Трансформация состава и свойств почв лесостепи под влиянием лесных пожаров

Горбунова, Юлия Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Трансформация состава и свойств почв лесостепи под влиянием лесных пожаров
ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Трансформация состава и свойств почв лесостепи под влиянием лесных пожаров"

На правах рукописи

Горбунова Юлия Сергеевна

ТРАНСФОРМАЦИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОЧВ ЛЕСОСТЕПИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

Специальность: 03.02.13 - почвоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

21 НОЯ 2013

Воронеж-2013

005539253

Работа выполнена на кафедре экологии и земельных ресурсов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет»

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент, Девятова Татьяна Анатольевна

Официальные оппоненты: Мазиров Михаил Арнольдович,

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», кафедра земледелия и методики опытного дела, заведующий

Стахурлова Лариса Дмитриевна,

кандидат биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», кафедра почвоведения и управления земельными ресурсами, доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Защита состоится «10» декабря 2013 года в 13.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.038.02 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета

Автореферат разослан «8» ноября 2013 г.

Ученый секретарь .

диссертационного совета Брехова Любовь Ивановна

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Лесной пожар - интенсивное техногенное воздействие, нарушающее естественное равновесие между отдельными компонентами биогеоценоза, влияющее на тип растительности, свойства и динамику почвы. Почвенный покров, выполняя важнейшие биосферные функции, весьма четко реагирует на все изменения, происходящие в биосфере, прежде всего на техногенные воздействия, одним из которых является лесной пожар.

Теоретические подходы к изучению влияния лесных пожаров на почвы обоснованы в трудах отечественных и зарубежных ученых (Корчагин A.A., 1954; Вакуров А.Д., 1975; Бузыкин А.И., 1978; Каплюк Л.Ф., 1980; Padoch, Vayda, 1983; Frandsen W.H., 1986; Громцев А.И., 1993; Краснощекое Ю.Н., 1994, 2008; Вальков В.Ф., 1996; Кулешова Л.В., 1996; Зайдельман Ф.Р., 2002; Lindbladha М., 2003; Dickinson М, Johnson Е., 2004; Мелехов И.С., 2007; Мазиров М.А., 2008; Michaletz S.T., 2007; Бобровский М.В., 2010; Щербов Б.Л., 2008,2011).

Техногенная трансформация почв лесных экосистем ЦентральноЧерноземного региона (ЦЧР) исследовалась многими учеными, результаты отражены в работах Адерихина П.Г., 1967, 1973; Свиридовой И.К., 1962; Ахтырцева Б.П., 1983, 1992; Беляева А.Б., 1991, 2010; Королева В.А., 1993, 2007; Щербакова А.П., 1993, 2003; Щеглова Д.И., 1999, 2005; Протасовой H.A., 2003, 2011; Девятовой Т.А., 2006, 2008; Джувеликяна Х.А., 2003, 2008; Яблонских Л.А., 2001, 2011; Трегубова О.В., 2002, 2008. Тем не менее, проблема влияния лесных пожаров на состав и свойства почв ЦЧР в научной литературе практически не раскрыта. Большая часть имеющихся по этому вопросу работ проведена в зоне тайги. Динамика пирогенных экосистем, в том числе почв, в пределах Среднерусской лесостепи ранее не изучалась, в то время как лесные пожары 2010 года, затронувшие около 20000 га Воронежской области (Доклад о состоянии окружающей среды, 2011), коренным образом изменили растительность и почвы региона. Этим обусловлена актуальность проведенных исследований по влиянию пирогенного фактора на состав и свойства лесостепных почв Центрально-Черноземного региона

Научная база программ противодействия лесным пожарам должна включать данные о последствиях влияния пирогенного фактора на различные компоненты природной среды, в том числе на почвы, которые максимальное время сохраняют следы не только прямого, но и косвенного воздействия огня. Наряду с исследованием генетических свойств почв в качестве информативных параметров деградации почвы под воздействием лесных пожаров целесообразно использовать показатели уровня ферментативной активности почв (ФАЛ), так как для ЦЧР имеется обширная база данных по ФАЛ естественных и антропогенных ландшафтов (Девятова Т.А., Безлер Н.В., Свистова И.Д., Стахурлова Л.Д., Крамарева Т.Н. и др.).

Цель исследования - установить особенности трансформации состава и свойств почв лесных экосистем ЦЧР под влиянием лесных пожаров.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Проанализировать основные направления и результаты исследования влияния лесных пожаров на компоненты экосистем, в том числе почв.

2. Исследовать влияние пирогенного фактора на основные физико-химические свойства чернозема выщелоченного, дерново-лесной глеевато-элювиальной и дерново-лесной глеево-элювиальной почвы.

3. Установить региональные особенности трансформации химических свойств лесостепных почв региона под влиянием пирогенного фактора.

4. Выявить влияние лесного пожара на ферментативную активность чернозема выщелоченного, дерново-лесной глеевато-элювиальной и дерново-лесной глеево-элювиальной почвы.

5. Предложить информативные параметры биоиндикации лесостепных почв ЦЧР после лесного пожара.

6. Провести сравнительный анализ особенностей распределения подвижных соединений тяжелых металлов (ТМ) в фоновых и пирогенных черноземах выщелоченных, дерново-лесных глеевато-элювиальных и дерново-лесных глеево-элювиальных почвах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

Впервые для лесостепных почв ЦЧР проведен детальный анализ изменения физико-химических свойств почв после лесного пожара. Установлено значительное подщелачивание почвенного раствора после пирогенного воздействия, связанное с поступлением в почвенный раствор карбонатов Са и Мд, а также катиона К с золой. Обнаружено существенное снижение потенциального плодородия почв (содержание гумуса в 0-10 см слое почв уменьшилось на 1,5 %) и повышение эффективного плодородия почв за счет увеличения содержания подвижных форм зольных элементов.

Изучены особенности кратковременной динамики ферментативной активности чернозема выщелоченного, дерново-лесных глеевато-элювиальных и дерново-лесных глеево-элювиальных почв после воздействия лесного пожара. Предложено использовать показатели инвертазной активности в качестве биодиагностического показателя трансформации лесостепных почв ЦЧР после лесного пожара.

Проведен сравнительный анализ особенностей распределения по профилю фоновых и пирогенных почв подвижных соединений тяжелых металлов. Обнаружена тенденция увеличения содержания в почвах, подвергшихся пирогенному воздействию подвижных соединений 2,п и Си.

Защищаемые положения:

1. В почвах лесов, подвергшихся пожару, происходит уменьшение содержания гумуса, что связано с непосредственным разрушением органических веществ под действием высоких температур; подщелачивание раствора и увеличение содержания зольных элементов Р2О5 и К20 в верхнем 0-

10 см слое почвы из-за их поступления с золой растений, образовавшейся после лесного пожара.

2. Результаты сравнительного анализа данных по содержанию подвижных соединений ТМ в фоновых и пирогенных почвах после лесного пожара показали тенденцию увеличения содержания подвижных соединений Ъъ. и Си в сравнении с их «фоновыми» значениями.

3. Параметры ФАП для биоиндикации чернозема выщелоченного, дерново-лесных глеевато-элювиальных и дерново-лесных глеево-элювиальных почв после воздействия лесного пожара.

Практическая значимость работы. Полученные данные по химическим свойствам и ФАП, а также распределению подвижных форм соединений ТМ в изучаемых почвах могут быть использованы для создания и функционирования геоинформационных систем, организации почвенно-экологического мониторинга, ОВОС, экологической экспертизы после пирогенного воздействия. Полученный новый фактический материал и теоретические положения используются в лекционном курсе «Общая экология», в спецкурсе «Техногенные системы и экологические риски», читаемых на кафедре экологии и земельных ресурсов биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета для студентов, обучающихся по направлению экология и природопользование.

Апробация результатов исследований.

Результаты исследований были представлены и обсуждались на научно-практической конференции «Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия» (Курск, 2010); на научных сессиях ВГУ (секция почвоведение и экология почв, Воронеж, 2010, 2011, 2012, 2013); на всероссийской конференции с международным участием «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск, 2012); на международной молодежной научной школе «Воспроизводство, мониторинг и охрана природных, природно-антропогенных и антропогенных ландшафтов» (Воронеж, 2012); на VIII Межрегиональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии» (Воронеж, 2012); на международной научной конференции «Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы)» (Воронеж, 2012); на международной летней экологической школе М08Е8-2012 (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Москва, 2012); на IX Межрегиональной научно-практической конференции, посвященной году охраны окружающей среды в Российской Федерации «Экологическая безопасность нашего будущего» (Воронеж, 2013); на международной научной конференции, посвященной 95-летию со дня рождения Милькова «Структурно-динамические особенности, современное состояние и проблемы оптимизации ландшафтов» (Воронеж, 2013); на научно-практической конференции с международным участием «Анализ экологических функций почв и сервисов экосистем: мониторинг и моделирование» (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Москва, 2013).

По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, из них 6 - в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, приложений и списка использованной литературы, который включает 248 наименований, в том числе - 57 иностранных авторов. Основной текст изложен на 169 страницах, включает 41 таблицу и 33 рисунка. Общий объем рукописи - 235 страниц.

Выражаю глубокую благодарность научному руководителю д.б.н. Т.А. Девятовой за помощь и поддержку в выполнении работы, к.б.н., старшему преподавателю кафедры почвоведения и управления земельными ресурсами Н.С. Горбуновой за консультации при выполнении работы, а также всем сотрудникам кафедры экологии и земельных ресурсов Воронежского госуниверситета, особенно д.б.н., профессору J1.A. Яблонских за ценные советы в процессе подготовке диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. ТРАНСФОРМАЦИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОЧВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПИРОГЕННОГО ФАКТОРА

В первой главе дана общая характеристика пирогенных почв, история изучения трансформации почв под влиянием лесных пожаров (Мелехов, 1948, 2007; Корчагин, 1954; Вакуров, 1975; Zackrisson, 1977; Barnes, 1984; Engelmark, 1993; Громцев, 1993; Niklasson, 2000; Axelsson, Ostlund, 2001; Коршунов, 2002 и др.). Описано влияние лесных пожаров на состояние экосистем в целом (Краснощекое, 2004; Dickinson, Johnson, 2004; Наумов, 2005; Hart, 2005; Michaletz, 2007; Мазиров М.А., 2008; Шпилевская, 2011; Щербов, 2012). Рассмотрена ФАГ1 как биодиагностический показатель экологического состояния почв (Хазиев, 1982; Свистова, 2005; Девятова, 2006; Стахурлова, 2008). Отражена биологическая роль ТМ (Zn, Си, Ni, Pb, Cd) и их влияние на ФАП (Трахтенберг, 1994; Лебедева, 1998; Протасова, 2003; Амосова, 2004). Проанализированы работы по влиянию лесных пожаров на ФАП и содержание соединений ТМ в почвах (Богородская, 2005; Лыткина, 2006; Трофимов, 2007; Безкоровайная, 2007, 2009; Зенова, 2008; Щербов, 2008).

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объекты исследований

Исследования проводились в Задонском районе Липецкой области и Новоусманском районе Воронежской области на территориях, подвергавшихся лесным пожарам в 2010 году. Объектами исследований являются почвы Среднерусской лесостепи - чернозем выщелоченный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый на покровном карбонатном суглинке (по классификации РФ - чернозем глинисто-иллювиальный типичный насыщенный среднемощный тяжелосуглинистый на покровном карбонатном суглинке), дерново-лесная глеевато-элювиальная супесчаная на древнеаллювиальных

отложениях (по классификации РФ — дерново-элювозем глееватый ненасыщенный неглубошэлювиальный супесчаный на древнеаллювиальных отложениях) и дерново-лесная глеево-элювиальная песчаная на древнеаллювиальных отложениях (по классификации РФ - дерново-элювозем глеевый глинисто-иллювиированный ненасыщенный поверхностно оглеенный песчаный на древнеаллювиальных отложениях).

2.2. Методика исследований

Анализы почвенных образцов были выполнены лично автором в лабораториях кафедры экологии и земельных ресурсов, кафедры почвоведения и управления земельными ресурсами Воронежского госуниверситета. Гранулометрический состав почвы определялся методом пипетки с обработкой пирофосфатом натрия. Основные показатели химических и физико-химических свойств почв определялись общепринятыми методами. Кислоторастворимые соединения ТМ - Си, Zn, Ni, Pb, Cd определены в вытяжке 1 н. HN03 в соотношении почва - раствор 1:5 и обменные (вытяжка ацетатно-аммонийного буфера ААБ, рН 4,8) в соотношении почва - раствор 1:10 на атомно-абсорбционном спектрометре «МГА-915». ФАП определялась методом А.1П. Галстяна. Всего было проанализировано 420 почвенных образцов. Вариационно-статистическая обработка полученных данных проводилась по Е.А. Дмитриеву (2010) с использованием программ Stadia и Microsoft Excel Графики выполнены с помощью программы Microsoft Excel

3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ РАЙОНА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучаемые объекты находятся на территории Среднерусской лесостепи (северная часть Воронежской области и южная - Липецкой области). Средние широты и значительная удаленность территории от морей и океанов определяют умеренно-континентальный климат изучаемого района. Исследуемая территория характеризуется относительным дефицитом и неравномерностью атмосферного увлажнения (Климатические ресурсы..., 1978). Задонский район Липецкой области расположен на Среднерусской возвышенности, которая характеризуется преобладанием долинно-балочного и овражно-балочного типов рельефа. Территория Усманского бора относится к району Левобережных песчаных террас Дона, Воронежа, Битюга. Коренные породы перекрыты флювиогляциальными и древнеаллювиальными отложениями. По характеру рельефа территория Усманского бора является полого-волнистой равниной (Мильков, 1994).

По характеру растительности Липецкая область относится к Евроазиатской степной области Восточноевропейской лесостепной и Причерноморской степной провинциям. В начале голоцена в предбореальный период на территории Липецкой области сложился ландшафт холодной лесостепи: в растительном покрове преобладали островные елово-сосновые и сосновые леса, чередующиеся с разнотравно-полынными и полынно-лебедовыми группировками. Позже, в более теплый субатлантический период в

растительном покрове появляется дуб черешчатый (Quercus robur), клен американский (Acer negundo), липа мелколистная (Tilia cordata), бук восточный (Fagus orienthalis) и граб обыкновенный (Carpinus betuhis). В ландшафте лесостепи господствуют сосново-широколиственные леса и дубравы. С похолоданием и аридизацией климата в суббореальный период происходит заметное сокращение площади лесных участков; выпадение из состава древостоя лесов бука восточного (Fagus orienthalis) и граба обыкновенного (Carpinus betulus) и возрастание роли дуба черешчатого (Quercus robur) и, соответственно, удельного веса дубрав; расширение территорий, занятых степями (Хмелев, 1988). Усманский бор сформировался в древнем голоцене. По геоботаническому районированию территория бора относится к Усманскому району зеленомошных сосновых и осоковых дубовых лесов Боброво-Усманского округа Среднерусской дубово-сосновой провинции (Хмелев, 1992). Основными почвообразующими породами на исследуемой территории являются четвертичные отложения. Они представлены в Задонском районе Липецкой области покровным карбонатным суглинком, на территории Усманского бора - древнеаллювиальными отложениями (Самойлова, 1983).

4. ТРАНСФОРМАЦИЯ СВОЙСТВ ПОЧВ ПОСЛЕ ПИРОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

4.1 .Физико-химические свойства почв

Установлена тенденция к росту значений рНводн (и pHKci.) Для всех исследованных почв на следующий год после лесного пожара Произошло смещение показателя рНводя. (и pHKCi.) от 6,01 (4,87) к нейтральному диапазону 7,21 (6,30) на глубине 0-10 см в черноземе выщелоченном расположенном под суборью. Под широколиственным лесом на фоновом участке чернозем выщелоченный с поверхности имеет слабокислую реакцию - 6,47 (5,44), через год после пирогенного воздействия реакция среды стала нейтральной — 7,51 (6,68). Это объясняется тем, что водорастворимые зольные соединения, проникая в почву, насыщают поглощающий комплекс щелочноземельными элементами и вызывают сдвиг реакции среды к нейтральному диапазону. В дерново-лесных глеево-элювиальных почвах на следующий год после лесного пожара произошло смещение показателя рНводн (и pHKci.) от кислого - 5,21 (4,38) к слабокислому - 5,93 (5,09) диапазону на глубине 0-10 см под березняком и от сильнокислой - 4,12 (3,28) к кислой - 4,83 (3,98) в дерново-лесных глеевато-элювиальных под бором, из-за того, что зола нейтрализует органические кислоты верхних почвенных горизонтов. В последующий год наблюдений, мы отмечали определенную стабилизацию значений рНводн. (и PHkci.) во всех исследованных почвах и некоторое стремление их значений к фоновым (рис. 1,2).

На пирогенных почвах через год после лесного пожара мы наблюдали снижение гидролитической кислотности, особенно в верхней части почвенного профиля по сравнению с не тронутой пожаром почвой. В составе почвенного поглощающего комплекса (ППК) фоновых черноземов выщелоченных

основную долю составляют катионы кальция, а вторые позиции принадлежат катионам магния и поглощенному водороду.

1. Дерново-лесная глеевато-элювиальная под бором

2. Дерново-лесная глеево-элювиальная под березняком

3. Чернозем выщелоченный под суборью

4. Чернозем выщелоченный под широколиственным лесом

Рис. 1. Значения рНводн в исследованных почвах

1. Дерново-лесная глеевато-элювиальная под бором

2. Дерново-лесная глеево-элювиальная под березняком

3. Чернозем выщелоченный под суборью

4. Чернозем выщелоченный под широколиственным лесом

Рис. 2. Значения рНКС1 в исследованных почвах

Пирогенный фактор оказал влияние на содержание обменных катионов, в сторону их снижения, за счет перехода части обменных оснований в нерас творимую форму СаСОэ. Содержание обменных катионов Са" и М§2' в слое 0-10 см дерново-лесных глеевато-элювиальных сократилось на 14,1 % относительно фоновых почв. В березняке наблюдается та же закономерность. В верхнем слое почвы их содержание уменьшилось на 12,1 %. После воздействия лесного пожара в черноземе выщелоченном мы наблюдали уменьшение в содержании обменных катионов Са2+и 1У^2+в слое 0-10 см как в субори, так и в широколиственном лесу на 4,08 % и на 4,68 %. Через два года после лесного пожара содержание обменных катионов Са2+ и в слое 0-10 см для всех

исследованных почв не изменяется по сравнению с первым годом после пирогенного воздействия (рис. 3). Степень насыщенности почв основаниями после воздействия лесного пожара возросла в слое 0-10 см во всех исследованных почвах чему способствовало снижение гидролитической кислотности.

1. Дер ново-лесная глеевато-элювиальная под бором

2. Дерново-лесная глеево-элювиальная под березняком

3. Чернозем выщелоченный под суборью

4. Чернозем выщелоченный под широколиственным лесом

Рис. 3. Содержание в исследуемых почвах обменных катионов, ммоль(экв)/100 г почвы

4.2. Химические свойства изучаемых почв

Содержание гумуса. Распределение гумуса по профилю фоновых черноземов выщелоченных происходит - по равномерно-аккумулятивному типу, а в дерново-лесных почвах - по регрессивно-аккумулятивному.

В исследованных пирогенных почвах выявлена тенденция к снижению содержания гумуса в слое 0-10 см. Максимальные потери установлены на следующий год после лесного пожара в дерново-лесной глеевато-элювиальной почве, расположенной под бором - на 1,53 %, что в относительных процентах составляет 38,9 % (рис. 4). В дерново-лесной глеево-элювиальной почве, расположенной под березняком содержание гумуса после пирогенного воздействия спустя 1 год снизилось на 1,46 % (в относительных процентах - 29,9 %). Максимальные потери в черноземе выщелоченном под суборью составили 1,65 % (в относительных процентах - 27,1 %), а под широколиственным лесом - 1,48 % (в относительных процентах - 23,1 %) (рис. 4).

1. Дерново-лесная глеевато-элювиальная под бором

2. Дерново-лесная глеево-элювиальная под березняком

3. Чернозем выщелоченный под суборью

4. Чернозем выщелоченный под широколиственным лесом

Рис. 4. Содержание гумуса, % в 0-10 см слое исследуемых почв

Щелочногидролизуемый азот. В пирогенных дерново-лесных глеевато-элювиальных почвах под сосновым бором содержание щелочногидролизуемого азота в слое 0-10 см уменьшилось на 32,8 % (рис. 5) по сравнению с фоновыми почвами, а в березняке на 26,0 %, это связано с тем, что при высоких температурах большая часть органических соединений азота разрушается. После лесного пожара в субори в слое 0-10 см содержание щелочногидролизуемого азота уменьшилось на 24,5 % по сравнению с фоновыми почвами, а в широколиственном лесу на 26,8 %, из-за сгорания органических соединений азота при высоких температурах.

£ 5 X

п й"

К I

и 5

£ 10 %

•а фон & 2011 год Ж 2012 год

Название почвы

1. Дерново-лесная глеевато-элювиальная под бором

2. Дерново-лесная глеево-элювиальная под березняком

3. Чернозем выщелоченный под суборью

4. Чернозем выщелоченный под широколиственным лесом

Рис. 5. Содержание в исследуемых почвах щелочногидролизуемого азота,

мг/100 г почвы

Подвижные соединения фосфора. Через год после лесного пожара содержание Р2О5 в дерново-лесных глеевато-элювиальных почвах под сосновым бором увеличилось на 14,3 % по сравнению с фоновыми почвами (рис. 6). В дерново-лесной глеево-элювиальной почве расположенной под

1. Дерново-лесная глеевато-элювиальная под бором

2. Дерново-лесная глеево-элювиальная под березняком

3. Чернозем выщелоченный под суборью

4. Чернозем выщелоченный под широколиственным лесом

Рис. 6. Содержание в исследуемых почвах подвижных соединений фосфора, мг/100 г почвы

березняком через год после пирогенного воздействия произошло увеличение в содержании Р205 на 13,3%. Содержание Р205 под суборью после лесного пожара увеличилось на 12,1 %, а под широколиственным лесом - на 11,4 %. На второй год содержание Р205 во всех исследованных почвах стабилизировалось.

Обменный калий. На следующий год после пирогенного воздействия содержание К20 в дерново-лесной глеевато-элювиальной почве под сосновым бором увеличилось на 7,82 % по сравнению с фоновыми почвами, а под березняком в дерново-лесной глеево-элювиальной почве - на 6,11 % (рис. 7).

Через год после лесного пожара содержание К20 в черноземе выщелоченном под суборью увеличилось на 3,78 % по сравнению с фоновыми почвами, а под широколиственным — на 4,28 %. Наблюдаемое увеличение в содержании К20 в пирогенных почвах произошло из-за большего их содержания в образовавшейся после лесного пожара золе. На второй год после пожара содержание К20 в исследуемых почвах стабилизировалось по сравнению с первым годом после пирогенного воздействия.

О 5 10 15 20

Содержание обменного калия, мг/100 г почвы

1. Дерново-лесная глеевато-элювиальная под бором

2. Дерново-лесная глеево-элювиальная под березняком

3. Чернозем выщелоченный под суборью

4. Чернозем выщелоченный под широколиственным лесом

Рис. 7. Содержание в исследуемых почвах обменного калия, мг/100 г почвы

5. ВЛИЯНИЕ ЛЕСНОГО ПОЖАРА НА ФЕРМЕНТАТИВНУЮ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ

В целях биодиагностики экологического состояния почв после лесного пожара мы использовали показатели их ферментативной активности.

Рассматриваемые подтипы почв характеризуются изменением ферментативной активности по профилю почв. Критерием оценки особенностей динамики ферментативной активности с глубиной служит

коэффициент регрессии. Рассчитанные уравнения и линии регрессии каталазной, инвертазной, уреазной и фосфатазной активности дерново-лесных глеевато-элювиальных, дерново-лесных глеево-элювиальных и черноземов выщелоченных фоновых и пирогенных почв показаны на рисунках 8-15.

4.5 т---

- бор фоновый

березняк фоновый

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 Глубина, см

бор пирогенный

- березняк пирог енный

1. 2.

Бор фоновый у=4,36-0,71х; Я" = 0,96 Березняк фоновый у=4,67-0,80х; Я2 = 0,94

Бор пирогенный у=3,66-0,54х; Я = 0,83 Березняк пирогенный у=3,95-0,63х; Я2 = 0,84 Рис. 8. Уравнения и линии регрессии активности каталазы дерново-лесных почв

5 4.5 4 3.5

и £ 2

8 1.5

0.5 0

.....

- суборь фоновая

- широколиственным лес фоновый

----- суборь пирогенная

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 Глубина, см

- широколиственныи лес пирогенный

1. Суборь фоновая у=4,92-0,32х; Я = 0,90

2. Широколиственный лес фоновый у=4,83-0,31х; 1Г = 0,90

3. Суборь пирогенная у=4,27-0,17х; Я2 = 0,39

4. Широколиственный лес пирогенный у=4,17-0,15х; Я2 = 0,37 Рис. 9. Уравнения и линии регрессии активности каталазы чернозема

выщелоченного

- бор фоновый

- березняк фоновый

бор пирогенный

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

Глубина, сгл

■ березняк пирогенный

1. Бор фоновый у=18,09-3,07х; Я = 0,84

2. Березняк фоновый у=21,17-3,73х; Я2 = 0,89

3. Бор пирогенный у=12,17-1,61х; Я2 = 0,93

4. Березняк пирогенный у=16,47-2,57х; Я2 = 0,90

Рис. 10. Уравнения и линии регрессии активности инвертазы дерново-лесных почв

I 25 б

§ , 20 5 Я

И = 15

1 5

1. 2.

Рис.

-суборь фоновая

- широколиственны« лес фоновый

- суборьпирогенная

0-10

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

Глубина, ем

- широколиственным лес пирогенный

Суборь фоновая у=25,3-1,45х; Я2 = 0,96 Широколиственный лес фоновый у=24,3-1,36х; Я2 = 0,98 Суборь пирогенная у=22,4-0,85х; Я2 = 0,63 Широколиственный лес пирогенный у=20,5-0,51х; Я2 = 0,37 Уравнения и линии регрессии активности инвертазы чернозема выщелоченного

На следующий год после воздействия лесных пожаров происходит снижение активности каталазы, инвертазы, уреазы и фосфатазы как в бору дерново-лесных глеевато-элювиальных, так и в березняке дерново-лесных

глеево-элювиальных в среднем на 22,7 %, 34,2 %, 30,8 % и 26,6 % соответственно. Через два года после пирогенного воздействия активность изученных ферментов увеличилась по сравнению с предыдущим годом в среднем на 6,83 %, 12,4 %, 10,7 % и 15,6 % соответственно. Полученные данные свидетельствуют о постепенном восстановлении растительного покрова (рис. 8, 10, 12, 14). Через год после воздействия лесных пожаров происходит снижение активности каталазы, инвертазы, уреазы и фосфатазы как в субори, так и в широколиственном лесу чернозема выщелоченного в среднем на 15,9 %, 15,0 %, 14,9 % и 12,5 % соответственно, что свидетельствует о разрушении растительного покрова. Спустя два года после пирогенного воздействия активность всех рассмотренных ферментов увеличилась по сравнению с предыдущим годом в среднем на 6,52 %, 10,9 %, 9,41 % и 6,71 % соответственно (рис. 9, 11, 13, 15).

0.7

™ 0.6 т

| 0.5

* Я 0.4 2 га

г I 0.3

£ °

? § 0.2

1 0.1

-борфонойЫЙ

........березняк фоновый

бор пирогемный

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 Глубина, см

- березняк пирогенный

1. Бор фоновый у=0,68-0,06х; Я = 0,99

2. Березняк фоновый у=0,73-0,07х; Л2 = 0,99

3. Бор пирогенный у=0,47-0,02х; Л2 = 0,26

4. Березняк пирогенный у=0,54-0,03х; Я2 = 0,52

Рис. 12. Уравнения и линии регрессии активности уреазы дерново-лесных

почв

Полученные значения коэффициента регрессии для всех исследованных почв подчеркивают чувствительность верхнего 0-10 см слоя почв к пирогенному воздействию и устойчивость нижележащих горизонтов. Линии регрессии имеют разные углы наклона. Почва березняка фонового в отличие от березняка пирогенного дерново-лесных глеево-элювиальных, также как и почвы бора фонового в отличие от пирогенного дерново-лесных глеевато-элювиальных характеризуются более растянутой по профилю линией активности ферментов. Подобная картина наблюдается в субори и в широколиственном лесу фоновых и пирогенных почв чернозема выщелоченного. Характер распределения ферментативной активности по профилю фоновых почв - постепенное уменьшение их содержания с глубиной (рис. 8-15).

1. 2.

- суборь фоновая

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 Глубина, см

- широколистаенныи лес фоновый

— суборь пирогенная

- широколиственным лес пирогенмый

Суборь фоновая у=1,38-0,14х; Я = 0,99 Широколиственный лес фоновый у=1,32-0,13х; Я3 = 0,98 Суборь пирогенная у=1,18-0,09х; Я2 = 0,90 Широколиственный лес пирогенный у=1,13-0,09х; Я2 = 0,95

Рис. 13. Уравнения и линии регрессии активности уреазы чернозема выщелоченного

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 Глубина, см

- бор фоновый

Березняк фоновый

- бор пирогенный

- березняк пирогенный

1. Бор фоновый у=0,39-0,06х; Я2 = 0,98

2. Березняк фоновый у=0,43-0,07х; Я2 = 0,98

3. Бор пирогенный у=0,28-0,03х; Я2 = 0,98

4. Березняк пирогенный у=0,33-0,04х; Я2 = 0,97

Рис. 14. Уравнения и линии регрессии активности фосфатазы дерново-лесных почв

0.6

! I

Л с

т ^

Й ч 0.4

А £ 0.3

- суборьфоновая

- широколиственный лес фоновый

0.2

5 х 0.1

4 щ

----суборь пирогенная

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 Глубина, см

- широколиственным лес пирогенный

1. Суборь фоновая у=0,54-0,07х; Я =0,80

2. Широколиственный лес фоновый у=0,50-0,06х; Я" = 0,79

3. Суборь пирогенная у=0,52-0,07х; Я2 = 0,79

4. Широколиственный лес пирогенный у=0,46-0,06х; Я2 = 0,83 Рис. 15. Уравнения и линии регрессии активности фосфатазы чернозема

выщелоченного

6. ИЗМЕНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ, ПОДВЕРГШИХСЯ ПИРОГЕННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ

Кислоторастворимые и обменные соединения 7х\, поступившие на поверхность чернозема выщелоченного, дерново-лесной глеевато-элювиальной и дерново-лесной глеево-элювиальной почв вместе с золой после лесного пожара связываются с органическим веществом почвы. Таким образом, происходит увеличение в содержании кислоторастворимых и обменных соединений в почвах после пирогенного воздействия (табл. 1-4).

Увеличение содфжания кислоторастворимых и обменных соединений Т\л в пирогенных почвах по отношению к «фоновым» происходит в пределах ПДК, следовательно, лесной пожар не является причиной загрязнения почв ТМ. Низкая степень подвижности, характерная для соединений 7л\ делает элемент очень трудно доступным для питания растений, поэтому на исследованных черноземах выщелоченных, дерново-лесных глеевато-элювиальных и дерново-лесных глеево-элювиальных почвах увеличение в содержании обменного 7л\ положительно отразилось на питательном режиме растений. Таким образом, после лесного пожара увеличение в содержании обменных соединений 2п в изученных почвах можно рассматривать по отношению к растениям как внесение в почву микроудобрения.

Таблица 1

Содержание кислоторастворимых и обменных соединений ТМ (мг/кг) в

черноземах выщелоченных (фоновая почва)

Суборь

глубина, Си гп № РЬ Сд Си 2п № РЬ са

см кислоторастворимые обменные

0-10 3,04 0,58 1,92 1,69 0,09 1,96 0,25 1,06 1,54 0,06

10-20 2,92 0,54 1,90 1,65 0,08 1,84 0,23 0,99 1,46 0,06

20-30 2,76 0,51 1,84 1,52 0,08 1,79 0,21 0,87 1,30 0,05

30-40 2,73 0,44 1,76 1,43 0,07 1,68 0,20 0,86 1,27 0,04

40-50 2,60 0,42 1,70 1,28 0,07 1,61 0,16 0,74 1,15 0,03

Широколиственный лес

глубина, Си гп № РЬ С А Си 7п № РЬ Сс1

см кислоторастворимые обменные

0-10 3,08 0,61 1,91 1,82 0,09 1,98 0,28 1,02 1,56 0,07

10-20 2,93 0,54 1,89 1,70 0,09 1,87 0,24 0,96 1,47 0,06

20-30 2,76 0,50 1,84 1,58 0,08 1,81 0,21 0,88 1,32 0,06

30-40 2,72 0,43 1,75 1,46 0,08 1,70 0,19 0,85 1,28 0,05

40-50 2,61 0,40 1,71 1,33 0,07 1,63 0,14 0,73 1,14 0,04

Кислоторастворимые и обменные соединения Си, поступившие на поверхность чернозема выщелоченного, дерново-лесной глеевато-элювиальной и дерново-лесной глеево-элювиальной почвы вместе с золой после лесного пожара связываются с органическим веществом почвы. Таким образом, происходит увеличение в содержании кислоторастворимых и обменных соединений Си в почвах после пирогенного воздействия (табл. 1-4).

Таблица 2

Содержание кислоторастворимых и обменных соединений ТМ (мг/кг) в _черноземах выщелоченных (пирогенная почва)_

Суборь

глубина, Си Ъ\ № РЬ Сс1 Си 2п N1 РЬ са

см кислоторастворимые обменные

0-10 3,67 0,69 1,94 1,62 0,09 2,37 0,37 1,08 1,49 0,06

10-20 2,97 0,55 1,90 1,58 0,08 1,85 0,24 0,99 1,43 0,06

20-30 2,82 0,51 1,81 1,53 0,08 1,80 0,21 0,86 1,32 0,05

30-40 2,75 0,44 1,77 1,45 0,07 1,67 0,19 0,85 1,28 0,04

40-50 2,61 0,41 1,69 1,36 0,07 1,60 0,16 0,73 1,16 0,04

Широколиственный лес

глубина. Си 2п N1 РЬ са Си гп N1 РЬ Сс1

см кислоторастворимые обменные

0-10 3,74 0,73 1,89 1,80 0,09 2,41 0,39 1,00 1,55 0,07

10-20 3,05 0,54 1,87 1,68 0,09 1,89 0,24 0,96 1,46 0,06

20-30 2,79 0,49 1,82 1,54 0,08 1,81 0,20 0,89 1,32 0,06

30-40 2,73 0,43 1,76 1,45 0,08 1,72 0,18 0,85 1,27 0,05

40-50 2,60 0,38 1,71 1,30 0,07 1,63 0,15 0,74 1,14 0,04

Таблица 3

Содержание кислоторастворимых и обменных соединений ТМ (мг/кг) в _дерново-лесных почвах (фоновая почва)_

Бор

глубина, Си гп N1 РЬ са Си Хп N1 РЬ са

см кислоторастворимые обменные

0-10 1,75 0,89 1,52 1,82 0,12 0,74 0,49 0,67 0,91 0,05

10-20 1,58 0,77 1,38 1,33 0,10 0,69 0,45 0,54 0,55 0,05

20-30 1,44 0,62 1,19 1,06 0,09 0,61 0,34 0,49 0,42 0,04

30-40 0,83 0,51 1,13 0,81 0,09 0,32 0,28 0,46 0,33 0,03

40-50 0,47 0,53 1,05 0,79 0,06 0,26 0,27 0,44 0,30 0,02

Березняк

гаубина, Си Ъу N1 РЬ са Си 2п N1 РЬ Сё

см кислоторастворимые обменные

0-10 0,23 0,59 1,36 1,35 0,07 0,12 0,36 0,63 0,76 0,03

10-20 0,22 0,57 1,34 0,92 0,05 0,10 0,34 0,55 0,38 0,02

20-30 0,17 0,30 1,08 0,54 0,03 0,08 0,16 0,47 0,23 0,01

30-40 0,16 0,34 1,04 0,50 0,02 0,07 0,17 0,44 0,18 0,01

40-50 0,14 0,26 1,00 0,47 0,02 0,07 0,12 0,40 0,13 0,01

Увеличение содержания кислоторастворимых и обменных соединений Си в пирогенных почвах по отношению к «фоновым» происходит в пределах ПДК, следовательно, лесной пожар не является причиной загрязнения почв ТМ, а увеличение в содержании обменных соединений Си в черноземе выщелоченном, дерново-лесной глеевато-элювиальной и дерново-лесной глеево-элювиальной почвах можно рассматривать как улучшение пищевого режима почв.

Таблица 4

Содержание кислоторастворимых и обменных соединений ТМ (мг/кг) в _дерново-лесных почвах (пирогенная почва)_

Бор

глубина, Си Хп N1_ РЬ сё Си 2п N1 РЬ Сё

см кислоторастворимые обменные

0-10 1,92 1,06 1,53 1,80 0,13 0,89 0,61 0,68 0,91 0,05

10-20 1,71 0,91 1,36 1,32 0,09 0,77 0,49 0,56 0,58 0,04

20-30 1,46 0,68 1,20 1,07 0,08 0,64 0,42 0,51 0,46 0,04

30-40 0,81 0,54 1,16 0,78 0,08 0,31 0,33 0,48 0,30 0,05

40-50 0,44 0,52 1,02 0,77 0,07 0,25 0,29 0,45 0,31 0,03

Березняк

глубина, Си 2п N1 РЬ са Си 2п N1 РЬ Сё

см ки слотораствори мы е обменные

0-10 0,29 0,71 1,36 1,28 0,06 0,17 0,48 0,62 0,71 0,02

10-20 0,25 0,69 1,31 0,93 0,05 0,13 0,40 0,53 0,34 0,02

20-30 0,20 0,37 1,10 0,49 0,02 0,10 0,23 0,46 0,20 0,01

30-40 0,21 0,36 1,04 0,50 0,02 0,07 0,21 0,41 0,19 0,01

40-50 0,19 0,29 1,03 0,48 0,01 0,08 0,15 0,40 0,15 0,01

Изменения в содержании кислоторастворимых и обменных соединений N1, РЬ и С<1 после лесного пожара в черноземе выщелоченном и в дерново-лесных почвах находятся в пределах ошибки по сравнению с фоновыми почвами, следовательно, лесной пожар не является причиной загрязнения почв ТМ (табл. 1-4).

ВЫВОДЫ

1. После пирогенного воздействия происходит значительное подщелачивание почвенного раствора. Гидролитическая кислотность уменьшается в 0-10 см слое песчаных почв в среднем на 23,0 %, а в черноземе выщелоченном, в верхних горизонтах, полностью исчезает, рНводн и рНКС1 увеличивается во всех исследованных почвах в среднем на единицу.

2. Обнаружено снижение потенциального плодородия после лесного пожара во всех исследованных почвах: содержание гумуса в 0-10 см слое снизилось в среднем на 1,5 %, уменьшилось также содержание щелочногццролизуемого азота. Эффективное плодородие почв повысилось из-за поступления в почву с золой растений соединений фосфора, калия и микроэлементов.

3. Статистическая обработка данных по ФАП показала, что во всех изученных почвах в слое 0-10 см каталазная, инвертазная, уреазная и фосфатазная активность достоверно снижаются после воздействия лесного пожара. Спустя два года происходит восстановление ФАП, но не до исходного состояния. Наличие ФАП на более низком уровне свидетельствует о сохранении микробного пула почвы или некоторой физиологической активности корневых систем растений после лесного пожара.

4. Наиболее информативным и чувствительным показателем трансформации почв после лесного пожара является их инвертазная активность. В черноземе выщелоченном снижение инвертазной активности на следующий год после лесного пожара составило в среднем 15,0 %, а в дерново-лесных почвах - 34,2 % по сравнению с фоном, спустя два года происходит увеличение активности инвертазы в черноземе на 12,4 %, а в дерново-лесных почвах - на 10,9 %. Показатели инвертазной активности можно использовать в качестве биодиагностического показателя трансформации лесостепных почв ЦЧР после лесного пожара.

5. Сравнительный анализ кратковременной динамики ФАП показал, что биогенность почвы восстанавливается на второй год после лесного пожара значительно быстрее в черноземе выщелоченном, чем в дерново-лесных глеевато-элювиальных и дерново-лесных глеево-элювиальных почвах, что связано в первую очередь, со скоростью восстановления растительности. Так, общее проективное покрытие на черноземах выщелоченных на второй год после пирогенного воздействия составило 70 %, а в дерново-лесных почвах — не более 50 %. Пирогенное нарушение лесного сообщества приводит к развитию начальной сукцессионной стадии с доминированием иван-чая узколистного

(Chamaenerion angustifolium), малины обыкновенной (Rubus idaeus), чистотела лекарственного (Chelidonium majus) на черноземе выщелоченном и мелколепестника канадского (Erigeron canadensis) на песчаных почвах.

6. После лесного пожара наблюдается увеличение содержания кислоторастворимых и обменных соединений Си и Zn в почвах, что положительно отразилось на питательном режиме растений. Изменения в содержании кислоторастворимых и обменных соединений Ni, Pb и Cd после лесного пожара в изученных почвах находятся в пределах ошибки по сравнению с фоновыми почвами, следовательно, лесной пожар не является причиной загрязнения почв ТМ.

Список публикаций, отражающих основные результаты исследований Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Девятова Т.А. Содержание соединений цинка и ферментативная активность черноземов обыкновенных в условиях техногенеза / Т.А. Девятова, Ю.С. Горбунова // Вестник Тамбовского университета. Сер. Естественные и технические науки. - Тамбов, 2011. - Т. 16, вып. 6. — С. 1567-1573.

2. Девятова Т. А. Изменение ферментативной активности почв в черноземе выщелоченном при пирогенном воздействии / Т. А. Девятова, Ю.С. Горбунова // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Химия. Биология. Фармация. - Воронеж, 2012 - № 2. - С. 136-143.

3. Горбунова Ю.С. Изменение химического состава чернозема выщелоченного под влиянием пирогенного воздействия / Ю.С. Горбунова, Т.А. Девятова //Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Химия. Биология. Фармация. - Воронеж, 2013.- № 1. - С. 9-14.

4. Горбунова Ю.С. Динамика ферментативной активности чернозема выщелоченного в условиях интенсивного техногенного воздействия / Ю.С. Горбунова, Т.А. Девятова, И.В. Румянцева, Е.В. Сычева //Вестник Тамбовского университета. Сер. Естественные и технические науки. — Тамбов, 2012. - Т. 17, вып. 6.-С. 1548-1550.

5. Горбунова Ю.С. Изменение агрохимических свойств чернозема выщелоченного после воздействия лесного пожара/ Ю.С. Горбунова, Т.А. Девятова // Агрохимический вестник. — Москва, 2013. — № 3. — С. 45-46.

6. Горбунова Ю.С. Изменение ферментативной активности дерново-лесной почвы после пирогенного воздействия / Ю.С. Горбунова, Т.А. Девятова // Проблемы региональной экологии. - Москва, 2013. - № 2. - С. 38-42.

Статьи и тезисы в других изданиях:

7. Протасова Н.А. Микроэлементный состав черноземов обыкновенных в условиях техногенеза горнопромышленного типа / Н.А. Протасова, Н.С. Горбунова, Ю.С. Горбунова, В.В. Сиваченко, Ю.А. Григоров // Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия. - Курск, 2010. - С. 57-60.

8. Горбунова Н.С. Распределение цинка, кадмия, свинца и меди в черноземах обыкновенных в зоне действия Павловского гранитного карьера /

Н.С. Горбунова, Ю.С. Горбунова, В.В. Сиваченко // Труды молодых ученых Воронежского государственного университета. - Воронеж, 2010. - Вып. № 1-2. С. 58-63.

9. Горбунова Н.С. Распределение нефтепродуктов в черноземах выщелоченных Рамонского района Воронежской области / Н.С. Горбунова, Ю.С. Горбунова, Т.В. Журавлева, А.Ю. Чаплыгин // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция Почвоведение и экология почв. - Воронеж, 2010. - С. 16-20.

10. Горбунова Н.С. Тяжелые металлы в обыкновенных черноземах Павловского и Богучарского районов Воронежской области / Н.С. Горбунова, Ю.С. Горбунова, В.В. Сиваченко // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция Почвоведение и экология почв. -Воронеж, 2010. - С. 20-23.

11. Девятова Т.А. Динамика земель сельскохозяйственного использования ЦЧР / Т.А. Девятова, C.H. Божко, Ю.С. Горбунова, И.В. Румянцева // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Биолого-почвенный факультет. Секция Экология. - Воронеж, 2011. -С. 17-21.

12. Горбунова Ю.С. Влияние пирогенного фактора на свойства почв Усманского бора / Ю.С. Горбунова // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Биолого-почвенный факультет. Секция Экология. - Воронеж, 2011. - С. 39-44.

13. Девятова Т.А. Изменение свойств лесных почв при воздействии пожара / Т.А. Девятова, Ю.С. Горбунова // Экология ЦЧО РФ : науч.-техн. журн. по проблемам экологии, охраны окружающей среды и рационального природопользования. - Липецк, 2011. № 2. - С. 89-91.

14. Горбунова Н.С. Ферментативная активность черноземов выщелоченных в зоне влияния автомагистрали / Н.С. Горбунова, Ю.С. Горбунова, A.A. Краснер // Труды молодых ученых Воронежского государственного университета. - Воронеж, 2011. - Вып. № 1-2 . С. 31-36.

15. Горбунова Ю.С. Влияние лесных пожаров на свойства чернозема выщелоченного/ Ю.С. Горбунова // Труды молодых ученых Воронежского государственного университета. - Воронеж, 2011. - Вып. № 1-2 . С. 27-30.

16. Горбунова Ю.С. Влияние автотранспорта на поведение РЬ и Cd в черноземах выщелоченных и на каталазную активность/ Ю.С. Горбунова, Н.С. Горбунова, A.A. Краснер // Состояние и проблемы экосистем среднерусской лесостепи - Воронеж, 2012. - С. 144-150.

17. Беляев А.Б. Влияние пирогенного фактора на свойства почв Усманского бора/ А.Б. Беляев, Ю.С. Горбунова, Т.А. Девятова // Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования: сб. ст. 6-го съезда общества почвоведов: Всерос. конф. с междунар. участием: школа — семинар для молодых ученых "Знания о почве" - развитию страны-Петрозаводск, 2012. - Кн.1. - С. 400-401.

18. Девятова Т.А. Влияние лесных пожаров на интенсивность разложения углеродсодержащих органических соединений почвы / Т.А. Девятова, Ю.С.

Горбунова // Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы): материалы междунар. науч. конф. (г. Воронеж, 26-27 июля 2012 г.). - Воронеж, 2012 . - С. 478-480.

19. ДевятоваТ.А. Изменения в содержании соединений тяжелых металлов и в свойствах чернозема выщелоченного после пирогенного воздействия / Т.А. Девятова, Ю.С. Горбунова // Актуальные вопросы экологии: материалы 8-й Межрегион, науч.-практ. конф., 24 мая 2012 г. - Воронеж, 2012- С. 17-21.

20. Девятова Т.А. Влияние пожаров на свойства лесных почв / Т.А. Девятова, Ю.С. Горбунова // Воспроизводство, мониторинг и охрана природных, природно-антропогенных и антропогенных ландшафтов: материалы междунар. молодежной науч. школы, 14-15 июня 2012 г. — Воронеж, 2012-С. 46-51.

21. Горбунова Ю.С. Биодиагностика экологического состояния дерново-элювоземов после пирогенного воздействия / Ю.С. Горбунова, Т.А. Девятова // Доклады по экологическому почвоведению, раздел: прикладные аспекты экологического почвоведения. — 2013. — Выпуск 18. -№ 1. —С. 91-98.

22. Горбунова Ю.С. Внутрипрофильное распределение подвижных форм соединений меди в дерново-лесных почвах подвергшихся пирогенному воздействию / Ю.С. Горбунова, Т.А. Девятова // Экологическая безопасность нашего будущего: материалы 9-й Межрегиональной научно-практической конференции, посвященной Году охраны окружающей среды в Российской Федерации, 23 мая 2013 г. - Воронеж, 2013. - С. 176-180.

23. Горбунова Ю.С. Влияние лесного пожара на почвенный и растительный покров бора биоцентра ВГУ "Веневитиново" / Ю.С. Горбунова, Т.А. Девятова, А.Я. Григорьевская // Структурно-динамические особенности, современное состояние и проблемы оптимизации ландшафтов: материалы Пятой международной конференции, посвященной 95-летию со дня рождения Ф.Н. Милькова (15-17 мая 2013 г.). - Воронеж, 2013. - С. 117-120.

Подписано в печать 07.11.13. Формат 60*84 'Аб- Усл. нсч. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 1129.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательеко-полиграфичсского центра Воронежского государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Горбунова, Юлия Сергеевна, Воронеж

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201450783 Горбунова Юлия Сергеевна

ТРАНСФОРМАЦИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОЧВ ЛЕСОСТЕПИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

Специальность: 03.02.13 - почвоведение Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -доктор биологических наук, доцент Девятова Татьяна Анатольевна

Воронеж 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................................4

1. ТРАНСФОРМАЦИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОЧВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПИРОГЕННОГО ФАКТОРА (обзор литературы)............9

1.1. Проблема влияния лесных пожаров на состояние экосистемы..................9

1.2. Ферментативная активность как биодиагностический показатель экологического состояния почв после лесного пожара......................................14

1.3. Влияние лесных пожаров на содержание соединений тяжелых металлов в почвах....................................................................................................................................25

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................................36

2.1. Объекты исследований......................................................................................................................36

2.2. Методика исследований..................................................................................................................37

3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ РАЙОНА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................................40

„ 3.1. Климат и погодные условия........................................................................................................40

3.2. Рельеф местности....................................................................................................................................41

3.3. Геологическое строение изучаемых территорий....................................................42

3.4. Гидрология................................................................................................................................................44

3.5. Растительный покров........................................................................................................................45

3.6. Почвообразующие породы и почвенный покров..................................................47

4. ТРАНСФОРМАЦИЯ СВОЙСТВ ПОЧВ ПОСЛЕ ПИРОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ........................................................................................................................................52

4.1. Морфогенетические показатели..............................................................................................52

4.2. Гранулометрический состав почв..........................................................................................53

4.3. Физико-химические свойства почв......................................................................................63

4.4. Химические свойства почв..............................................................................................................74

5. ВЛИЯНИЕ ЛЕСНОГО ПОЖАРА НА ФЕРМЕНТАТИВНУЮ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ......................................................................................................................92

6. ИЗМЕНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ

СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ,

ПОДВЕРГШИХСЯ ПИРОГЕННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ............... 117

Выводы.............................................................................. 144

Библиографический список использованной литературы................ 146

Приложения......................................................................... 170

ВВЕДЕНИЕ

Теоретические подходы к изучению влияния лесных пожаров на почвы обоснованы в трудах отечественных и зарубежных ученых (Корчагин A.A., 1954; Вакуров А.Д., 1975; Бузыкин А.И., 1978; Каплюк Л.Ф., 1980; Padoch, Vayda, 1983; Frandsen W.H., 1986; Громцев A.M., 1993; Краснощеков Ю.Н., 1994, 2008; Вальков В.Ф., 1996; Кулешова Л.В., 1996; Зайдельман Ф.Р., 2002; Lindbladha М., 2003; Dickinson М., Johnson Е., 2004; Мелехов И.С., 2007; Мазиров М.А., 2002; Michaletz S.T., 2007; Бобровский М.В., 2010; Щербов Б.Л., 2008, 2011).

Техногенная трансформация почв лесных экосистем ЦентральноЧерноземного региона (ЦЧР) исследовалась многими учеными, результаты отражены в работах Адерихина П.Г., 1967, 1973; Свиридовой И.К., 1962; Ахтырцева Б.П., 1983, 1992; Беляева А.Б., 1991, 2010; Королева В.А., 1993, 2007; Щербакова А.П., 1993, 2003; Щеглова Д.И., 1999, 2005; Протасовой H.A., 2003, 2011; Девятовой Т.А., 2006, 2008; Джувеликяна Х.А., 2003, 2008; Яблонских Л.А., 2001, 2011; Трегубова О.В., 2000, 2007. Тем не менее, проблема влияния лесных пожаров на состав и свойства почв ЦЧР в научной литературе практически не раскрыта. Большая часть имеющихся по этому вопросу работ проведена в зоне тайги. Динамика пирогенных экосистем, в том числе почв, в пределах Среднерусской лесостепи ранее не изучалась, в то время как лесные пожары 2010 года, затронувшие около 20000 га Воронежской области (Доклад о состоянии окружающей среды, 2011), коренным образом изменили растительность и почвы региона. Этим обусловлена актуальность

проведенных исследований по влиянию пирогенного фактора на состав и свойства лесостепных почв Центрально-Черноземного региона.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

5. Предложить информативные параметры биоиндикации лесостепных почв ЦЧР после лесного пожара.

6. Провести сравнительный анализ особенностей распределения подвижных соединений тяжелых металлов (ТМ) в фоновых и пирогенных

черноземах выщелоченных, дерново-лесных глеевато-элювиальных и дерново-лесных глеево-элювиальных почвах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

Впервые для лесостепных почв ЦЧР проведен детальный анализ изменения физико-химических свойств почв после лесного пожара. Установлено значительное подщелачивание почвенного раствора после пирогенного воздействия, связанное с поступлением в почвенный раствор карбонатов Са и а также катиона К с золой. Обнаружено существенное снижение потенциального плодородия почв (содержание гумуса в 0-10 см слое почв уменьшилось на 1,5 %) и повышение эффективного плодородия почв за счет увеличения содержания подвижных форм зольных элементов.

Защищаемые положения:

2. Результаты сравнительного анализа данных по содержанию подвижных соединений ТМ в фоновых и пирогенных почвах после лесного

пожара показали тенденцию увеличения содержания подвижных соединений Zn и Си в сравнении с их «фоновыми» значениями.

Апробация результатов исследований.

Москва, 2012); на IX Межрегиональной научно-практической конференции, посвященной году охраны окружающей среды в Российской Федерации «Экологическая безопасность нашего будущего» (Воронеж, 2013); на международной научной конференции, посвященной 95-летию со дня рождения Милькова «Структурно-динамические особенности, современное состояние и проблемы оптимизации ландшафтов» (Воронеж, 2013); на научно-практической конференции с международным участием «Анализ экологических функций почв и сервисов экосистем: мониторинг и моделирование» (РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, Москва, 2013).

По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, из них 6 - в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ.

Выражаю глубокую благодарность научному руководителю д.б.н. Т.А. Девятовой за помощь и поддержку в выполнении работы, к.б.н., старшему преподавателю кафедры почвоведения и управления земельными ресурсами Н.С. Горбуновой за консультации при выполнении работы, а также всем сотрудникам кафедры экологии и земельных ресурсов Воронежского госуниверситета, особенно д.б.н., профессору Л.А. Яблонских за ценные советы в процессе подготовке диссертации.

1. ТРАНСФОРМАЦИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОЧВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПИРОГЕННОГО ФАКТОРА (обзор литературы)

1.1. Проблема влияния лесных пожаров на состояние экосистемы

Леса, представляющие наиболее мощную растительную формацию Земли, играют огромную роль в формировании и поддержании на ней благоприятной экологической обстановки - стабилизируют кислородный баланс в атмосфере, предохраняют водные источники от истощения и загрязнения, регулируют речной сток, препятствуют развитию водной и ветровой эрозии почв. Одновременно сами леса находятся в теснейшей зависимости от ведущих абиотических факторов природной среды, прежде всего климата и почвогрунтов, не только обусловливающих их состав, структуру и продуктивность, но и предопределяющих возможность их возникновения и устойчивого произрастания в том или другом регионе планеты [118, 119].

Пирогенное воздействие на окружающую среду привело к существенному сокращению площади лесов и к резкому ухудшению состояния сохранившихся насаждений, в том числе на больших территориях к их полному или частичному усыханию [118, 119].

Изучению истории пожаров посвящено огромное число работ (Мелехов, 1939,1947, 1948; Корчагин, 1954; Вакуров, 1975; Zackrisson, 1977; Barnes, 1984; Engelmark, 1993; Громцев, 1993; Niklasson, 2000; Axelsson, Ostlund, 2001; Коршунов, 2002 и др.). В работах С. Hardy и М. Schmidt (1999) даны обзоры современных методов, применяемых при исследовании пирогенных углей [31, 51, 94, 96, 112, 113, 114, 194, 211, 224, 238, 247]. Послепожарная трансформация почв изучалась многими авторами [85, 97, 164, 180].

Согласно исследованиям Edmeades (2006) в восточной Африке использование огня гоминидами (предположительно Homoerectus) насчитывает 1,7-1,6 млн. лет [21].

Виды рода Homo использовали огонь в центре и на севере Европы еще 400-500 тыс. лет назад, в среднем плейстоцене (Gowlett, 2006). Поддержание и

использование огня человеком стало обычным в интервале 100-50 тыс. лет назад (Bar-Yosef, 2002) [196, 221].

В своих работах Carcaillet et al. указывают на то, что для многих регионов Европы, от Средиземноморья до Фенноскандии, наблюдается заметное расширение использования человеком огня на границе мезолита - неолита. В целом значительное повышение частоты и числа пожаров в Европе показано для 6000 лет назад [21].

По данным Colombaroli et all. (2008) для Тоскании (Италия) увеличение частоты антропогенных пожаров около 8000 лет назад привело к резкому сокращению площадей вечнозеленых широколиственных лесов с доминированием Quercusllex. В период 8100-7000 лет назад интервалы между пожарами составляли 10-100 лет. Резкое увеличение частоты пожаров около 6000 лет назад менее чем за сто лет привело к исчезновению лесов с доминированием Abies и экспансии Pinus alba (Colombaroli et all., 2007,2008) [21].

Carcaillet, 1998; Carcaillet, Brun, 2000; Eriksson et all., 2002 установили, что в центральной и северной Европе подсечно-огневое земледелие получило развитие около 6000 лет назад. В юго-восточной Эстонии распространение подсечно-огневого земледелия относят к периоду 5400-5100 лет назад. В центральной Швейцарии широкое распространение подсеки, индуцируемое появлением в споропыльцевых спектрах пыльцы ячменя (Hordeum) и пшеницы, относят к 4700 лет назад (Wehrlietal., 2007) [21].

В течение бронзового века подсечно-огневое земледелие распространилось почти по всей лесной территории Европы; лишь на северо-восток оно проникло уже в железном веке (История крестьянства, 1985; Эпоха бронзы, 1987). Наиболее существенным ограничением использования подсечно-огневой системы земледелия была необходимость в обширных пространствах свободных земель. Расчеты Кульпина и Пантина (1993) показывают, что подсека могла обеспечивать население зерном при плотности населения не выше, чем два человека на 1 км ; по другим данным, подсечное

земледелие обеспечивало до пяти человек на 1 км (Lehtonen, 1998; Pitkanen, 1999) [21].

По данным Linkola (1989) перед 1830 годом в Финляндии около 25 % урожая ржи собирали на подсеках. В «Истории крестьянства» приведены средние урожаи на «многократных» подсеках в середине XVIII века были сам=12-15, а в конце XIX века - не более сам=6-9 (сам - единица измерения урожайности сельскохозяйственных культур, показывающая соотношение посеянного и собранного зерна. Например, урожай «сам три» означал, что зерна собрано втрое больше, чем было посеяно) [75, 229].

По данным Padoch, Vayda (1983) даже в конце XX века подсечно-огневым земледелием во влажных тропических лесах занималось не менее 240 миллионов человек. Исследованиями циклов современного подсечно-огневого земледелия в тропических лесах (Северный Юкатан) показано, что от первого к третьему циклу живая надпочвенная биомасса уменьшилась на 65 %, масса валежа - на 85 % (Eaton, Lawrence, 2009) [21].

Воздействия огня приводило к увеличению участия в сообществах Alnus viridis (Ольха зеленая), Juniperus (Можжевельник) и Larix (Лиственница) при сокращении участия или исчезновении Pinus cembra (Сосна кедровая европейская), Picea (Ель), Abies (Пихта), широколиственных видов деревьев. Так, на те�

Информация о работе

Горбунова, Юлия Сергеевна
кандидата биологических наук
Воронеж, 2013
ВАК 03.02.13

Диссертация

Трансформация состава и свойств почв лесостепи под влиянием лесных пожаров - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему Трансформация состава и свойств почв лесостепи под влиянием лесных пожаров ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Трансформация состава и свойств почв лесостепи под влиянием лесных пожаров"

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Горбунова, Юлия Сергеевна, Воронеж

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Трансформация состава и свойств почв лесостепи под влиянием лесных пожаров
ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение