынова (1946): геохимический ландшафт - это парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. Геохимические связи в катенах обусловлены направлением перемещения растворенных веществ потоками влаги и проявлением вертикальных и горизонтальных геохимических барьеров для переносимых элементов в зависимости от степени их подвижности (Пологова, 1992). Процесс миграции элементов может приводить как к эволюционному, так и к революционному изменению величин абсолютного разброса содержания химических элементов (Алексеенко, 2006). Сочетания сопряженных элементарных ландшафтов определяют геохимические потоки в нем. Поэтому геохимическая структура болотного ландшафта может определять основу для различного рода экологических оценок и решения ряда прикладных задач природопользования. Баланс макроэлементов,

процессы миграции, аккумуляции, их пространственно-временная вариабельность определяет равновесие геохимических структур болотных ландшафтов.

ГЛАВА 2. Природные условия территории исследования

Рассмотрены природные условия таежной зоны Западной Сибири.

Болотный массив расположен на низкой террасе в пределах Кондинского геохимического округа (Нечаева, 1990) в среднетаежной подзоне Западной Сибири (Шумилова, 1962). По болотному районированию территория исследования входит в среднетаежную провинцию Западно-Сибирских олиготрофных грядово-мочажинных и сосново-кустарничково-сфагновых болот (Лисс и др., 2001). Средняя заторфованность провинции составляет 50%.

ГЛАВА 3. Объекты и методы исследования

Исследования проводились на научно-исследовательском стационаре «Мухрино» Югорского Государственного Университета (г. Ханты-Мансийск). Географические координаты стационара: М60е53'41", Е68е41'45".

Изучались пять наиболее типичных торфяных почв для территории среднетаежной подзоны в сопряженных ландшафтах почвенно-геохимической катены - рослый рям, низкий рям, гряда, мочажина и олиготрофная топь (рис.1).

Производилось бурение скважин и послойный отбор образцов (каждые 10 см) на всю мощность торфяной залежи, также отбирались образцы минерального горизонта, находящегося под торфяной залежью. Бурение производилось торфяным буром ТБГ-1. Также нами отбиралось мертвое и живое растительное вещество в каждом исследуемом ландшафте катены. Отбор проб болотных вод осуществлялся из слоя торфа 10-30 см от поверхности. Всего проанализировано около 160 образцов.

S 9Д i 2 2,5 1 3,5 i A? j 5,5 KM

Рис. 1. Схема расположения болотных экосистем (точки отбора проб)

В отобранных образцах определяли ботанический состав, степень разложения, зольность и рН торфа по соответствующим стандартным методикам (ГОСТ 28545.2-89; Классификация торфов, 2000; ГОСТ 11305-83) в лаборатории биогеоценологии Института почвоведения и агрохимии СО РАН, Новосибирск. Содержание в образцах С, Н, N и S определяли на автоматическом элементном CHNS/O-анализаторе РЕ 2400-Н. Содержание К, Na, Са, Mg, Р и Fe после предварительного кислотного разложения определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ЮР MS) на Agilent 7500 се (США).

Обработка аналитической информации осуществлялась с помощью пакета программ Statistica 6, Excel.

ГЛАВА 4. Особенности ботанического состава и свойств

болотных почв

Почвы болотного массива относятся к стволу органогенных, и типу торфяных олиготрофных (верховых торфяников) (Классификация..., 2004). В «Классификации...» (1977) этому типу соответствуют болотные верховые. Почвы исследуемых элементарных ландшафтов представлены болотными верховыми торфяными почвами на средних (рослый рям) - мощность торфяной залежи 100-200 см, - и глубоких торфах (низкий рям,

гряда, мочажина и олиготрофная топь) - мощность торфяной залежи более 200 см. Торфообразование болотного массива происходило на сложенной древнеаллювиальными песчаными отложениями низкой террасе (Нечаева, 1991).

По ландшафтно-геохимическому профилю: рослый рям -низкий рям - гряда - мочажина - олиготрофная топь, средние величины рН изменяются в ряду: 3,1 - 3,0 - 3,5 - 3,8 - 3,2, средние значения зольности: 6,5 - 2,1 - 2,3 - 2,8 - 2,5%. В пределах вертикального профиля изменение рН незначительно и соответствует олиготрофной стадии развития. Зольность в торфяной толще изменяется в пределах 1-2%, и в целом соответствует содержанию золы в верховых торфах (Тюремнов, 1976). Рослый рям, вследствие его периферического положения в болотном массиве испытывает влияние сопряженных с ним территорий, что находит свое отражение в свойствах почвы.

Морфология и стратиграфия торфяных почв. Растительные сообщества низкого ряма и гряды формируют сфагновый торф, мочажина и олиготрофная топь - шейхцериево-сфагновый. Торфяной слой низкого ряма и гряды сложен, в основном, низкоразложенным фускум торфом. Основная часть почвы мочажины образована шейхцериево-сфагновым и шейхцериевым торфом средней и высокой степени разложения, сверху залежь перекрыта мочажинным балтикум и папилозум торфом. Торфяная залежь олиготрофной топи сформирована мочажинным балтикум торфом низкой степени разложения, в основании находится высокоразложенный шейхцериевый торф. Отмечено, что в почвах низкого ряма, гряды, мочажины и топи на протяжении почти всей истории формирования не менялись условия торфонакопления, о чем свидетельствует ботанический состав торфа. В болотном ландшафте низкий рям и гряда занимали повышенные элементы мезорельефа, мочажина и топь - подчиненное положение.

ГЛАВА 5. Элементный химический состав почв экосистем верховых болот средней тайги Западной Сибири

Обсуждаются результаты исследований содержания макроэлементов (С, Н, N, S, К, Na, Са, Mg, Р, Fe) и особенностей их распределения в торфяных почвах. Отмечены геохимические

особенности стратиграфии торфяной залежи по содержанию и распределению К, N3, Са, Р, Бе.

Углерод и водород. Среднее содержание С в органогенном слое почв составляет: рослый рям - 55%, низкий рям - 52%, гряда - 53%, мочажина - 54% и олиготрофная топь -55%. Среднее содержание Н по ландшафтно-геохимическому профилю изменяется в пределах 6,6-6,7%. Содержание С изменяется незначительно, в пределах 3%, содержание Н в пределах 0,1%, т.е. почти не меняется, что, возможно, связано с близким составом органического вещества торфа в пределах почвенно-геохимической катены. Величину отношения С/Н в торфах можно считать универсальным показателем, при одновременном анализе образца на углерод и водород, исключающим ошибки в абсолютных величинах. В изучаемых торфяных почвах изменение С/Н незначительно и колеблется около 8.

Азот и сера. Среднее содержание N в торфяных почвах рослого ряма - 1,1, низкого ряма - 0,6, гряды - 0,8, мочажины -1,9, олиготрофной топи - 1,3%. Однако его содержание по профилю почвы сильно изменяется: рослый рям 0,8-1,5%, низкий рям 0,4-1,2%, гряда 0,4-1,6%, мочажина 0,7-2,9% и топь 0,5-2,3%. Отмечено, что более равномерное распределение N в торфе характерно для ландшафтов, занимающих элювиальные позиции: гряда, низкий рям. Напротив, широким разбросом значений содержания N характеризуются почвы мочажин, занимающих подчиненное положение (мочажина и олиготрофная топь).

Изучаемые почвы характеризуются довольно однородным распределением Б, как в пределах вертикального почвенного профиля, так и между торфяными почвами отдельных болотных экосистем. Массовая доля Б резко возрастает в нижнем горизонте торфа при контакте с минеральным дном.

Зольные элементы: К, Ыа, Р, Ме. Са. Ре. Результаты исследований содержания и распределения макроэлементов позволили выделить ряд особенностей, как в пределах торфяной почвы, так и в пределах ландшафтно-геохимического профиля. Статистические оценки (среднее содержание элемента, коэффициент вариации) свидетельствуют об определенной

дифференциации элементов по уровню накопления в торфяных залежах (табл. 1). Наиболее стабильным содержанием характеризуются Р и Са. Ыа, напротив, сильно варьирует в пределах торфяной залежи. К и Бе занимают среднее положение, но ближе к Р и Са.

Таблица 1. Статистические показатели содержания элементов (мг/кг) и золы (А, %) в торфе исследуемых экосистем

Экосистема Ст/пок. А N3 Р К Са Ре

Низкий рям (п=31) М 2,1 91 284 153 148 1949 1369

а 0,8 84 81 70 115 697 683

У,% 36 93 29 46 77 36 50

5 0,3 30 29 25 40 245 240

Гряда (п=33) М 2,2 148 309 178 223 2266 1185

а 1,2 172 94 70 219 1265 725

У,% 53 116 30 39 98 56 61

5 0,4 59 32 24 75 432 248

Мочажина (п=32) М 2,8 202 218 190 428 1971 1106

а 0,6 100 69 31 178 1565 733

V, % 20 49 32 16 42 79 66

5 0,2 35 24 11 62 542 254

Топь (п=30) М 2,5 149 267 280 186 2019 1194

а 1Д 121 122 65 157 1180 849

У,% 44 81 46 23 84 58 71

6 0,4 43 44 23 56 422 304

Рослый рям (п=12) м 6,5 310 276 267 578 1511 1517

а 4,1 169 97 88 174 279 291

63 54 35 33 30 18 19

5 2,3 96 55 50 98 158 165

Примечание: п - объем выборки; М - среднее арифметическое; а - среднее квадратичное отклонение; V - коэффициент вариации; 5 - доверительный интервал.

Содержание золы по профилю торфяной залежи тесно связано с содержанием калия, натрия и фосфора, и, напротив, с кальцием, железом и магнием связь либо слабая, либо отсутствует. Обнаружена тесная связь между калием, натрием и фосфором, а также магнием, кальцием и железом. В качестве примера приводим торфяную залежь экосистемы гряды (рис.2). В подчиненных элементах болотного ландшафта - мочажине и топи отсутствует сильная связь фосфора с натрием и калием, что связано с увеличением его содержания за счет миграции. В качестве примера представляем экосистему олиготрофной топи (рис. 3). В мощных торфяных залежах, сложенных мочажинными торфами отмечено более равномерное схожее распределение кальция, железа и магния с увеличением их содержания в нижней части торфяного профиля. Тесная корреляция в накоплении этих элементов свидетельствует о стабильном режиме питания

см см см

Рис. 2. Распределение величин степени разложения торфа, зольности и содержания макроэлементов в торфяной залежи гряды

Выявлена общая тенденция к уменьшению содержания натрия и калия вниз по вертикальному профилю, связанная со снижением мобильности калия и натрия вследствие легкого их выщелачивания (вымывания из биологической торфяной матрицы)

(Gorham and Janssens, 2005). В подчиненных элементах болотного ландшафта - мочажине и топи - отсутствует сильная корреляционная связь фосфора с натрием и калием, что, возможно, связано с их миграцией и накоплением в торфяных залежах подчиненных элементарных ландшафтов, а, отчасти, и с биогеохимическими особенностями мочажинных торфов.

В распределении кальция, железа и магния отмечено повышение (с некоторыми колебаниями) их содержания вниз по профилю. Эту особенность связывают с высвобождением указанных элементов из нижних слоев подстилающего горизонта в болотные воды, дальнейшим движением их вверх по профилю за счет диффузии и последующим накоплением (фиксацией) в результате адсорбции растворенных металлов на органической матрице или их связывании с матрицей за счет комплексообразования (Hill, Siegel, 1991; Steinmann, Shotyk, 1997; Gorham, Janssens, 2005). Тесная корреляция в накоплении этих элементов свидетельствует о стабильном режиме питания торфяной залежи. (Архипова и др., 2000, Weiss et al., 2002). Нами отмечена средняя, слабая отрицательная или вообще отсутствующая корреляционная связь зольности и содержания магния, железа и кальция в профилях изучаемых почв.

Рис. 3. Распределение величин степени разложения торфа, зольности и содержания макроэлементов в торфяной залежи олиготрофной топи

По результатам нашего исследования мы можем говорить о довольно быстром переходе болотного массива на атмосферное питание на начальном этапе его формирования, и дальнейшего развития торфяной почвы в условиях бедного минерального питания. За основной процесс мы принимаем перераспределение элементов в профиле с постепенным снижением их концентрации по мере формирования торфяной толщи (Бахнов, 1986, 2002; Ефимов, 1986; Steinmann, Shotyk, 1997; Weiss et al, 2002; Klavins et al, 2009), на который накладывается поступление элементов (кальция, железа и магния) снизу вверх под действием диффузии и закрепление в вышележащих слоях торфа.

Исследование макроэлементов согласно стратиграфическому дифференцированию торфяной залежи (по ботсоставу и степени разложения торфа) не выявило четкой зависимости их содержания от ботанического состава торфа и степени его разложения.

На основании сравнения полученных результатов по содержанию макроэлементов в торфяных почвах с имеющимися литературными данными нами отмечено высокое содержание натрия и железа, среднее содержание калия, кальция и магния, а также низкое содержание фосфора в исследуемых торфяных почвах.

ГЛАВА 6. Геохимические особенности почв сопряженных элементарных ландшафтов болотного комплекса

В пределах исследуемого болотного массива выделены элювиальные, транзитные и аккумулятивные (трансаккумулятивные позиции). Представленный нами геохимический профиль элементарных ландшафтов включает в себя два полупрофиля: 1 - низкий рям (элювиальная позиция) — рослый рям (транс-аккумулятивная позиция); 2 - гряда (элювиальная позиция) — мочажина (транзитная позиция) - олиготрофная топь (транс-аккумулятивная позиция). В нашем исследовании геохимически автономными элементарными ландшафтами можно считать низкий рям и гряду в грядово-мочажинном комплексе, подчиненными элементарными ландшафтами рослый рям, мочажину (в грядово-мочажинном комплексе) и олиготрофную топь.

Используя классификацию геохимических структур ландшафтов (Чертко и др., 2006), отмечены особенности концентрационных распределений химических элементов в латеральной структуре болотного ландшафта.

Латеральная геохимическая структура болотного ландшафта по изученным нами элементам была определена как дисцендиально -асцендиальная (нисходяще -восходящая).

Радиальная геохимическая структура исследуемого болотного ландшафта является органогенной с преобладанием химических элементов в верхних (калий, натрий, фосфор) и нижних (магний, кальций, железо) горизонтах торфа. Интересно отметить, что геохимические структуры изученного болотного ландшафта сходны с ландшафтами болот Полесья Беларуси (Чертко и др., 2006).

Интенсивность вовлечения химических элементов в биологический круговорот характеризует коэффициент биологического поглощения (КБП) (рис.4). Он показывает, во сколько раз содержание химического элемента в биологическом объекте выше, чем в литосфере в целом или в каком-либо другом компоненте окружающей среды (почве или воде) (Перельман, 1975, Тентюков, 2010).

К

N3

16 С „ Й 8

о

К ■ т

Щ 1,5 ■;■•§

о

щ р

..... г;.....1.1

1 2 3 4 5 М.й

и О п [

1 2 3 4 5

2

1 -Н

и

га......й в

1 2 3 4 5 С»

I

1и ,0п......П

1 2 3 4 5

Ре

1 2 3 4 5

1

0,5

0

1..Я.:,.. 1 ...,,1......■

1 2 3 4 5

Рис.4. Коэффициенты биологического поглощения элементов в почвах элементарных ландшафтов. Обозначения: 1 - рослый рям; 2 - низкий рям; 3 - гряда; 4 - мочажина; 5 - топь

В исследовании были использованы доминанты болотных экосистем - сфагновые мхи: для рослого и низкого ряма, а также гряды - Sphagnum fuscum, для мочажины и олиготрофной топи -Sphagnum balticum. Расчет коэффициента биологического поглощения производился относительно среднего содержания элемента в торфяной почве (табл. 2).

Исследования показали, что КБП для разных элементов в исследуемых экосистемах различны. Экосистема рослого ряма характеризуется минимальными КБП калия, натрия, фосфора и железа и максимальными КБП - для магния и кальция. В экосистеме низкого ряма наблюдается обратная зависимость. Она характеризуется пониженным накоплением фитомассы сфагновых мхов магния и кальция и повышенным - калия, натрия, фосфора и железа. В экосистеме гряды КБП всех элементов, за исключением железа, имеют пониженные значения, в мочажине также наблюдается пониженное накопление всех элементов, но за исключением магния. Олиготрофная топь характеризуется минимальными КБП фосфора, кальция и железа и максимальными - калия, натрия и магния.

Согласно шкале И.А. Авессаломова (1987), к элементам сильного накопления во всех экосистемах мы можем отнести калий и магний (1 < КБП < 10), к элементам слабого накопления -железо (0,1 < КБП < 1). Остальные элементы накапливаются по-разному: значительные накопления натрия наблюдаются в доминантах низкого ряма, мочажины и топи, а слабые - в рослом ряме и гряде (табл.2). Кальций слабо накапливается почти во всех экосистемах, за исключением рослого ряма. Фосфор характеризуется высоким накоплением в растениях-доминантах низкого ряма, гряды и топи, и слабым - в рослом ряме и мочажине.

Нами отмечено, что по ряду элементов (Na, Mg, Р, Fe) почвы рослого ряма характеризуются более высоким их накоплением, по калию и натрию - почвы мочажины, а по кальцию - почвы гряды. Почвы низкого ряма и олиготрофной топи характеризуются более низким накоплением большинства элементов (К, Na, Mg, Fe).

Таблица 2. Содержание зольных элементов (мг/кг), коэффициенты их биологического поглощения (КБП) и торфо-литологические коэффициенты (КТЛ)

Экосистема Фракция/слой/ коэффициент мг/кг

К N3 Са М& Р Бе

Низкий рям фитомасса (мг/кг) 2185 322 1656 487 577 1045

торф сред, (мг/кг) 148 91 1949 284 153 1369

мин. гор. (мг/кг) 18031 11756 4860 4964 281 16996

КБП 14,8 3,5 0,8 1,7 3,8 0,8

КТЛ 0,01 0,01 0,4 0,06 0,54 0,08

вода (мг/л) 1,62 1,67 0,79 0,21 - 0,37

Гряда фитомасса (мг/кг) 840 206 1326 527 240 1091

торф сред, (мг/кг) 456 280 2454 350 183 1449

мин. гор. (мг/кг) 20869 11706 3305 7507 475 23023

КБП 1,8 0,7 0,5 1,5 1,3 0,8

КТЛ 0,02 0,02 0,74 0,05 0,39 0,06

вода (мг/л) 2,65 1,72 1,53 0,13 - 0,26

Мочажина фитомасса (мг/кг) 3204 251 696 621 166 398

торф сред, (мг/кг) 475 233 2199 232 189 1246

мин. гор. (мг/кг) 19389 10853 7659 4553 244 17179

КБП 6,7 1,1 0,3 2,7 0,9 0,3

КТЛ 0,18 0,04 0,29 0,05 0,68 0,08

вода (мг/л) 0,68 0,18 0,56 0,22 - 0,11

Топь фитомасса (мг/кг) 2914 431 1355 602 330 455

торф сред, (мг/кг) 214 166 2130 264 285 1329

мин. гор. (мг/кг) 18992 8919 3973 5958 477 22134

КБП 13,6 2,6 0,6 2,3 1,2 0,3

КТЛ 0,01 0,02 0,54 0,04 0,6 0,06

вода (озеро) (мг/л) 0,13 0,2 0,63 0,13 - 0,17

* «-» данные отсутствуют

Исследование содержания макроэлементов (К, Р, Са, М^ и Ре) показало, что их содержание и распределение в исследуемых болотных почвах зависит от ряда факторов. Видовой состав растений-торфообразователей является важным фактором в формировании химического состава торфяных почв.

Генетические условия формирования обусловлены биогенной формой миграции, которая обеспечивает накопление в торфе макроэлементов на начальном этапе формирования торфяной почвы и последующее перераспределение макроэлементов по вертикальному профилю (Бахнов, 1986, 2004, Ефимов, 1986). Радиальная миграция элементов (кальция, железа и магния) происходит в результате циркуляции болотных вод в торфяной залежи. Латеральная миграция ряда химических элементов (фосфора, железа) в подчиненные элементы болотного мезорельефа осуществляется с боковым внутрипочвенным стоком.

ГЛАВА 7. Запасы элементов в почвах верхового болотного комплекса

Запасы элементов в болотных экосистемах являются важной количественной характеристикой в изучении биологического круговорота (Базилевич, 1993). Кроме того, данные о таких запасах позволяют определить условия формирования конкретного болота. Определение запасов макроэлементов в фитомассе, торфяном очесе (Ао) и торфе в болотных экосистемах позволило выявить, что запасы макроэлементов (за исключением калия) в торфе превосходят их накопленные количества в фитомассе и торфяном очесе (табл.3). Наибольшие запасы элементов в торфе характерны экосистемам рослого и низкого ряма, а также гряды, что согласуется с литературными данными Е.К.Вишняковой (2009) и Н.П.Косых и др. (2010) по болотным экосистемам средней тайги (рис.5).

Са

-м8

2000 I

мочажина

Рие. 5. Запасы элементов в болотных экосистемах средней тайги в слое 0-30 см

(Вишнякова, 2009)

Экосистема слой / горизонт с Н N К N3 Са м8 Р Ре

Низкий рям фитомасса 1515 195 11 7 1 5 1 2 3

А0 3600 475 71 3 3 11 2 3 9

То-50 39079 5100 611 21 17 96 17 18 51

То-юо 86211 11177 1551 43 28 200 34 34 112

Гряда фитомасса 1310 155 13 2 0,5 3 1 0,7 3

А0 2759 354 29 1 1 18 2 1 8

То-50 24265 3094 301 19 17 60 13 11 43

То-шо 64970 8256 1095 58 41 134 29 30 87

Мочажина фитомасса 704 96 8 5 0,4 1 1 0,2 0,6

А0 1263 173 14 1 0,4 2 1 0,4 1

Т()-50 9874 1293 314 10 6 18 4 4 13

То-юо 26125 3341 978 28 15 44 10 10 30

Топь фитомасса 813 89 8 4 0,6 2 1 0,5 0,7

А0 1408 196 15 0,7 1 4 1 0,6 2

То-50 13307 1717 418 11 10 26 5 8 20

То-юо 34827 4401 1054 22 18 69 11 22 51

Запас углерода возрастает от фитомассы к торфу равномерно во всех исследуемых ландшафтах. Наибольшие запасы углерода сосредоточены в низком ряме, его количество в фитомассе составляет 1,5 кг/м2, в торфяном очесе — 3,6 кг/м2, в торфе — 7,8 кг/м2. На гряде и в мочажине количество углерода снижается и колеблется в пределах 1,3-2,8—4,9 кг/м2 и 0,7-3,1-2,0 кг/м2, соответственно. По данным КоБукЪ й а1. (2009), запас углерода в фитомассе на гряде для средней тайги несколько ниже наших показателей и составляет около 0,9 кг/м2. Запас железа увеличивается в ряду «фитомасса-торфянойочес-торф» по всем составляющим изучаемой катены. Запас азота также возрастает в ряду «фитомасса-торфяной очес-торф», причем в торфе рослого ряма эти запасы увеличиваются в 11 раз относительно торфяного очеса, в торфе низкого ряма - в 6 раз относительно торфяного очеса и торфа , для гряды - в 2 раза, для мочажины - в 4,5 раза и для топи - в 5,5 раз, соответственно.

выводы

1. Образование исследуемого болотного массива началось с мезотрофной стадии. В процессе его развития произошла быстрая смена мезотрофной стадии торфообразования на олиготрофную, в которую была сформирована почти вся залежь основной части болотного массива.

2. Содержание углерода и водорода в торфяном профиле изучаемых почв практически не изменяется, массовое отношение С/Н для всех почв равно примерно 8, что говорит об одинаковых условиях обводненности на протяжении всего периода формирования торфяной почвы.

3. Наиболее стабильным содержанием в типичных верховых торфах исследуемого болотного массива (фускум, балтикум, шейхцериево-сфагновый и шейхцериевый) характеризуются такие макроэлементы, как фосфор, магний, кальций и железо. Содержание натрия и калия в пределах одного вида торфа сильно варьирует, особенно - в фускум торфе. Более стабильное содержание элементов отмечено для мочажинных видов торфа (балтикум, шейхцериево-сфагновый и шейхцериевый).

4. Зольность по профилю почв тесно коррелирует с содержанием калия, натрия и фосфора. Связь содержания золы с содержанием кальция, железа и магния отсутствует совсем или является слабой, несмотря на то, что эти химические элементы принято относить к основным золообразующим.

5. Установлена тесная связь в распределении содержания калия, натрия и фосфора в торфяных почвах автономных ландшафтов (низкого ряма и гряды) и калия и натрия в подчиненных ландшафтах (мочажине и топи). Для верхней части профиля торфяной почвы характерно наличие экстремумов в увеличении количества указанных элементов, что может быть приурочено к сменам климатических условий в сторону потепления. В нижней части профиля содержание калия, натрия и фосфора стабильно.

6. Латеральная геохимическая структура болотного ландшафта по изученным нами химическим элементам (калий, натрий, фосфор, магний, кальций и железо) была определена как нисходяще-восходящая. Радиальная геохимическая структура исследуемого болотного ландшафта - органогенная с преобладанием в верхних горизонтах торфа калия, натрия и фосфора, а в нижних - магния, кальция и железа.

7. Интенсивность вовлечения химических элементов в биологический круговорот для исследуемых болотных экосистем различна. Максимальными коэффициентами биологического поглощения всех исследуемых элементов характеризуется низкий рям, для калия, натрия, кальция и магния - олиготрофная топь. Средние показатели КБП для всех исследуемых элементов отмечены для гряды, минимальные значения наблюдаются в мочажине (для кальция, фосфора и железа) и рослом ряме (для калия, натрия, магния и фосфора).

8. Количественные характеристики запаса макроэлементов показывают наличие стока по профилю фитомасса - торфяной очес -торф. Запасы углерода возрастают в 2 раза в очесе и в 7 раз в торфе по сравнению с фитомассой. Запасы азота в очесе увеличиваются в топи и мочажине в 2 раза относительно фитомассы, в низком ряме - в 9 раз и на гряде в - 6 раз. В торфе количество азота увеличивается в среднем в 17 раз. Запас зольных элементов (Р, Са, Мё, Ыа) возрастает вниз по профилю в соотношении 1:2:10.

Спнсок работ, опубликованных по теме диссертации Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Степанова В.А., Покровский О.С. Макроэлементный состав торфа выпуклых верховых болот средней тайги Западной Сибири (на примере болотного комплекса «Мухрино») // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2011. № 352 (ноябрь 2011). -С. 211-214.

Публикации в других научных изданиях:

\

2. Степанова В.А., Миронычева-Токарева Н.П. Распределение углерода в торфяной толще олиготрофного комплекса средней тайги Западной Сибири // ГЕО-Сибирь-2010. Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология: Материалы VI Международного научного конгресса, Т.4, ч.2. - Новосибирск, 2010. - С. 109-113.

3. Степанова В.А. Элементный химический состав торфов средней тайги Западной Сибири // I Ковалевские чтения «Почвы Сибири: прошлое, настоящее, будущее»: Материалы Всероссийской

4. Степанова В.А. Геохимические структуры болотных ландшафтов // Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов. XIV Докучаевские молодежные чтения: Материалы Всероссийской научной конференции. - Санкт-Петербург, 2011. - С. 369-371.

5. Степанова В.А. Биогеохимические особенности болотной катены // «Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее». Материалы третьего Международного полевого симпозиума. - Ханты-Мансийск, 2011. - С. 75-77.

6. Косых Н.П., Коронатова Н.Г., Степанова В.А. Запасы общей фитомассы и чистая первичная продукция болотных экосистем средней тайги (на примере болотного массива Мухрино) // «Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее». Материалы третьего Международного полевого симпозиума. - Ханты-Мансийск, 2011. - С. 117-119.

Заказ №55. Подписано 20.04.2012. Тираж 100 экз. Усл. п. л. 1 Отпечатано в Издательском доме ООО «Окарина», г. Новосибирск, ул. Ленина, 9

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Степанова, Вера Андреевна, Томск

61 12-3/1042

Институт почвоведения и агрохимии СО РАН

На правах рукописи

С/'\

СТЕПАНОВА ВЕРА АНДРЕЕВНА

ОСОБЕННОСТИ МАКРОЭЛЕМЕНТНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОЧВ ВЕРХОВЫХ БОЛОТ СРЕДНЕЙ ТАЙГИ

ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.02.13 - почвоведение

Научный руководитель: кандидат биологических наук Миронычева-Токарева Н.П.

Томск -2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение 5

Глава 1. Проблемы накопления и распределения

макроэлементов в торфяных почвах болотных экосистем 9

1.1. Источники минерального питания болотной растительности 11

1.2. Исследование элементного состава торфяных почв 16

Глава 2. Природные условия и почвенный покров территории

исследования 21

2.1. Геология 22

2.2. Рельеф 23

2.3.Климат 24

2.4. Почвы 24

2.5. Растительность 27

2.6. Природные воды 29

2.7. Ландшафтная характеристика 30 Глава 3. Объекты и методы исследования 32

3.1. Объекты исследования 3 2

3.2. Методы исследования 35

Глава 4. Особенности ботанического состава и свойств

болотных почв 39

4.1. Почвы болотного массива 39

4.2. Свойства торфяных залежей исследуемых экосистем 41

4.3. Морфология и стратиграфия торфяной залежи 44

Глава 5. Элементный химический состав торфов и торфяных

залежей верховых болот средней тайги Западной Сибири 50

2

5.1. Углерод и водород 5 о

5.2. Азот и сера 57

5.3. Зольные элементы - калий, натрий, фосфор, магний,

кальций, железо 64

5.3.1. Распределение содержания зольных элементов в органогенном слое почв болотных экосистем 64

5.3.2. Геохимические особенности стратиграфии торфяных горизонтов 80

Глава 6. Геохимические особенности почв сопряженных элементарных ландшафтов болотного комплекса 91

Глава 7. Запасы элементов в почвах верхового болотного комплекса 112

Выводы 124

Список литературы 126

Приложение 1. Содержание золы в торфяных и минеральных образцах болотных экосистем 148

Приложение 2. Значения рН в исследуемых болотных экосистемах 149

Приложение 3. Степень разложения и ботанический состав торфа

низкого ряма 150

Приложение 4. Степень разложения и ботанический состав торфяного слоя гряды 151

Приложение 5. Степень разложения и ботанический состав торфяного слоя мочажины 152

Приложение 6. Степень разложения и ботанический состав торфяного слоя олиготрофной топи 153

Приложение 7. Содержание макроэлементов в торфяном слое

низкого ряма 154

Приложение 8. Содержание макроэлементов в торфяном слое

гряды 155

Приложение 9. Содержание макроэлементов в торфяном слое мочажины 156

Приложение 10. Содержание макроэлементов в торфяном слое олиготрофной топи 257

Приложение 11. Содержание макроэлементов в торфяном слое

рослого ряма 258

Приложение 12. Содержание углерода в торфе исследуемых болотных экосистем

Приложение 13. Содержание водорода в торфе исследуемых болотных экосистем

Приложение 14. Содержание азота в торфе исследуемых болотных экосистем

Приложение 15. Величина С/Н в торфе исследуемых болотных экосистем

Приложение 16. Величина СЛЧ в торфе исследуемых болотных экосистем

159

160

161

162

163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования определяется важной ролью биологического поглощения макроэлементов в торфяных почвах как звена биогеохимических циклов в функционировании болотных экосистем. Стабильность биогеохимических циклов макроэлементов является основной предпосылкой длительного существования болот Западной Сибири (Родин, Базилевич, 1965; Карпачевский, 1977; Манаков, Никонов, 1981). Изучение закономерностей накопления и распределения макроэлементов в торфяном слое почвы имеет определяющее значение для познания механизма и динамики болотообразования как почвенного процесса, основных закономерностей формирования состава и основных ее свойств (Караваева, 1982; Бахнов, 2002). На территории бывшего Советского Союза содержание макроэлементов в торфяных почвах интенсивно изучалось в связи с мелиоративными работами на болотах Белорусского полесья, Карелии и юга Западной Сибири (Пьявченко, 1955; Глебов и др., 1973; Нейштадт, 1977; Раковский, Пигулевская, 1978; Нечаева, 1992).

В настоящее время российских и зарубежных исследователей беспокоят проблемы, связанные с глобальным потеплением, проявления которого наиболее заметны в высоких широтах. Поскольку почвенно-растительная составляющая болотных ландшафтов является очень чувствительной по отношению к внешнему воздействию, ожидается, что глобальное изменение климата значительно отразится на их состоянии со сдвигом баланса круговорота макроэлементов. Согласно прогнозируемым климатическим сценариям, произойдет изменение величин химизма поверхностных и почвенно-грунтовых вод, определяемых геохимической обстановкой и степенью участия химических элементов в биологическом круговороте. Несмотря на традиционное внимание к запасам и распределению макроэлементов в торфяных почвах, их латеральные миграции по почвенно-геохимической катене практически не изучены.

Цель работы - выявить особенности накопления и распределения макроэлементов в верховых торфяных почвах, сформированных в сопряженных

элементарных ландшафтах на примере почвенно-геохимической катены типичного олиготрофного болотного комплекса средней тайги Западной Сибири.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. изучить ботанический состав и свойства болотных почв в пределах изучаемого болотного массива;

2. определить содержание и запасы макроэлементов (С, Н, Ы, 8, Р, Ыа, К, Са, М& Бе) в профиле болотной почвы изучаемых элементарных ландшафтов;

3. определить распределение концентраций элементов в торфяной почве элементарных болотных ландшафтов;

4. рассчитать латерально-миграционную дифференциацию макроэлементов по почвенно-геохимической катене изучаемого болотного комплекса;

5. провести сравнительную характеристику распределения макроэлементов в торфяных почвах болотных ландшафтов среднетаёжной подзоны Западной Сибири.

Научная новизна.

1. Установлено, что на протяжении почти всей истории формирования торфяной почвы сопряженных элементарных ландшафтов средней тайги ЗападноСибирской низменности условия торфонакопления не менялись: низкий рям и гряда занимали повышенные элементы рельефа и, как и в современное время, были сложены фускум торфом; мочажина и олиготрофная топь занимали подчиненное положение в болотном ландшафте и были сформированы балтикум, шейхцериево-сфагновым и шейхцериевым торфом, что свидетельствует о метахронности изменений климата и смены почвенно-растительного покрова экосистем на данной территории.

2. Впервые установлено, что содержание углерода и водорода в органическом веществе почвенного профиля каждой экосистемы практически не меняется, а их соотношение равно примерно 8, что говорит о незначительной изменчивости гидротермических условий формирования торфяной почвы болотного массива в течение периода его образования.

3. Впервые выявлено, что почва низкого ряма характеризуется максимальными коэффициентами биологического поглощения всех исследуемых элементов; почва олиготрофной топи - максимальными коэффициентами биологического поглощения только для калия, натрия, кальция и магния, тогда как средние показатели этого коэффициента выявлены для всех исследуемых элементов почв гряды, а минимальные его значения наблюдаются в мочажине (для Са, Р и Ре) и рослом ряме (для К, Ыа, и Р).

4. Впервые для условий средней тайги Западно-Сибирской низменности установлено, что латерально-миграционная сопряженность торфяных почв болотного ландшафта определяется биогеохимическим циклом макроэлементов в нем. Рассчитаны латеральная и радиальная геохимические структуры почв элементарных ландшафтов, обоснован нисходяще-восходящий тип латеральной и органогенный тип - радиальной, с преобладанием разного набора элементов в верхних и нижних горизонтах торфяного слоя в рамках последней.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Исследования вносят вклад в теорию биологического круговорота макроэлементов, а также развивают представления о процессах накопления и распределения углерода, азота и зольных элементов в сопряженных ландшафтах, о взаимодействии между циклами С и N при смещении баланса углерода при глобальном изменение климата. Материалы по распределению макроэлементов в торфяных почвах могут быть использованы при проведении экологического мониторинга естественных и нарушенных болотных экосистем.

Защищаемые положения:

1. В торфяных почвах болотных ландшафтов средней тайги Западной Сибири интенсивность вовлечения изучаемых химических элементов в биологический круговорот максимальна только в низком ряме; для калия, натрия, кальция и магния - в олиготрофной топи; средними показателями биологического поглощения для всех исследуемых элементов отличается гряда. Для кальция,

фосфора и железа интенсивность биологического поглощения минимальна в мочажине, и для калия, натрия, магния и фосфора - в рослом ряме.

2. Латеральная геохимическая структура болотного ландшафта на территории среднетаёжной подзоны Западной Сибири по элементам калий, натрий, фосфор, магний, кальций и железо определяется как дисцендиально-асцендиальная (нисходяще-восходящая), а радиальная геохимическая структура - как органогенная с преобладанием разного набора элементов в верхних и нижних горизонтах торфа.

Публикации и апробация работы. Положения диссертационной работы опубликовано в 6 печатных работах, в т.ч. 1 публикация - в журнале из перечня ВАК. Материалы доложены и обсуждены на следующих конференциях: на Международном конгрессе «ГЕО-Сибирь» (Новосибирск, 2010), на Всероссийской научной конференции «Ковалевские молодежные чтения» (Новосибирск, 2010), на Всероссийской научной конференции «Докучаевские молодежные чтения» (Санкт-Петербург, 2011), на третьем Международном полевом симпозиуме «Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: прошлое и настоящее (Ханты-Мансийск, 2011).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы, который включает в себя 200 источников, и 16 приложений. Работа изложена на 163 страницах, содержит 15 таблиц и 43 рисунка, иллюстрирующих полученные результаты.

Автор выражает глубокую признательность к.г.-м.н. О.С. Покровскому (Тулуза, Франция) за организацию отдельных аналитических исследований и неоценимую помощь в этом, д.б.н. А.И. Сысо за постоянные консультации в процессе работы, а также сотрудникам лаборатории БГЦ ИПА СО РАН за помощь в проведении лабораторных исследований, дружескую поддержку и творческую атмосферу в коллективе. Автор благодарит за помощь в проведении полевых и аналитических работ A.C. Гамова, В.Ю. Шавырина, Е.А. Украинцеву, Я.Р. Соломину.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАКРОЭЛЕМЕНТОВ В ТОРФЯНЫХ ПОЧВАХ БОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМ

До недавнего времени болота привлекали внимание ученых и практиков главным образом лишь с точки зрения запасов торфа и качества торфяного сырья как ценного природного ресурса. В последние годы на первое место выходит биосферная роль болот. Несмотря на широкое распространение в Западной Сибири торфяных болот, фактические данные о скорости накопления и содержании углерода и макроэлементов в торфяных залежах весьма ограничены, что препятствует установлению их истинной роли в глобальных циклах вещества, в формировании и поддержании биологического разнообразия региона (МокгопоБОУ, 1999).

Болота Земли служат важными элементами в системе взаимосвязи, взаимодействия и взаимообусловленности отдельных их компонентов: литогенной основы, климата, почв, вод и т.д. Оригинальную оценку болотам дал А.Д. Дубах (1944), характеризуя их или как озера, но со связанной водой, или как сушу, содержащую обычно 90% воды и лишь 10% сухого вещества.

Органическое вещество болотных почв подвергается различным преобразованиям вплоть до его разрушения микроорганизмами, которые расщепляют органику до минеральных соединений - углекислого газа, воды, азота и минеральных солей. По сведениям Н.И. Пьявченко (1979), с торфом консервируется в среднем 16,5% исходного количества отмирающей растительной массы. Остальная часть органики минерализуется и расходуется на газообмен, прирост новой биомассы, а также выносится с поверхностным, внутрипочвенным и подземным стоками. Целостность и функционирование любого современного болотного ландшафта поддерживается и контролируется условиями биогенной миграции органики и химических элементов. С энергетических позиций накопление в болотах вещества представляет собой ассимиляцию солнечной энергии через растительность.

Рассматривая болота в качестве аккумуляторов влаги, нельзя не отметить, что, расходуя влагу преимущественно на испарение (Пьявченко, 1985), они уменьшают общие ресурсы стока водосборов. Мысль, сформулированная В.В. Докучаевым ещё в середине прошлого века (1949, с. 27) и звучащая как «...Такие важные ... вопросы, как естественное место болот среди других явлений природы, коренные причины, обусловливающие их существование, и, наконец, те неизбежные последствия, которые вызывают, в свою очередь, болота в экономии природы, - всё это пока остается без ответа», не утратила своей актуальности и в настоящее время. Особое звучание идеи В.В. Докучаева приобрели в современных условиях усиливающейся антропогенной нагрузки на природу и выдвижения на передний план экологических проблем. В.В. Докучаев (1951, с. 399) обращал внимание на преобладание отраслевого принципа познания, когда изучались только отдельные компоненты природы, но не их «...генетическая, вековечная и всегда закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой. А между тем, именно эти соотношения, эти закономерные взаимодействия и составляют сущность познания естества, ядро истинной натурфилософии - лучшую и высшую прелесть естествознания». Поэтому, оценивая болота в биосфере, особенно в связи с вопросами их освоения разнообразными отраслями промышленности и сельского хозяйства, необходимо осуществлять системный анализ функционирования данных гидроморфных природных образований. А это возможно только на уровне междисциплинарного научного обоснования (Моисеев, 1988).

В настоящее время часто под болотами понимаются избыточно увлажненные территории. При этом одни исследователи считают обязательным признаком болота торфообразование и торфонакопление (Аболин, 1914; Богдановская-Гиенэф, 1946; Галкина 1946; Галкина, Абрамова, Кирюшкин, 1974; Романова, 1974; Иванов 1975; Тюремнов, 1976; Лисс, Березина, 1981), другие в принципе допускают наличие болот без торфа (Докучаев, 1949; Сукачев, 1926; Пьявченко 1963, Глебов, 1969; Нейштадт, 1971; Брадис, 1974).

H.Я. Кац (1971) включает в категорию болот торфяники, минеральные болота с мелким слоем торфа или аллювиальным субстратом, заболоченные земли (леса, луга, тундры), пресноводные и солоноводные сообщества гидрофитов с минеральными или органическими водными седиментами (сапропелями) и даже солончаки.

Многие исследователи, которые кроме теоретических разрабатывали и практические вопросы в связи с сельскохозяйственным и промышленным использованием переувлажненных территорий, также четко разделяют болота -земли с торфом, торфяные почвы - и минеральные заболоченные территории -плывуны, трясины (Вильяме, 1949; Табаков, 1973; Шапошников, 1974; Тюремнов, 1976; Скоропанов и др., 1987).

Изучение западносибирских болот показало, что в среднем голоцене образовались колоссальные болотные массивы, и климатические колебания не влияли на развитие их центральных частей. Об этом свидетельствует стратиграфия торфяных залежей крупных болот, центральные части которых обнаруживают исключительную монотонность в своем строении: однообразный ботанический состав, незначительные колебания степени разложения, зольности, влажности (Лисс, Березина, 1981).

I.1. Источники минерального питания болотной растительности

Каждому временному этапу процесса заболачивания соответствуют свои структурно-вещественные характеристики ландшафтных фаций (или экосистем) (Бахнов, 1986). Несмотря на разнообразие условий увлажнения, выделяются общие черты заболачивания почв (Караваева, 1982, Бахнов, 1986, Пологова, 1992): на легких породах- это усиление А1-Ре-гумусового процесса в почвах и образование ортзандового горизонта, при заболачивании на тяжелых породах проявляется органо-глеевый процесс, при котором уплотненный иллювиальный горизонт почв активизирует заболачивание. Болотный процесс, который вызван переувлажнением почв, сопровождается накоплением оксидов

железа разной степени гидратации в местах геохимических барьеров (Розанов, 1983, Бахнов, 1986, Пологова, 1992).

Геохимические связи в катенах обусловлены направлением перемещения растворенных веществ потоками влаги и проявлением вертикальных