Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Распределение, запасы и формы органического вещества в почвах Южной Тайги (на примере Центрально-лесного заповедника)

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Распределение, запасы и формы органического вещества в почвах Южной Тайги (на примере Центрально-лесного заповедника)"

На правах рукописи

I

I >\ / I г

и

ДОРОФЕЕ©^ АтеРИПА ш

ПЛЫШИЧПА

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, ЗАПАСЫ И ФОРМЫ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПОЧВАХ ЮЖНОЙ ТАЙГИ (на примере Центрально-лесного заповедника)

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологически* наук

Москва, 1997

Работа выполнена на кафедре географии почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

академик РАН Г.В.Добровольский

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук профессор Л.О.Карпачевский

кандидат биологических наук Е.В.Кречетова

Ведущее учреждение

Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН

Защита состоится " "_ 1997 г.

М-2 на заседании диссертационного совета К

в 15 час. 30 мин. в ауд. 053.05.16 МГУ им.

М.В.Ломоносова по адресу: 119899 Москва, Воробьевы горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан "_" 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Г.В.Мотузова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние годы проблема оценки запасов углерода в почвах привлекает внимание ученых, в частности, в связи с возможностью усиления минерализации органического вещества в результате глобального потепления климата. Имеющиеся данные позволяют дать лишь весьма приблизительные оценки этих запасов, так как комплексные работы по учету запасов углерода подстилок и углерода гумуса с учетом разнообразия почвенного покрова для южной тайги весьма немногочисленны. Кроме того, расчеты запасов почвенного углерода выполнялись в большей мере для пахотных почв, без учета почв под лесами, занимающими в южной тайге значительные площади.

Дагаше по запасам почвенного углерода необходимы также для изучения функционирования почв в естественных ландшафтах и выявления влияния на него таких факторов, как заболачивание, вырубки, гари и др. Кроме того, имеющиеся в литературе данные отражают запасы органического вещества в основном для почв автоморфных позиций, тогда как в южной тайге полугидроморфные и гидроморфные почвы также занимают значительные площади. В большинстве этих работ не учитывается разнообразие почвенного покрова на ландшафтном уровне, что может приводить к существенным ошибкам при расчетах глобальных запасов органического вещества.

Наконец, именно органическое вещество почв и, в частности, лесные подстилки являются основным буфером при неблагоприятных антропогенных воздействиях, что также определяет актуальность исследования их запасов.

Цели и задачи. Основная цель данной работы - выявить главные закономерности пространственного распределения запасов органического вещества в почвах южной тайги.

При этом были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Выявить особенности профильного распределения и определить величины запасов углерода подстилок и гумуса почв в зрелых ЬГЦ, слагающих ландшафт изучаемой территории. Оценить влияние

гидрологических условий, характера почвообразующих пород и типа леса на состав, профильное распределение и запасы органического вещества.

2. Дать оценку запасов углерода в почвах ЦЛГБЗ на основе почвенной карты м-ба 1:25 ООО.

3. Оценить изменение изучаемых параметров при природных сукцессиях (ветровальные нарушения, обратимое заболачивание).

4. Оценить скорость разложения органического вещества лесных подстилок в модельных и природных экспериментах.

Научная новизна. Впервые получены экспериментальные данные по запасам органического вещества в почвах и соотношению его основных компонентов на территории, сложенной ненарушенными южнотаежными биогеоценозами, с учетом структуры почвенного и растительного покрова. Впервые получены данные по запасам и соотношению органического вещества разной степени устойчивости к разложению, позволяющие более точно прогнозировать возможные изменения углеродного пула.

Практическая ценность. Полученные данные могут быть использованы для мониторинга углеродного состояния ландшафтов южной тайга, для прогноза эволюции вторичных южнотаежных ландшафтов, подвергшихся антропогенной нагрузке, а также для детальных почвенно-биогеоценотических исследований. Данные по величинам углеродного пула разной степени устойчивости к разложению могут быть использованы для создания региональных моделей прогнозов реакции почв на изменение климата.

Объем работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста, включает таблиц и рисунков. Она состоит из введения,

глав, заключения и приложений. Список литературы содержит наименований на русском и английском языках.

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано ¿^работ, ^принято в печать.

Апробация. Материалы диссертации докладывались на заседаниях кафедры географий почв факультета почвоведения МГУ.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю проф.

Г.В.Добровольскому, а также доц. С.Я.Трофимову за постоянную помощь в работе.

Глава 1. ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО В ТАЕЖНЫХ ПОЧВАХ: ФОРМЫ, ЗАПАСЫ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ

В последнее время в науке о почве наметился переход от рассмотрения почвы как результата действия факторов почвообразования к изучению функций почвы в экосистемах и биосфере в целом.

Это учение о функциях почвы, разрабатываемое в трудах Г.В.Добровольского и Е.Д.Никитина (1986, 1990), является логическим развитием идей В.В.Докучаева, В.И.Вернадского, В.Н.Сукачева, Б.Б.Полынова, А.А.Роде, С.В.Зонна, Н.П.Ремезова, ВАКовды и других ученых. В настоящее время эта проблема, помимо чисто теоретического, приобретает также громаднейшее практическое значение во всем мире, в первую очередь в связи с глобальными климатическими изменениями, динамика которых в значительной степени зависит от отклика почв на них, поскольку роль почвы в регулировании газового состава атмосферы чрезвычайно целика. Из этого следует чрезвычайная актуальность проблемы достоверной оценки запасов органического углерода в почвах мира. Несмотря на определенный прогресс в решении этого вопроса, окончательной ясности в нем нет, причем одной из основных задач является получение достоверных данных по запасам углерода в бореальном поясе. Кроме того, необходимы более точные данные по запасам лесных подстилок, поскольку именно они представляют тот пул относительно лабильных соединений углерода, который будет затронут климатическими изменениями в первую очередь.

Несмотря на обилие данных по запасам подстилок, в том числе по южнотаежным экосистемам, содержащихся в работах многих авторов (Родин, Базилевич, 1964; Кобак, 1988 и др.), они носят отрывочный характер, поскольку, как правило, рассматриваются лишь отдельные тт*и биогеоценозов и почв, характерных для той или иной территории, но практически нет работ, в которых были бы проведены определения запасов органического вещества для территории в целом, с учетом почвенного

покрова территории. Поэтому строящиеся на таких отрывочных данных обобщения явно искажают реальную ситуацию, что и является одной из причин неопределенности в оценке запасов углерода на глобальном уровне. Конечно, провести прямое статистически достоверное определение запасов углерода в подстилках на обширной территории практически невозможно, что и определяет ту значимость, которую должны иметь исследования, направленные на выявление зависимости запасов углерода в подстилках, минеральных горизонтах почв, соотношения между ними, от региональной специфики факторов почвообразования. Подобные исследования могут и должны проводиться на основе определенной "модельной" территории с последующей экстраполяцией на основе почвенных, геоботанических и других крупно- и среднемаспггабных карт на сопредельные территории.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Район исследования - Центрально-лесной государственный биосферный заповедник (ЦЛГБЗ) расположен в юго-западной части Валдайской возвышенности, на стыке ее со Смоленско-Московской возвышенностью.

Слабо расчлененный и почти бессточный характер рассматриваемой территории при слабой водопроницаемости почвообразующих пород и избыточном атмосферном увлажнении наряду с другими факторами способствуют тому, что на территории заповедника господствуют не зональные широколиственно-еловые леса, а еловые леса южнотаежного типа (Миняев, Конечная, 1976). На слабо расчлененных водоразделах распространены еловые леса бореальной структуры и экологии, застойный характер влаги приводит здесь к формированию парцелл группы сфагновых ельников. Хорошо дренированные склоны водоразделов заняты еловыми лесами неморальной структуры и экологии: благоприятный водно-минеральный режим способствует здесь формированию полидоминантных парцелл с участием бореальных и неморальных элементов, которые в целом формируют сложный ельник. Неморальио-бо реальные ельники, распространенные на слабо дренированных склонах водоразделов,

представлены ельниками чернично-кисличными и ельниками черничными (Абрамова, Уланова, 1979). Значительную площадь занимают верховые болота, на окраинах которых произрастают сосняки багульниково-сфагаовые.

Ведущим фактором дифференциации почвенного покрова, обусловливающим разнообразие морфолого-аналитических характеристик почв подзолистого типа на этой территории является водный режим почв, в свою очередь зависящий от формы поверхности и состава почвообразующих пород (Карпачевский и др., 1995). Широкое распространение плоских водораздельных поверхностей, часто в сочетании с тяжелым гранулометрическим составом моренных отложений, предопределяет активное развитие поверхностного обратимого заболачивания.

Для преобладающих на территории ЦЛГБЗ ельников бореального типа (ельники сфагновые, черничные и чернично-сфагновые) характерны так называемые "белоподзолистые" (подзолисто-глеевые оторфованные) почвы, испытывающие длительное переувлажнение в весенне-осенний период суммарной продолжительностью от 3-х месяцев и более, что обусловливает развитие восстановительных процессов, образование мощного горизонта оторфованной лесной подстилки. На выпуклых водоразделах и пологих участках склонов под елышками кисличниковыми развиты палево-подзолистые почвы разной гумусировашюсти и оглеенности. На выпуклых элементах склонов под ельниками аморальными

распространены почвы, отнесенные к типу "бурозем" (Трофимов, Строганова, 1991).

С целью оценки запасов углерода в органогенных горизонтах почв ЦЛГБЗ в ходе составления банка данных на фоновых участках отбирались монолиты площадью 1/16 м- в 5-7 кратной повторности с последующим высушиванием, взвешиванием и определением содержания углерода на экспресс-анализаторе (Трофимов, Дорофеева, Гончарук, 1997). В минеральных горизонтах почв определяли углерод и объемный вес. Кроме этого, использовались данные полевых и лабораторных исследований, проведенных при составлении почвенной карты (мощность органогенных горизонтов, содержание гумуса в минеральных горизонтах и их мощность и

др.). Площади почв оценивались по почвенной карте ЦЛГБЗ м-ба 1:25000 (Гончарук, 1995).

Исследования изменения запасов лесных подстилок при ветровальных нарушениях проводились в ельнике неморально-кисличном на дерново-палевоподзолистой глубоко-глееватой почве на завалуненной карбонатной суглинистой морене, на участке массового ветровала 1987 г.; в ельнике сложном на оподзоленном буроземе на покровном бескарбонатном суглинке; в ельнике сфагново-черничном на белоподзолистой почве на покровных суглинках.

' Определение скорости разложения хвойного опада в природных условиях проводилось методом изоляции в нейлоновых мешочках в буроземе под ельником сложным, в оторфованной белоподзолистой почве под ельником черничниковым и в торфяно-глеевой почве под ельником сфагновым. Навеска воздушно-сухой хвои помещалась в нейлоновый мешочек с размером ячеек 0,5 мм в нижней части и 1 мм в верхней и закладывалась в верхнюю часть подстилки. Мешочки были заложены в 25-кратной повторности в августе 1994 г. на 10 сроков отбора и снимались с интервалом 2-4 месяца в зависимости от времени года. Потеря веса определялась взвешиванием с предварительным высушиванием до воздушно-сухого состояния. Кривые потери веса строились с использованием программы Microsoft-Excel 5,0.

Скорость разложения органического вещества в лабораторных условиях определяли при оптимальной влажности (соответствующей водоудерживающей способности) при 18-20° С по интенсивности выделения углекислого газа, который улавливался раствором NaOH, с титрометрическим окончанием.

Глава 3. ОЦЕНКА ЗАПАСОВ УГЛЕРОДА В ПОЧВАХ ЦЛГБЗ

Почвенный покров территории ЦЛГБЗ изучен достаточно подробно (Кучинский, 1937; Роде, 1941,1950; К.М.Смирнова, 1948; Пономарева, 1973; Карпачевский, 1979; Строганова, 1978; Бондарь, Строганова, 1979; Бондарь, 1983; Трофимов, 1989; Гончарук, 1995 и др.). Тем не менее, единственным

специальным исследованием запасов органического углерода подстилок остается работа М.МЛбрамовой (1947), в которой подробно рассматривается сезонная изменчивость запасов подстилки и ее химического состава, однако объектом изучения являются лишь палевоподзолистые почвы одной пробной площади. Оценки же запасов углерода в других почвах с учетом занимаемых ими площадей до стгх пор произведено не было. Между тем, несмотря на то, что произрастающие на территории ЦЛГБЗ коренные южнотаежньге ельники имеют в настоящее время весьма ограниченное распространение, тем не менее ценность исследований на подобного рода территориях определяется именно возможностью использования таких экосистем в качестве "эталонных": в отличие от других территорий, антропогенно преобразованных, здесь леса если и были затронуты, то сейчас они находятся на поздних стадиях восстановления, аналогичных своему начальному состоянию. Ценность территории ЦЛГБЗ как объекта исследования определяется еще и представленностью здесь большого разнообразия типов леса, практически всех, характерных для южной тайги.

Результаты работ по оценке запасов углерода в почвах ЦЛГБЗ представлены в таблице 1, рассмотрение которой позволяет сделать ряд заключений.

Общие запасы углерода в исследованных почвах существенно различаются (в 5-6 раз). При этом минимальные запасы характерны для наиболее дренируемых почв (буроземы) и почв с оптимальными условиями увлажнения, формирующихся в фитоценозах со значительным участием листветгьгх пород вследствие природных причин (близкое подстилание карбонатной морены) и в результате антропогенного влияния (рубки леса). Наибольшие величины запасов органического углерода были получены для почв, испытывающих переувлажнение - торфяно-, торфянисто-, перегиойно-подзолистых. При этом приводимые данные для болотных почв не являются предельными, поскольку нами не учитывались запасы углерода в почвах с более мощными торфяными толщами. Эти закономерности следует учитывать при региональной оценке запасов углерода в связи с климатическими факторами.

Табл. 1. Запасы углерода в подстилках и в 1-метровой толще минеральных горизонтов в почвах ЦПГБЗ

Почва

Тип леса

Подстилка

горизонт

запас С,

г/кв.м

Минеральные горизонты

горизон т

запас С,

г/кв.м

Запас С в проф. г/кв.м

Общий запас С в конт.,' т

подст. от общ. запаса

Болотно-подзолистые почвы

Торфяно-

(торфянисто-) серо-(бело-)подзолистая

Ельник

сфагново-

черничный

Всего

20900

4

A2h* А2бел А2В В

Всего

919

1056

543

1341

3859

24759

231620

84

5,4

Торфянисто-(торфяно-) сероподзо листая потечно гумусовая

Ельник

чернично-

сфагновый

Всего

15200

A2h* А2сер А2В В

Всего

1991

853

473

1775

5092

20292

77089

75

3,0

Торфянисто-бело-подз. поверхностно-илл.-гумусовая, тор-фянисто-(торфяно-) сероподзо листая потечно гумусовая

Ельник

хвощево-

папорот-

никово-

черничный

Всего

16500

A2h А2сер А2В В

Всего

1455 1364 1076 1045 4940

21440

167296

77

3,3

Перегнойно-серо-(падево-) подзолистая грунтово глеевая

Березняк

L F Н

Всего

167 1019 4697 5883

Al

А1А2 А2пал А2В В

Всего

2302

2743

1078

789

2564

9476

15359

83399

38

0,6

1Ельи

15 |L

Подзолистое почвы

|10 |А1А2 ) 1315 111287 151401 157

Ошрфованная

[ик

206

llxL

п

п

3

3

5

белоподзолистая чернично- И 545 А2бел 658

илл.-железистая сфагновый Н 5694 А2В 1587

(илл.-гумусово- Всего 6445 В 1282

железистая) Всего 4842

Оторфо ванная Ельник 5 Ь 114 9 А2Ь 893 9352 136249 53 1,1

сероподзолистая чернично- И 2039 А2сер 1096

потечно гумусовая кисличный Н 2760 А2В 705

Всего 4913 В 1745

Всего 4439

Палевоиодзолистая Ельник 2 И 918 5 А2по 1058 9081 55739 59 1,4

поверхностно или папоротнико Н 4408 А2пал 1041

контактно во- Всего 5326 А2В 631

осветленная слабо сфагновый В 1025

гумусированная Всего 3755

Палевоподзолистая Ельник 5 Ъ 411 4 А1А2 452 5599 42916 46 0,8

слабо-(средне-) папоротнико ¥ 757 А2пал 950

гумусированная во- Н 1384 А2В 501

контактно оглеенная кисличный Всего 2552 В 1144

Всего 3047

Дерново-подзолистые почвы

Слабодерново-пале- Ельник 5 Ь 126 10 А1 3236 8066 94162 13 0,15

воподзолистая сред- кислично- Р 912 А1А2 1450

негумусированная неморально- Н 39 А2пал 686

разнотравны АО 1077 А2В 631

й Всего В 986

Всего 6989

Дерново-палево- Ельник 5 Ь 203 13 А1А2 3242 6880 81370 18 0,2

подзолистая сильно- сложный Р 673 А2пал 844

(средне-) гумусиро- Н 388 А2В 445

ванная контактно Всего 1264 В 1085

осветленная Всего 5616

Слабо-(средне-) Ельник 4 Ь 408 11 А1 2020 8153 64498 28 0,4

дерново-палево- кислично- Р 475 А1А2 1438

подзолистая слабо- немораль- Н 1384 А2пал 1003

(средне-) , ный Всего 2267 А2В 557

гумусировандая В 868

Всего 5886

Дерново- Ельник 5 1 150 8 А1 8164 12799 62984 7 0,07

палевоподзолистая березовый Р 591 А1А2 893

сильно-(средне-) кислично- Н 113 А2пал 1372

гумусированная неморально- Всего 854 А2В 510

разн отрав- В 1006

ный Всего 11945

Слабодерново- Ельник 5 Ь 256 3 А1А2 1595 10460 19926 57 1,3

сероподзо листая хвощево- И 2219 А2пал 792

средне-(слабо-) папорот- Н 3455 А2В 1058

гумусированная никовый Всего 5930 В 1085

Всего 4530

Буроземы

Бурозем кислый Ельник 3 Ь 246 21 А1А2 2146 7067 4700 27 0,4

грубогумусовый, бу- сложный Б 756 ВГ 1734

розем слабо-(сред- Н 941 , В 1244

не-) гумусирован- Всего 1943 Всего 5124

ный конт. осв

Дерново -глеевые и болотные почвы

Дерново-грунтово- Ольшаник 5 1 ГТ67 3 А18 6496 16457 17296 5 0,05

глеевая папоротни- Р 598 АЬв 3541

ково- Всего 765 С 5655

таволожный Всего 15692

Болотные почвы Елышк Всего 32200 1 870 35436 79306 91 10,0

сфагновый в2 2366

Всего 3236

Запасы углерода в минеральных горизонтах также колеблются в широких пределах, при этом как минимальные, так и максимальные значения свойственны переувлажненным почвам, но различающимся режимом и характером увлажнения. Минимальные запасы углерода в минеральных горизонтах (около 4 кг/кв.м) отмечены в торфяно-ттодзолнстых почвах с застойным переувлажнением, максимальные (около 16 кг/кв.м) - в дерново-глеевых почвах, для которых характерны проточное увлажнение и близкая к нейтральной реакция среды. Среди почв мезоморфного ряда запасы углерода в минеральных горизонтах выше в дерново-подзолистых постах за счет высокой гумусированности горизонтов А1 и А1А2. Однако, по мнению ряда исследователей, наличие горизонта А1 связано не с природными процессами, а с антропогенным прошлым этих почв, прошедших через дерновую стадию почвообразования вследствие вырубок, пожаров, распашки. По-видимому, возможно судить о наличии или отсутствии антропогенного прошлого горизонта А1 по соотношению мощностей горизонтов подстилки и гумусового: если над горизонтом А1 залегает мощная подстилка, можно утверждать, что гумусовый горизонт в этом случае имеет антропогенное происхождение.

Запасы углерода в органогенных горизонтах различаются в десяти! раз, однако, если рассматривать только лесные подстилки, не принимая во внимание торфяные горизонты, это различие будет существенно ниже (менее, чем в 10 раз). Минимальные запасы углерода в подстилках свойственны дерново-глеевым почвам, по-видимому, за счет интенсивного вовлечешгя растительных остатков в органоминеральные горизонты, меньшего участия хвойных пород в древостое приручьевых экосистем и преобладания травянистой растительности. Кроме того, невелики запасы углерода в подстилках буроземов, в дерново-палево-подзолистых почвах, развитых на карбонатной морене, в почвах антропогенно нарушенных рубками 30-50-х гг. экосистем, где значительна доля березы в составе неспелого древостоя. Максимальные значения запасов углерода подстилок были отмечены в почвах экосистем, граничащих с заболоченными лесами - ельниках чернично-сфагновых, ельниках хвощево-папоротниковых.

В соответствии с отмеченными выше закономерностями, существенно варьируют такие показатели, как доля углерода подстилки от общего запаса углерода и отношение запасов углерода подстилки к запасам углерода минеральных горизонтов. В дерново-глеевых почвах на подстилку приходится только 5% от общих запасов углерода, а отношение углерода подстилки к углероду минеральных горизонтов составляет 0,05, в то время как в болотных почвах на органогенные горизонты приходится свыше 90% от общих запасов углерода, что, соответственно, в 10 раз превышает запасы его в верхней 1-метровой толще минеральных горизонтов.

Учет площадей выделенных почвенных таксонов позволил рассчитать средние запасы углерода в почвах южной части заповедника, которые составили 125,4 т/га, что существенно, в 1,5-2 раза, превышает известные данные Н.И.Болотиной, относящиеся преимущественно к пахотным почвам (Болотина, 1976). Следует отметить, что если производить подобные оценочные расчеты по запасам С, исходя из их средних значений для зональных дерново-подзолистых почв, что часто имеет место при глобальных расчетах, то будут получены заведомо заниженные, по меньшей мере вдвое, результаты. На подстилку приходится больше половины от общих запасов углерода на рассматриваемой территории.

В целом же прослеживается общий тренд в распределении органического углерода по местообитаниям: с нарастанием степени гидроморфизма в процессе обратимого заболачивания плоских водораздельных пространств запасы его резко увеличиваются, причем барьером, за которым происходит этот "скачок", служит начало поселения сфагновых мхов, которые в силу своих физиологических особенностей оказываются вне конкуренции и быстро наращивают биомассу, увеличивая запасы органического углерода подстилок. В то же время под ельниками сложными на крутых склонах и на выпуклых перегибах склонов, где в силу хорошего дренажа создаются благоприятные условия для деятельности почвенной мезофауны, образуется подстилка наименьшей мощности и наиболее мощный гумусовый горизонт.

Глава 4. ИЗМЕНЕНИЕ ЗАПАСОВ ЛЕСНОЙ ПОДСТИЛКИ В АВТОМОРФНОЙ И ГИДРОМОРФНОЙ ПОЧВАХ

Исследование изменения запасов лесной подстилки проводилось на двух контрастных участках - на дренируемом склоне и в гидроморфной позиции. Первый из этих участков представляет собой пробную площадку, где в 1939-40 гг. подобная работа была сделана М.М.Абрамовой в рамках работ Почвенной станции Почвенного института Академии наук (Абрамова. 1947). Сравнение приводимых М.М.Абрамовой величин запасов лесной подстилки на этом участке с нашими данными не позволяет говорить о достоверных тенденциях к увеличению или уменьшению их за прошедшие 58 лет (1883 г/кв.м по данным Абрамовой, 1745 г/кв. м по нашим данным).

Второй участок занят в настоящее время путлипево-ефагпавым болотом на переходных торфяных почвах. В 1937-1940 гг. сотрудниками Почвенного института здесь были заложены водно-балансовые пробные площадки. Сравнение описаний почв 1937-40 гг. с современными наблюдениями позволяет сделать следующие заключения. Периферийная часть болота, по описанию И.С.Васильева (1950), была занята торфянисто-подзолистыми почвами с мощностью оторфованного горизонта 8 см. В настоящее же время мощность органогенных горизонтов пота на этом участке достигает 30-40 см. В центральной же части болота, где в настоящее время распространены торфяные переходные почвы с 80-сантиметровой толщей органогенных отложений, 60 лет назад описаны торфяно-глеевые почвы. Соответственно изменились и запасы орттчеекого углерода: они возросли от 6-6,5 кг/кв.м до более 20 кг/кв. м.

Таким образом, за 60 лет запасы органического вещества в почвах автоморфных позиций практически не изменились, тогда как в гидроморфных местообитаниях наблюдается значительное накопление его п результате заболачивания.

Глава 5. ИЗМЕНЕНИЕ ЗАПАСОВ ЛЕСНОЙ ПОДСТИЛКИ ПРИ ВЕТРОВАЛЬНЫХ НАРУШЕНИЯХ

Во всех изученных почвах ветровальные нарушения в наибольшей мере

затрагивают верхние горизонты почв, в которых расположена основная масса корней деревьев, при этом на участках западин практически полностью уничтожаются горизонты лесной подстилки. В экосистемах водораздельных пространств (ельники черничники, чернично-сфагновые, сфагновые) ветровальные педотурбации захватывают фактически только органогенные горизонты. В сложных ельниках, сформированных на буроземах, при вывале деревьев происходит выход на поверхность минеральных горизонтов с незначительным содержанием органического вещества, а образуемые при этом ветровальные бугры и западины характеризуются значительным перепадом высот. Дерново-палевоподзолистая почва в этом плане занимает промежуточное положение. Вывалы затрагивают полностью или частично только горизонт А1, нередко оставляя на поверхности материал этого горизонта, что, вероятно, ускоряет послеветровальное восстановление почвы.

Восстановление горизонта лесной подстилки на ветровальных участках за 6-7 лет доходит до стадии начала формирования подгоризонта Р, который еще трудно отделим от листового слоя, особенно в конце лета, до начала интенсивного листопада. Определение запасов углерода подстилок показало, что за этот период накапливается 5-15% от фоновых значений (табл.2). Поскольку подстилка, особенно в подзолисто-глеевых почвах, лишенных гумусового горизонта, выполняет функцию "жилища" для почвообитающих организмов, численность и структура населения последних в значительной степени определяется степенью восстановленности подстилки.

Табл. 2. Запас углерода в подстилках на ветровальных участках

Тип леса Почва Горизонт Запас С г/кв. м

фоновые участки ветровалы (6 лет)

Ельник Оторфованная Ь 205,7

черничко- подзолистая Р 545,3

сфагновый профильно Н 5694,1

оглеенная Всего 6445,1 292,0

Ельник Оподзоленный Ь 245,7

сложный бурозем Р 756,0

Н 941,3

Всего 1943,0 364,3

Ельник Дерново-палево- 1 407,7

кислично- подюл истая ? 475,3

неморальный Н 1383,7

Всего 2266,7 279,5

Глава 6. СКОРОСТЬ РАЗЛОЖЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

ОПАДА И ПОДСТИЛОК В ПРИРОДНЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ

УСЛОВИЯХ

Результаты определения скорости разложения хвойного опада в полевых условиях, представленные на рис. 1, не выявили существе!шых различий в суммарной потере веса хвои в разных почвах, что может свидетельствовать -о значительной потенциальной активности

деструктивного блока почвенной биоты в заболоченных почвах. В течение первых 14 месяцев наблюдается неодинаковая скорость разложения, что связано, по-видимому, с различием в характере водного режима в изучаемых почвах и сезонной динамикой биологической активности. Так, в осенне-зимний период 1994/95 гг наиболее интенсивно разложение шло в белоподзолистой почве, поскольку в буроземе мог сказываться дефицит влаги, а в торфяно-глеевой почве пул деструкторов в отсутствие надлежащего субстрата пребывает, вероятно, в малоактивном состоянии. Тем не менее к 20 месяцам инкубации суммарное количество минерализованного субстрата оказалось практически одинаковым во всех рассматриваемых почвах. На более поздних стадиях разложения вновь обнаруживаются различия, однако здесь могут сказываться ограничения данного метода, поскольку за счет колонизации субстрата грибным мицелием вес его может даже увеличиваться, и именно в торфяно-глеевой почве обилие грибного мицелия в мешочках с спадом визуально было максимальным.

Следовательно, можно предположить, что различия в запасах органического вещества в изученных почвах во многом обусловлены разницей в "качестве" поступающего в почву опала, поскольку унифицированный материал разлагается, по крайней мере на начальных стадиях, практически с одинаковой скоростью.

Изучение скорости разложения образцов органогенных горизонтов в лабораторных условиях показало значительные различия в степени устойчивости их к разложению в зависимости от степени и условий разложения. Как правило, наблюдается закономерное уменьшение скорости минерализации вниз по профилю. Особенно низка скорость минерализации

Рис. 1. Скорость разложения хвойного опада

месяцы

—Л—бурозем

белоподзадистая почва торф.Ч-Но-глсевая почва

Рис. 2. Скорость минерализации органического вещества в белоподзолистой почве

И' = 0.9722

Rl = 0.9839

90

80 •

К1 = 0.997!

кг = 0.9992

70 40

10

20

—I—

30 дни

40

50

60

С, % от исходного

7Ш /#! Hl \ M !

/ i и

/ л/

J !

7

/ / / у i J

J J

! /

У.

я / I/ я / г/ ;» /

1 'X

f

»o

e

э g

•о

2

§

0 га п В

п>

1 »

•ч £

я g

в г*

Рте. 4. Скорость минерализации органического вещества в горизонтах Н и АО

92 -

К» = й946Г~

10

15

20

25 дал

30

-н— 35

40

! * гешевоподзолястая почва I (гор. Н)

1 а белоиодзолистая почва ! (гор. Н)

; д бурозем (гор. АО)

материала торфяных горизонтов и органического вещества органо-минералшых горизонтов.

В белоподзолистой почве (рис. 2) скорость разложения листового слоя подстилки значительно превышала таковую для нижней части органогенной толщи, где органическое вещество имеет высокую степень разложения. Аналогичные закономерности выявлены и для палевоподзолистых почв и буроземов.

Скорость минерализации органического вещества в гидроморфкых почвах верхового типа заболачивания характеризовалась крайне низкими значениями. Потеря углерода за 50 дней инкубирования составляла десятые доли процента от исходного содержания; для низинной торфяной почвы эта величины составляли 1-5 %, а в верхних горизонтах подстилки этой почвы наблюдалось очень интенсивное разложение органического вещества, максимальное из всех вариантов опыта.

Сравнение скоростей разложения органического вещества сходных горизонтов разных типов почв позволило выявить следующие закономерности. Из всех сравниваемых горизонтов Ь (рис. 3) наиболее устойчивым к разложению оказался горизонт листовой подстилки дерново-глеевых почв, уже существенно разложившийся ко времени отбора образца, быстрее разлагались горизонты Ь белоподзолистой почвы, бурозема и, наконец, наибольшая скорость разложения была выявлена для палевоподзалистой почвы на карбонатной морене и горизонта Ь низинной торфяной почвы. По-видимому, это связано с тем, что подстилка белоподзолистых почв формируется в значительной мере из опада хвойных пород, кустарничков и сфагнума, характеризующихся невысокой скоростью разложения. Листовой слой подстилки ельника сложного, произрастающего на буроземах, и ельника неморально-кисличного на палево-подзолистых почвах разлагается быстрее за счет высокого содержания в нем опада лиственных пород деревьев, а также трав. Аналогичные закономерности выявлены и для горизонтов Р этих же почв.

Сравнение скорости минерализации органического вещества нижних органогенных горизонтов выявило наибольшую величину этого параметра у

бурозема, а наименьшую - у белоподзолистой почвы (рис. 4). Вероятно, это может быть объяснено разными причинами — различиями в качестве поступающего опада, в особенностях водного и температурного режима, в структуре комплекса почвообитающих оршшзмов.

На изученном временном интервале скорость минерализации органического вещества весьма удовлетворительно описывалась линейной функцией, что позволило условно отнести органическое вещество изучешгых почв к четырем классам устойчивости к разложению, выбрав при этом в качестве критерия величину коэффициента" разложения Км (табл. 3): I -активное органическое вещество (Км>10%Сорг/месяц); II - лабильное органическое вещество (Км 2,5-10%Сорг./месяц); III - устойчивое органическое вещество (Км 1-2,5%Сорг/месяц); ГУ - стабильное органическое вещестЕо (Км<1% Сорг/месяц).

Несмотря на условность подобного разделения, полученные данные позволяют оценить количество углерода, содержащегося в органическом веществе разной степени устойчивости к разложению (табл. 4), исходя из данных по скоростям минерализации и запасам углерода тех или иных горизонтов. Проведенные расчеты показали, что почти 80 % запасов углерода сосредоточено в органическом веществе высокой степени устойчивости к разложению.

Таблица 3. Коэффициенты минерализации органического вещества

Объект Г Коэффициент минерализации, Км 1 %Сппг/сутки ] %Сппг/мссяц Класс устойчивости к разложению

гор. L гор. F гор. Н гор. A2h Оторфованная 0,427 0,116 0,067 <0,008 эелоподаолистая 12,81 3,48 2,01 <0,25 почва I II III ГУ

Торфянисто-б гор. T1 I 0,009 гор. Т2 0,024 гор. ТЗ 0,011 гор. T3/A2g I 0,019 елоподзолистая п 0,27 0,72 0,33 0,57 очва IY IY IY IY

Па лег гор. L гор. F юподзолистая почва (на карбонат 0,817 I 24,51 0,444 1 13,32 ной морене) I 1

гор. Н 0,138 . . 4,14 II

Палевоподзолистая почва

гор. L 0,089 2,67 II

гор. F 0,038 Ы4 III

Бурозем

гор. L 0,562 16,86 I

гор. F 0,221 6,63 II

гор. АО 0,203 6,09 II

гор. Ahf <0,008 <0,25 IY

Дерново-глеевая почва

гор. L 0,273 8,19 II |

Верховая торфяная почва

гор. Т1 0,006 0,18 IY

гор. Т2 0,007 0,21 IY

гор. ТЗ 0,009 0,27 IY

Низинная торфяная почва

L 1,085 32,55 I

F 0,718 21,54 I

Н 0,048 1,44 III

70-80 см 0,023 0,69 IY

140-150 см 0,086 2,58 II

Таблица 4. Запасы органического углерода в почвах ЦЯГБЗ (южное лесничество) по классам устойчивости

Классы устойчивости органического вещества Запасы C0Dr на территории ЦЛГБЗ, т % от общих запасов Са,г

I 28916 2,3

II 71409 5,6

III 167178 13,1

ГУ 1005514 79,0

ВЫВОДЫ

1. Исследованные почвы южной тайги существенно различаются по общим запасам органического углерода. Минимальные запасы Сорг (5-9 кг/кв.м) характерны для хорошо дренированных почв — буроземов и палевоподзолистых — под лесами со значительным участием лиственных пород. Наибольшие запасы Сорг свойственны болотно-подзолистым (24 кг/кв.м) и болотным (35 кг/кв.м и более) почвам.

2. В минеральных горизонтах минимальные запасы С^. наблюдаются в болотных почвах с застойным увлажнением, максимальные — в дерново-глеевых почвах с проточным увлажнением. В подстилках (за исключением подстилок торфяно-подзолистых и болотных почв) максимальные запасы Сотг содержатся в почвах наименее дренированных позиций — торфянисто-подзолистых, в которых С подстилок составляет 75-85 % от общего запаса СорГ в почве. Минимальные запасы С подстилок, составляющие 5-25 % от

общего запаса С, характерны для хорошо дренированных почв — буроземов и палевоподзолистых и для дерново-глеевых почв с проточным увлажнением.

3. Средние запасы СорГ в почтах ненарушенных ландшафтов южной тайги, рассчитанные для исследованной территории южной части ЦЛГБЗ площадью свыше 10 ООО га, составляют 125,4 т/га, что в 1,5-2 раза выше приводимых в литературе данных для пахотных почв южной тайги. При этом на подстилку приходится больше половины от общих запасов углерода на рассматриваемой территории.

4. На долю заболоченных почв, занимающих 23% территории Южного лесничества ЦЛГБЗ, приходится 44% от общих запасов углерода на данной площади, т.е. вклад заболоченных почв в углеродный пул примерно вдвое выше их доли в составе почвенного покрова. Кроме того, в заболоченных почвах 75 - 90% от общих запасов углерода приходится па углерод органогенных горизонтов, в то время как в незаболоченных почвах эта цифра колеблется в пределах 5 - 50%.

5. Запасы органического вещества в исследованной почве автоморфной позиции практически не изменились за 60 лет, тогда как в изученных почвах гвдроморфных местообитаний наблюдается значительное накопление его в результате заболачивания.

6. На основе модельного полевого эксперимента установлено, что скорость разложения елового хвойного опада в течение 25 месяцев одинакова в буроземе, белоподзолистой и торфяно-глеевой почвах. Следовательно, различия в скоростях разложения органического вещества и запасах его в разных типах почв в значительной мере обусловлены отличиями в качественном составе опада в разных типах экосистем в пределах одного ландшафта.

7. Выявлены существенные различия между исследованными почвами и генетическими горизонтами в скорости минерализации органического вещества, определенной по величине эмиссии СОз в условиях лабораторного опыта. При этом для каждого горизонта убыль Сорг в процессе дыхания осуществлялась по линейному закону, т.е. скорость минерализации оставалась практически постоянной в течение первых 1,5-2 месяцев, что дало возможность рассчитать скорость минерализации (коэффициент минерализации — Км) для каждого исследованного образца.

8. Абсолютные значения коэффициента минерализации варьируют от 16-32 % СорГ/месяц в горизонтах Ь хорошо дренируемых почв (буроземов и палевоподзолистых) и низинных торфяных почв до <0,25 % Сорг/месяц в минеральных горизонтах. Предложена группировка генетических горизонтов исследованных почв по величинам коэффициентов минерализации.

9. В исследованных почвах запасы устойчивой, т.е. медленно минерализующейся фракций органического вещества составляют более 90 % от общ1Гх запасов С„рГ, что позволяет говорить о существенной роли органического вещества как структурного компонента экосистем, особенно для почв с неблагоприятным водным режимом минеральных горизонтов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Е.И.Дорофеевой в соавторстве:

1. Об изучении органического вещества почв таежно-лесных экосистем. Почвоведение, 1994, №2, с. 78-83.

2. К характеристике почвенной мезо- и нанофауны ненарушенных ельников Центрально-лесного государственного биосферного заповедника. Вестн. Моск. ун-та, сер. 17, почвоведение, 1994, № 4, с. 44-52.

3. Особенности формирования органопрофилей в ненарушенных южнотаежных биогеоценозах. Вестн. Моск. ун-та, сер. 17, почвоведение, 1997, N2 1, с. 3-7.

4. Начальные стадии восстановления комплексов почвенной мезо- и нанофауны после ветровальных нарушений в ельниках южной тайги Вестн. МГУ, сер. 17, почвоведение, № 3,1997.

5. Структурно-функциональная организация почвенной биоты в ненарушенных ельниках южной тайги на примере ЦДГБЗ. Известия Академии наук, сер. биол.,1997, №4.

6. Заболоченные почвы южнотаежных ландшафтов: распространение, свойства, масштабы аккумуляции углерода Вестник МГУ, сер. 17, почвоведение, в печати.

7. Spatial heterogenity of soil carbon in virgin spruse south taiga ecosystems Тез. конф. "Biodiversity in Managed Forests"Uppsala, Sweden, 1997, в печати.