Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние антропогенной смены лесных биогеоценозов на экологические свойства почв в условиях среднетаежной подзоны Карелии

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние антропогенной смены лесных биогеоценозов на экологические свойства почв в условиях среднетаежной подзоны Карелии"

На правах рукописи

СОЛОДОВНИКОВ Антон Николаевич

ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННОЙ СМЕНЫ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕТАЕЖНОЙ ПОДЗОНЫ КАРЕЛИИ

03.02.08 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

11 НАР 2014

005546351

Петрозаводск - 2014

005546351

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте леса Карельского научного центра Российской академии наук

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

Федорец Наталия Глебовна

Официальные оппоненты: Рожков Вячеслав Александрович,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, чл.-корр. РАСХН, Государственное научное учреждение Почвенный институт им. В.В. Докучаева Российской академии сельскохозяйственных наук, гл. науч. сотр.

Кузнецова Лариса Анатольевна,

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Петрозаводский государственный университет, доцент кафедры агрономии землеустройства и кадастров

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской академии наук (ЦЭПЛ РАН)

Защита состоится «30» апреля 2014г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33, эколого-биологический факультет, тел., факс: 8(8142)763864.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Петрозаводского государственного университета www.petrsu.ru, с авторефератом - на сайтах http://vak.ed.gov.ru/и www.petrsu.ru.

Автореферат разослан: «44 » /ц-ДО*уа. 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. биол. наук

ДзюбукИ.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В Карелии, где более 85% территории относится к лесному фонду, применение методов рационального природопользования является особо приоритетным. Промышленная заготовка еловой и сосновой древесины в регионе приводит к новым сукцессиям, часто с большим участием лиственных пород, в основном, березы и осины. Особенности почв и почвенного покрова среднетаежной подзоны определяют условия развития лесных экосистем, изучение которых является актуальной задачей. Приобретающая все большее значение кадастровая оценка лесов придает дополнительную ценность знаниям о роли сукцессий в формировании плодородия почв в различных типах местообитаний. Проводимые ранее в Карелии работы касались экологических свойств почв в хвойных и лиственных биоценозах, сформировавшихся в моренных ландшафтах, тогда как свойства почв тяжелого гранулометрического состава являются почти не изученными. В отношении экологических свойств почв осинников планомерных исследований также не проводилось.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы являлось изучение влияния на экологические особенности почв, сформировавшихся на почвообразующих породах разного гранулометрического состава, антропогенной смены хвойных биогеоценозов лиственными в среднетаежной подзоне Карелии.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи.

1. Изучить морфологические свойства, химические и физико-химические характеристики почв, сформировавшихся на почвообразующих породах тяжелого и легкого гранулометрического состава под березовыми, осиновыми и еловыми древостоями.

2. Дать характеристику почв под березовыми и осиновыми древостоями в сравнении с еловыми.

3. Изучить пространственную вариабельность физико-химических и химических показателей почв в березовых, осиновых и еловых биогеоценозах.

4. Сравнить содержание и запасы элементов минерального питания в почвах лиственных и еловых биоценозов.

5. Выявить особенности и определить наиболее характерные показатели взаимосвязи лиственных и хвойных пород с почвой.

Научная новизна. В результате проведенных исследований дополнены и систематизированы данные по экологическим свойствам почв легкого гранулометрического состава, исследованы свойства почв тяжелого гранулометрического состава под лиственными и хвойными биоценозами. Выявлен набор почвенных показателей, наиболее подверженных влиянию

сукцессионной смены породы древостоя. Построены уравнения связи почвенных характеристик с лесообразующей породой древостоя.

Практическая значимость работы. Полученные данные могут использоваться при проведении работ по кадастровой оценке земель под хвойными и лиственными древостоями и планировании лесохозяйственных мероприятий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов-2002" (Москва 2002); международной конференции «Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно-нарушенных ландшафтах» (Петрозаводск, 2005); международной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты» (С-Пб, 2007); международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов - 2008» (Москва, 2008); на VI съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Петрозаводск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе, 2 в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 125 страницах текста, содержит 15 таблиц, 33 рисунка. Список литературы включает в себя 150 источников, из них - 16 зарубежных.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность всем сотрудникам Института леса, оказавшим научную и моральную поддержку в работе над диссертацией и отдельно д.с.-х.н Н.Г. Федорец за научное руководство.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №00-04-49073.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы

В главе, на основе литературных данных, дается обзор проведенных ранее исследований, касающихся роли почв в лесных экосистемах, питательном режиме древесных растений, форм питательных веществ в почве и факторах, влияющих на их содержание. Рассматривается влияние полога различных древесных пород на химический состав атмосферных осадков, и их вклад в формирование питательного режима экосистем. Отмечается воздействие древесной растительности на гидротермический режим почв и почвенного покрова, состав растительного опада и скорость его разложения, бактериальную микрофлору. Обобщаются особенности и тенденции в сукцессионной смене пород, возникающей в результате рубок

хвойных лесов. Анализируются литературные данные по различию в физических, химических, биологических свойствах почв под разными биоценозами.

Глава 2. Природные особенности региона исследований

В главе представлены всесторонние природно-географические данные по Республике Карелия, как регионе исследования. Дана геологическая характеристика региона: типы коренных и четвертичных пород, их генезис, минералогический состав и области распространения. Описываются основные формы рельефа и их генезис. Дается подробная характеристика климата региона, описание основных видов растительности, в том числе основных лесообразующих пород. Приводится характеристика почвенного покрова Карелии, основных типов почв и особенности их распространения.

Глава 3. Объекты и методы.

3.1 Объекты.

Исследования проводились в среднетаежной подзоне Республики Карелия на подобранных по материалам лесоустройства стационарных пробных площадях в Кондопожском и Пряжинском районах.

1. Березняк злаково-разнотравный (ЮБ+С, 60 лет, I класс бонитета), почва: подзолистая илювиально-гумусово-железистая супесчаная на суглинках, переходящих в ленточные глины*;

2. Осинник злаково-разнотравный (ЮОс+Б, 50 лет, 1а класс бонитета), почва: элювиально-поверхностно-глееватая глинистая на ленточных глинах;

3. Березняк чернично-разнотравный (8Б20с, 60 лет, И класс бонитета), почва: подзолистая песчаная на супесчаной морене;

4. Осинник злаково-черничный (70сЗБ, 60 лет, II класс бонитета), почва: подзолистая супесчаная на супесчаной морене;

5. Ельник черничный (8Е1С1Б, 140 лет, III класс бонитета), почва: элювиально-поверхностно-глееватая тяжелосуглинистая на ленточных глинах (Пространственная изменчивость почв.., 2002).

6. Ельник черничный, (8Е2Б, 50 лет, IV класс бонитета), почва: подзолистая иллювиально-гумусово-железистая супесчаная на супесчаной морене (Морозова P.M. и др., 1971).

♦Названия почв даны по региональной классификации (Морозова P.M., 1991).

3.2 Методы.

На всех пробных площадях заложены полнопрофильные почвенные разрезы, проведено морфологическое описание профилей, по генетическим горизонтам отобраны почвенные образцы. Сотрудниками Института леса КарНЦ РАН Ю.В. Преснухиным, О.А.Рудковской и В.В. Тимофеевой выполнено таксационное описание древостоя и описание напочвенной растительности.

Проведены следующие анализы почвы: гранулометрический (методом Качинского), определение величины рН(КС1) и рН(Н20) (потенциометрическим методом), гидролитической кислотности (ГК) (методом Каппена), суммы поглощенных оснований (S) (методом Каппена-Гильковица), содержание подвижных соединений фосфора и калия (Р205, К20) (методом Кирсанова), количество углерода (С) (методом Тюрина) и валового содержания азота (N) (методом Кьельдаля).

Исследование парцеллярного строения растительного покрова и пространственной вариабельности почвенных характеристик почв лиственных лесов проводили траншейным методом (Морозова P.M., Федорец Н.Г, 1992).

Глава 4. Характеристика почв исследуемых биоценозов.

В главе приводится подробное описание свойств почв исследованных биоценозов, анализируется изменение химических и физико-химических параметров по профилю. Проводится сравнительный анализ двух групп биогеоценозов: к первой группе относятся биогеоценозы, почвы которых, сформировались на ленточных глинах, ко второй - почвы, сформировавшиеся на супесчаной морене. В каждой из групп присутствуют березовые, осиновые и еловые древостой. Также сравниваются почвенные характеристики в лиственных и еловых биоценозах.

Анализ почвенных данных показал, что в лесных подстилках почв, сформировавшихся на ленточных глинах, уровень кислотности выше в хвойных лесах, тогда как в подстилках лиственных и хвойных древостоев, почвы которых сформировались на супесчаной морене, значимых различий в уровне почвенной кислотности подстилок не отмечено (рис. 1).

рН (водной вытяжки) 4 5

0

10

20

S

и

ее 30 -

s

-во 40

о.

с

т 50

I

ю >- 60

с;

70 -

80

90

100

-Подзолистая ИГЖ супесчаная на

суглинках, переходящих в ленточные глины. Б. зл,-разнотр.

*^=Элювиально-поверхностно-глееватая глинистая на ленточных глинах. Ос. зл,-разнотр.

- * - Подзолистая песчаная на супесчаной

морене. Б. черн.-разнотр.

""»Подзолистая супесчаная на супесчаной морене. Ос. зл.-черн.

—Элювиально-поверхностно-глееватая суглинистая наленточныхглинах. Е. черн.

— -Подзол иллювиально-гумусово-

железистый песчаный на супесчаной морене, Е. черн.

Рис. 1. Распределение рН водной вытяжки по профилям почв

В лесных подстилках лиственных биогеоценозов содержание углерода, азота и подвижных соединений калия больше, чем в еловых, как на супесчаной морене, так и на ленточных глинах (рис. 2). В подстилках почв легкого гранулометрического состава лиственных насаждений содержится на 5% больше углерода и на 10% больше подвижных соединений калия, чем в подстилках почв тяжелого гранулометрического состава. Однако более высокие показатели содержания фосфора выявлены в подстилках почв тяжелого гранулометрического состава.

2,50 2,00

с

3 1,50 о

§ 1,00 Е

0,50 0,00

180,00

160,00

140,00

С 120,00

та 100,00

1 80,00

г 60,00

40,00

20,00

0,00

Р205

разнотр. И Ос. зл.-разнотр.

N

□ Е. черн. (2)

120,00

100,00

с 80,00

I 60,00

о

40,00 20,00 0,00

ШБ. ЗЛ,-

К20 В Е. черн.

52,00

50,00

с 48,00

46,00

^

о 44,00

Е 42,00

40,00

38,00

с

(1) ЕО Б. черн.-разнотр. й Ос. зл.-черн.

(1) - Ельник черничный, почва: элювиально-поверхностно-глееватая тяжелосуглинистая на ленточных глинах. (2) - Ельник черничный, почва: подзолистая иллювиально-гумусово-железистая песчаная на песчаной морене.

Рис. 2. Содержание элементов минерального питания в лесных подстилках.

Установлено, что минеральные горизонты (особенно подзолистые) почв, сформировавшихся на ленточных глинах, в значительно большей степени обогащены углеродом (в 3 раза), калием (в 12 раз) и фосфором (в 30 раз), чем почв, сформировавшихся на супесчаной морене.

Органогенные горизонты почв лиственных лесов, содержащие большое количество свежего слаборазложившегося растительного опада, накапливают больше фульвокислот, тогда как в подподстилочных минеральных горизонтах накапливаются гуминовые кислоты (рис. 3).

Березняк Осинник Березняк

злаково- злаково- чернично-

разнотравный разнотравный разнотравный

Осинник Ельник Ельник

злаково- черничный (1) черничный (2) черничный

Рис. 3. Отношение гуминовых и фульвокислот (ГК/ФК) в почвах под различными типами

леса

Высокая интенсивность минерализации органического вещества в подстилках почв под лиственными лесами обусловлена более низким, по сравнению с хвойными лесами, содержанием воско-смол и обогащенностью растительного опада азотом (Казимиров Н.И, Морозова P.M., 1973).

листья березы листья осины □ хвоя ели

Рис. 2. Относительное содержание химических элементов в хвое и листьях по сравнению с весом сухого вещества (Морозова Р.М.,1991)

В почвах под лиственными лесами накопление гумуса приобретает фульватно-гуматный характер, что улучшает их лесорастительные свойства. В горизонтах А1А2 и В почв лиственных лесов в составе гуминовых и фульвокислот появляются фракции, связанные с кальцием, что также благоприятно сказывается на физико-химических свойствах почвы и ее плодородии (рис. 4).

Березняк Осинник Березняк Осинник Ельник Ельник

злаково- злаково- чернично- злаково- черничный (1) черничный (2)

разнотравный разнотравный разнотравный черничный

Рис. 4 Влияние типа леса на содержание в почвах связанных с Са фракций гуминовых (ГК) и фульвокислот (ФК) в горизонте А1А2 (% от общего содержания углерода).

В горизонте А1А2 наибольшее количество общего гумуса, а также связанных с Са гуминовых (5,1%) и фульвокислот (5,5%), обнаружено в подзолистой песчаной на супесчаной морене почве под березняком чернично-разнотравным.

Глава 5. Экологические свойства почв.

5.1 Вариабельность мощности лесных подстилок.

Почвенный покров лесных биогеоценозов отличается пространственным и временным варьированием свойств, вызванных изменчивостью компонентов биогеоценоза: биотическими и абиотическими. Огромную роль в генезисе лесных почв играет химический состав растительного опада листьев, хвои, отмирающих трав и кустарничков.

На каждой пробной площади изучалось парцеллярного строения растительного покрова, выделялись преобладающие типы напочвенной растительности (таб. 1).

Таб. 1. Значения мощности подстилок и подподстилочного горизонта под различными парцеллами напочвенной растительности, см.

Виды парцелл Лесная подстилка Под подстилочный горизонт

мин. | макс. | среднее мнн. | макс. | среднее

Березняк злаково-разнотравный (60 лет)

Ландышевая 1 7 4,2 1 13 4,5

Злаково-разнотравная 1 8 3,1 1 8 4,4

Хвощово-сфагновая 1 4 2,3 1 7 3,9

Осинник злаково-разнотравный (50 лет)

Злаково-разнотравная 0 1,5 0,5 1 19 11,4

Хвощовая 0 4 1,1 5 23 15,0

Мертвопокровная 0 2 1,0 10 22 16,7

Березняк чернично-разнотравный (60 лет)

Черничная 2 14 4,6 1 7 2,6

Мертвопокровная 3 19 5,7 1 3 1,4

Осшшик злаково-черничный (60 лет)

Черничная 1 14 4,7 1 7 1,6

Мертвопокровная 3 10 5,1 1 4 1,7

Изучение пространственной вариабельности мощности подстилок показало, что наибольшая средняя мощность подстилки (5,7 см) - в мертвопокровной парцелле березняка чернично-разнотравного, наименьшая (0,5 см) - в злаково-разнотравной парцелле осинника злаково-разнотравного.

Следует отметить чёткую зависимость мощности подстилки от расположения точки взятия образца по отношению к кроне дерева. С удалением от ствола дерева мощность подстилки снижается, достигая своего минимума в межкроновом пространстве.

5.2 Вариабельность почвенных показателей.

Анализировались средние значения основных почвенных показателей (величина рН, содержание углерода и подвижных соединений фосфора и калия) в трех верхних генетичгоризонтах, как для каждой пробной площади в целом, так и для каждой парцеллы.

Наибольшая вариабельность уровня кислотности (7%) в подстилке обнаружена в подзолистой песчаной почве березняка чернично-разнотравного, тогда как углерод (24,4%), фосфор (36,2%) и калий (35,2 %) более всего изменяются в подстилке подзолистой илювиально-гумусово-железистой супесчаной почвы березняка злаково-разнотравного.

Следует отметить, что злаково-разнотравный тип растительности приурочен к наиболее нейтральной среде, в подстилке содержится меньшее количество подвижных соединений фосфора и калия по сравнению с другими парцеллами, однако в минеральных горизонтах их, напротив, больше (таб. 2).

Таб.2. Средние значения почвенных показателей в горизонте А1А2 по траншеям.

Парцеллы рН<н20) рн(кс!) р2о, (мг/ХООг) к]0 (мг/100г) С (%)

Березняк злаково-разнотравный (60 лет)

Ландышевая 4,53 3,74 5,47 15,89 3,81

Злаково-разнотравная 4,79 4,01 15,82 21,77 3,80

Хвощово-сфагновая 4,29 3,57 8,71 16,89 5,71

Осинник злаково-разнотравный (50 лет)

Злаково-разнотравная 5,78 4,89 20,50 11,60 3,42

Хвощовая 5,42 4,60 20,02 11,27 4,13

Мертвопокровная 5,00 4,13 19,92 9,24 3,49

Березняк чернично-разнотравный (60 лет)

Черничная 3,81 2,97 5,88 22,31 4,01

Мертвопокровная 3,81 2,89 5,42 13,64 2,70

Осинник злаково-черничный (60 лет)

Черничная 3,84 2,98 3,63 11,08 2,44

Мертвопокровная 3,88 2,95 5,11 17,92 2,30

Мертвопокровные парцеллы, как правило, более кислые и наименее богаты элементами питания в минеральной части почвы. Хвощовый тип растительности обеспечивает максимальное содержание углерода в двух верхних горизонтах почвы.

5.3 Запас элементов питания.

Повышенное содержание элементов минерального питания в лесной подстилке лиственных биогеоценозов обусловливается интенсивностью ее минерализации, о чем свидетельствует меньший запас подстилки в почвах березовых и осиновых древостоев, по сравнению с еловыми (рис. 5).

■ ■

Б. зл.-разнотр. Ос. зл.-разнотр. Е. черн. (1) Б.черн.-рззнотр. Ос.зл.-черн.

Е. черн. (2)

(1) - Ельник черничный, почва: элювиально-поверхностно-глееватая тяжелосуглинистая на ленточных глинах. (2) - Ельник черничный, почва: подзолистая иллювиально-гумусово-железистая супесчаная на супесчаной морене.

Рис.5. Запас подстилок в лиственных и хвойных биогеоценозах

Характер накопления запаса подстилки зависит от породы древостоя: в лиственных лесах процессы разложения и минерализации подстилки протекают быстрее на почвах, сформировавшихся на ленточных глинах, тогда как в еловых лесах меньшее накопление подстилки происходит на почвах, сформировавшихся на супесчаной морене.

Рисунок 6 показывает существенное влияние запаса подстилки на запасы элементов питания, которые в подстилках под еловыми лесами значительно превышают запасы под лиственными лесами по всем определяемым элементам.

Р205

□ Б. зл.-разнотр. & Ос. зл.-разнотр.

Ос. зл.-черн. □ Е. черн. (2)

(1) - Ельник черничный, почва: элювиально-поверхностно-глееватая тяжелосуглинистая на ленточных глинах. (2) - Ельник черничный, почва: подзолистая иллювиально-гумусово-железистая супесчаная на супесчаной морене.

Рис. 6. Запасы элементов питания в лесных подстилках.

Для более полной оценки почвенного плодородия изучаемых почв необходимо иметь представление о запасах элементов питания, как в органической, так и минеральной ее части. Для среднетаежной подзоны,

согласно P.M. Морозовой (Морозова P.M., Федорец Н.Г. , 1992), запасы минерального питания в наиболее корнеобитаемом 25-сантиметровом слое почвы являются наиболее показательными.

Анализ данных запасов минерального питания в 25-см слое почвы (рис. 7), показал, что в почвы, сформировавшиеся на ленточных глинах, богаче элементами минерального питания по сравнению с почвами, сформировавшимися на супесчаной морене, причем максимальные значения наблюдаются в элювиально-поверхностно-глееватых глинистых почвах.

Р205

□ Б. зл.-разнотр. ЕЭОс. зл.-разнотр.

Ю Б. черн.-разнотр. а Ос. зл.-черн. □ Е. черн. (2)

(1) - Ельник черничный, почва: элювиально-поверхностно-глееватая тяжелосуглинистая на ленточных глинах. (2) - Ельник черничный, почва: подзолистая иллювиально-гумусово-железистая супесчаная на супесчаной морене.

Рис. 7. Запас элементов питания в 25-см слое почв различных типов леса

В целом, почвы сформировавшиеся на ленточных глинах, богаче элементами минерального питания по сравнению с почвами, сформироваровавшимися на супесчаной морене, причем максимальные значения наблюдаются в элювиально-поверхностно-глееватых глинистых почвах. Влияние главной породы древостоя прослеживается только в подстилках и самых верхних горизонтах почв.

Глава 6. Взаимосвязь лесообразуюицей породы и почвенных характеристик.

6.1 Кластерный анализ почвенных характеристик.

Полученная информация о почвах была сведена в массив данных. Объектами исследования выступали образцы лесной подстилки, переходного гумусово-элювиального, элювиального и иллювиального горизонтов каждой почвы. Использовались величины семнадцати почвенных параметров, из которых семь - физико-химические показатели почв, а десять являются показателями валового химического анализа. Данные подвергались нормировке, т.е. их размах от максимума к минимуму приводился к интервалу (0,1).

В качестве меры сходства применялось Евклидово расстояние (Euclidean distances):

, _ 1 _ ч2ч2 где q - число признаков; l,t - номер объекта.

аи ~ У/,\хп хи) )

q м

Для объединения в кластеры был использован метод взвешенного попарного арифметического среднего (weighted pair-group method using arithmetic averages) (рис.8).

A0(1) A0{3) A0(4) A0(6) A0(5) A0(2) A1A2(1) A2(1) A2(3) A2(4) A1A2(3) A1A2(4) 8(1) B(3) B(4) В (6) A1A2(6) A2(6) A1A2(2) A2(2) В (2) A2{5) В (5) A1A2(5)

0.0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Дистанция сходства

Здесь и далее:

(1) подзолистая иллювиалъно-гумусово-жлезистая супесчаная на суглинках, переходящих в ленточные глины почва под березняком злаково-разнотравным;

(2) элювиально-поверхностно-глееватая глинистая на ленточных глинах почва под осинником разнотравно-злаковым;

(3) подзолистая песчаная на супесчаной морене почва под березняком чернично-разнотравным;

(4) подзолистая супесчаная на супесчаной морене почва под осинником злаково-черничным;

(5) элювиально-поверхностно-глееватая суглинистая на ленточных глинах почва под ельником черничным;

(6) подзолистая иллювиально-гумусово-железистая супесчаная на супесчаной морене почва под ельником черничным.

Рис. 8. Результаты кластерного анализа свойств 4 верхних горизонтов почв 6 пробных

площадей.

Анализ результатов позволяет сделать вывод, что наибольшее различие в химических и физико-химических характеристиках у изучаемых горизонтов почв наблюдается между подстилками и минеральными горизонтами. Несколько меньшее влияние оказывает различие типов почв. Третьим по значению фактором, влияющим на химические и физико-химические характеристики горизонтов почв стало различие горизонтов почв

Методы объединения; Взвешенное попарное среднее Евклидово расстояние

под хвойными и лиственными лесами, что подтверждает гипотезу о взаимосвязи преобладающей породы древостоя и свойств почвы.

6.2 Факторный анализ почвенных характеристик.

Для дальнейшего изучения различия или сходства свойств исследуемых почв применялся факторный анализ. Как и в предыдущем анализе, каждый профиль был представлен 4 верхними горизонтами почвы. Использовались величины 17 почвенных параметров, из которых 7 - физико-химические показатели почв, а 10 являются показателями валового химического анализа. Таким образом, каждый профиль в конечном итоге описывался 68 параметрами (рис. 9). Данный анализ использовался с целью подтверждения выводов, сделанных при кластерном анализе, т.е. изучения вклада признаков в разделение почв и уменьшения количества признаков, описывающих профиль. Анализ включает в себя метод главных компонент и анализ главных факторов. Для расчетов главных компонент использовалась программа ТАХСЖ (Рожков В.А., 1989), пакет программ БЬШвйса. Поскольку две первых компоненты суммарно объясняют 76% общей дисперсии, остановились именно на таком числе компонент.

Пространство 2 компонент по 63 параметрам

2,0

1.5

1,0

0,5 5'

-0,5 3

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,41 6 3 4 1,0

Рис. 9 Расположение профилей в пространстве 2 компонент по 68 параметрам.

Основной вклад в первую компоненту (X), объясняющую 54% общей дисперсии, вносят более 50 параметров, что затрудняет интерпретацию результатов. Проекции на эту компоненту показывают четкое разделение точек по типу почв на 2 компактные группы: элювиально-поверхностно-глееватые и подзолистые. Во второй компоненте (У), объясняющей 21%

общей дисперсии, основное влияние оказывают 10 признаков. В расположении проекций точек на данную компоненту прослеживается следующая тенденция: в нижней части шкалы располагаются проекции точек (1) и (3), соответствующие почвам березняков. Несколько выше располагаются проекции точек (2) и (4), соответствующие почвам осинников. Проекции точек (5) и (6), соответствующие почвам ельников, приходятся на верхнюю часть шкалы.

Таким образом, преобладающая порода является фактором, влияющим на распределение точек по данной компоненте. Закономерно, что 5 из 10 признаков, оказывающих значительное влияние на данную компоненту, отвечают показателям лесной подстилки.

По результатам анализа была произведена свертка пространства признаков до 6 (Р2О5(подвиЖ10, К2О(п0Двйжн), С, N. А1203, Ре203), комбинация которых показывала наибольшую взаимосвязь древесной породы с лесной подстилкой (рис. 10).

Пространство 2 компонент поб параметрам

В(51 А2(5) А1А2(5? ' Ю(2\ А1 А2(2^ в<у В(4] ¡(2) N203 / ^ОЭ А0(5)> , /// Р205

В(6) А1 А2(1) А2(3) 4 А2(4).. ,А2(1) %1А2(3) А2(6) ~~ ~~*р?общий до(4) А0.(2) А0(3) *А0(1)

'-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

X

Рис. 10. Расположение горизонтов почв в пространстве 2 компонент по 6 параметрам.

Критериями отбора признаков служили наименьшие значения корреляции с другими признаками, информативность признаков, вклад в разделение точек по древесной породе в подстилке. На графике четко видно разделение точек АО на 3 группы: А0(1), А0(3) (березняки); А0(2), А0(4) (осинники), А0(5), А0(6) (ельники).

Следующим шагом стало исключение точек, соответствующих лесным подстилкам и поиск аналогичного набора признаков для минеральных горизонтов (рис. 11). Взаимосвязь преобладающей древесной породы

прослеживается только с подподстилочным горизонтом. Наиболее диагностирующим взаимосвязь на почвы с древесной породой стал набор из 4 признаков (А1203, Ре203, Ыа20, МпО).

Пространство 2 компонент по 4 параметрам 1,5 -.-.---,-,-,-г——,-,-.-,-,-.--,-,-

1,0 ' В{1)«а20

А2(4) д2(1) в13)в(4) I А2_(2)

А1*<1> / А1 А2(2) А2,5,.В<2> 0,0 --ЁЁ>_

-1,0 '

А1 ^2(5)

-1.5 ' В^б)

А2(6)

-2 0 *

А1А2(6)

-2,5 -*-'-------*--'-—--■-------'-

-1,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

X

Рис. 11. Расположение горизонтов почв в пространстве 2 компонент по 4 параметрам.

6.3 Дискриминантный анализ влияния лесообразующей породы на почвенные характеристики.

Основная идея дискриминантного анализа заключается в том, чтобы определить, отличаются ли массивы данных по среднему какого-либо признака (или линейной комбинации признаков). Окончательным критерием значимости того, разделяет переменная две совокупности или нет, становиться /'-критерий (критерий Фишера).

Для анализа использовались величины 17 почвенных параметров, характеризующие 4 верхних горизонта каждой почвы. Целью анализа являлось выявление показателей, вносящих наибольший вклад в разделение как органических, так и минеральных горизонтов почв под древостоями различного породного состава.

Использовалось пошаговое включение переменных при условии критерия Р=1. Результатом стал набор из 5 признаков (рН, А1203, Р205, Ка20). Дискриминантная функция представлена двумя значащими корнями (КооП, Яоо12) (таб. 3) (рис. 12).

Пространство 2 компонент по 4 параметрам

В1 А2(4;А2(1) вр)в14) ■Ч*3' А1А2(1) А1А2(3) • 7"_ А2(2) А1А2(2) Аг^Р'2' АН03 -=======*Рв20Э В15)

МпО

А1$>(5)

<4(6)

*А1А2(6)

,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,

X

Таб. 3. Корни дискриминантной функции

Root 1 Root 2

рН(Н20) -6,76179 -0,525123

А1203 0,65745 -0,172594

Na20 -2,66846 -0,978535

Р2О5 1,21634 -0,750193

Constant 4,69902 7,634174

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

л 0,0

о ^

м -0,5 -1,0 -1,5 -2,0

• Б

-2'5 я о

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 . _

А Е

Root 1

Рис. 12. Расположение горизонтов почв березовых (Б), осиновых (О) и еловых (Е) биогеоценозов в пространстве корней дискиминантной функции.

Таблица 4 показывает наибольшие расстояния Махалонобиса почвами хвойных и лиственных древостоев.

между

Таб. 4. Расстояния Махалонобиса между центроидами групп.

Б О Е

Б 0,00 2,08 56,27

О 2,08 0,00 41,14

Е 56,27 41,14 0,00

(Б) - группа горизонтов почв березовых биогеоценозов; (О) группа горизонтов почв осиновых биогеоценозов; (Е) - группа горизонтов почв еловых биогеоценозов.

Из положения точек на графике (рис 12) видно, что именно первый корень дискриминантной функции вносит вклад в разделение почв хвойных и лиственных древостоев, тогда как второй указывает на разделение почв березовых и осиновых древостоев. Точки, соответствующие почвам березовых древостоев, также представляют собой компактную группу, однако к ним примыкают три точки, соответствующие минеральным горизонтам подзолистой супесчаной почвы под осинником злаково-черничным. Стоит отметить, что в составе древостоя (70сЗБ) этой пробной площади присутствует довольно много березы. Таким образом, анализ показал достоверность модели 83,3%.

Четкое разделение групп почв под ельниками и лиственными древостоями подтверждает выводы, сделанные при кластерном и фракционном анализах.

6. 4 Анализ связи физико-химических свойств почв и характеристик напочвенного покрова.

Целью данного анализа было выявление почвенных признаков, наиболее влияющих на развитие напочвенной растительности. Использовался траншейный метод исследования напочвенного покрова. В ходе анализа напочвенного покрова всех пробных площадей, были выделены 7 доминирующих видов растительности. Ими явились Calamagrostis arundinacea (Вейник тростниковый), Majanthemum bifolium (Майник двулистный), Trientalís europaea (Седмичник европейский), Fragaria vesca (Земляника), Rubus saxatilis (Малина), Vaccinium myrtülus (Черника) и Melampyrum sylvaticum (Марьянник лесной). В каждой точке отбора образцов сопоставлялись физико-химические свойства почв по 3 верхним горизонтам и данные по напочвенному покрову. Корреляция полученных массивов данных проводилась отдельно для средней высоты и проективного покрытия растений, а также произведения средней высоты и проективного покрытия растений. Для 6 из 7 видов растительности полученный результат явно указывает на показатель рН в качестве основного фактора влияния на рост и проективное покрытие травянистых растений. Наибольшие коэффициенты корреляции выявлены с величиной рН лесной подстилки. Корреляция общего проективного покрытия напочвенного покрова и общего количества видов также показала высокую зависимость от уровня рН.

Выводы

• Сравнительный анализ показателей плодородия в почвах хвойных и лиственных лесов показал, что в целом почвы, сформировавшиеся на ленточных глинах, богаче элементами минерального питания по сравнению с почвами на супесчаной морене;

• Выявлено, что минеральные горизонты (особенно подзолистые) почв тяжелого гранулометрического состава в значительно большей степени обогащены углеродом (в 3 раза), калием (в 12 раз) и фосфором (в 30 раз), чем легкие почвы;

• В лесных подстилках почв, сформировавшихся на ленточных глинах, уровень кислотности выше в хвойных лесах;

• Благодаря богатому азотом и зольными элементами лиственному опаду, в подстилках лиственных биогеоценозов содержание углерода, азота и подвижных соединений калия выше, чем в еловых, как на супесчаной морене, так и на ленточных глинах;

• Более высокая интенсивность минерализации лиственного опада приводит к меньшему запасу подстилки в почвах березовых и осиновых древостоев по сравнению с еловыми;

• Несмотря на более высокие показатели содержания элементов питания в подстилках лиственных лесов, их запасы выше в подстилках еловых лесов;

• Органогенные горизонты почв лиственных лесов, содержащие большое количество свежего слаборазложившегося растительного опада, накапливают больше фульвокислот, тогда как в верхних минеральных горизонтах накопление гумуса приобретает фульватно-гуматный характер, что улучшает их лесорастительные свойства;

• В почвах под лиственными лесами в горизонтах А1А2 и В почв лиственных лесов в составе гуминовых и фульвокислот появляются фракции, связанные с кальцием, что также благоприятно сказывается на физико-химических свойствах почвы и ее плодородии. Наибольшее количество общего гумуса, а также связанных с Са гуминовых и фульвокислот, обнаружено в подзолистой супесчаной на супесчаной морене почве под осинником злаково-черничном;

• Методом кластерного анализа выявлено, что основными факторами, влияющими на различие химических и физико-химических характеристик почвенных горизонтов являются органогенность горизонта и тип почвы. Следующим по значению фактором является различие почв под хвойными и лиственными лесами, что подтверждает гипотезу о взаимосвязи преобладающей древесной породы и почвенных характеристик;

• Методом факторного анализа определено, что влияние преобладающей породы древостоя на химические и физико-химические характеристики почвы проявляется в большей степени в верхней части профиля. Наиболее подвержены данному влиянию лесные подстилки, в гораздо меньшей степени горизонты А1А2, а в горизонтах В оно незначительно;

• Почвенные показатели, наиболее тесно взаимосвязанные с лесообразующей породой, различны для лесной подстилки и для горизонта А]А2. Для подстилки - это главным образом элементы, отвечающие за минеральное питание растений (Р205(„0движН), К20(подвижн), С, М), а кроме того А1203, Ре203. Для горизонта А1А2 - это показатели общего содержания А1203, Ре203, Ка20, МпО. Как для подстилки, так и горизонта А]А2 это величины общего содержания А1203 и Ре205, влияющие на кислотно-щелочные свойства почв;

• Методом дискриминантного анализа определены общие для лесной подстилки и верхних минеральных горизонтов почвенные признаки, наиболее взаимосвязанные с лесообразующей породой: рН водной вытяжки, общее содержание А1203, Р205) Ыа20;

• Корреляционный анализ взаимосвязи химических и физико-химических почвенных показателей указал значимое влияние величины актуальной кислотности на проективное покрытие и высоту растений напочвенного покрова.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Материалы съездов и конференций

1. Солодовников А.Н. К вопросу оценки продуктивности лесных почв // Материалы 5-й Путинской конференции молодых ученых "Биология - наука 21-го века". Пущино, 2001г., С.103.

2. Солодовников А.Н. Структура почвенного покрова мелколиственных лесов Карелии // Материалы IX международной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов-2002". Москва, 2002г., С.290.

3. Солодовников А.Н. Формирование продуктивности почв под лиственными насаждениями среднетаежной подзоны Карелии // Материалы международной конференции «Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно- нарушенных ландшафтах», Петрозаводск, 2005, с. 153-154.

4. Солодовников А.Н. Влияние мелколиственных лесов на плодородие почв в среднетаежной подзоне Карелии // Материалы международной конференции: «Почва, как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем», Иркутск, 2006, С.334-335.

5. Солодовников А.Н. Вариабельность напочвенного покрова и свойств почв в березовых и осиновых древостоях.// Материалы международной конференции «Северная Европа в XXI веке: Природа, культура, экономика» Петрозаводск, 2006, С.201-203.

6. Солодовников А.Н. Влияние преобладающей древесной породы на свойства почв и напочвенный покров в среднетаежной подзоне Карелии // Материалы

международной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты». С-Пб, 2007, С.514-517.

7. Солодовников А.Н. Исследования продуктивности почв лиственных лесов в среднетаежной подзоне // Материалы XV международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов - 2008», С. 119-120.

8. Солодовников А.Н. Статистические исследования влияния древесной и напочвенной растительности на почвы среднетаежной подзоны республики Карелия // Материалы V Всероссийского Съезда Общества почвоведов, Ростов-на-Дону, 2008 г., С. 504

9. Солодовников А.Н. Дикриминантный анализ влияния древесных пород на почвы в среднетаежной подзоне Республики Карелия // Материалы VI съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева, Петрозаводск, 2012

Статьи в журналах, сборниках и монографиях

1. Солодовников А.Н. Пространственная вариабельность мощности лесных подстилок в мелколиственных лесах. // Сборник работ аспирантов и соискателей Института леса, Петрозаводск, 2002г., С.102-107.

2. Федорец Н.Г., Морозова P.M., Солодовников А.Н. Лесные почвы Карелии и оценка их продуктивности // Труды Карельского научного центра РАН, вып.5, Петрозаводск, 2003. С. 108-121.

3. Почвы и почвенный покров заповедника «Кивач» / Федорец Н.Г., Морозова P.M., Бахмет О.Н., Солодовников А.Н. // Труды Карельского научного центра РАН, Выпуск Ю.Петрозаводск, 2006, 131-152.

4. Почвы хвойных и мелколиственных лесов / Федорец Н.Г., Солодовников А.Н., Мошкина Е.В., Преснухин Ю.В., Тимофеева В.В. // Разнообразие почв и биоразнообразие в лесных экосистемах средней тайги, М.,Наука, 2006, С.98-146.

5. Пространственная изменчивость почв и почвенного покрова лесных биогеоценозов / Морозова P.M., Солодовников А.Н., Ткаченко Ю.Н., Чех А.И. // Разнообразие почв и биоразнообразие в лесных экосистемах средней тайги, М., Наука, 2006, С. 147-199.

6. Солодовников А.Н. Особенности генезиса почв под мелколиственными лесами в среднетаежной подзоне Карелии // Эколого-геохимические и биологические закономерности почвообразования в таежных лесных экосистемах, Петрозаводск, 2009, С. 45-67.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Федорец Н.Г., Морозова P.M., Солодовников А.Н. Пространственная изменчивость почвенного покрова в сосняке лишайниковом // Лесоведение, 2006, №3, С. 64-79.

2. Солодовников А.Н. Экологические свойства почв под лиственными и хвойными лесами в среднетаежной подзоне Северо-Запада России // Современные проблемы науки и образования, 2014. № 1; URL: httpV/www.science-education.ru/l 15-12046. (дата обращения: 11.02.2014).

Подписано в печать 20.02.14. Формат 60x84 Уч.-изд. л. 1,0. Усл. печ. л. 1,3. Тираж 100 экз. Изд. N2 440. Заказ № 196

Карельский научный центр РАН Редакционно-издательский отдел 185003, Петрозаводск, пр. А. Невского, 50

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Солодовников, Антон Николаевич, Петрозаводск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук (ИЛ КарНЦ РАН)

На правах рукописи

0420145701 1

Солодовников Антон Николаевич

ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННОЙ СМЕНЫ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕТАЕЖНОЙ ПОДЗОНЫ КАРЕЛИИ

03.02.08 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук

Федорец Н.Г.

Петрозаводск - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 4

Глава 1. Обзор литературы 7

Глава 2. Природные особенности региона исследований 19

2.1 Геологические условия 19

2.2 Рельеф 21

2.3 Климат 22

2.4. Растительность 24

2.5. Почвенный покров 25 Глава 3. Объекты и методы исследования 28

3.1 Объекты 28

3.1.1 Лиственные биогеоценозы сформировавшиеся на ленточных глинах

3.1.2 Лиственные биогеоценозы сформировавшиеся на супесчаной морене

3.1.3 Хвойные биогеоценозы 40

3.2 Методы 42 Глава 4. Характеристика почв исследуемых биогеоценозов 44

4.1 Почвы сформировавшиеся на ленточных глинах 44

4.2. Почвы сформировавшиеся на морене 55

Глава 5. Экологические свойства почв 59

5.1 Вариабельность мощности лесных подстилок 59

5.2 Вариабельность почвенных показателей 65

5.3 Запас элементов питания 74 Глава 6. Взаимосвязь лесообразующей породы с почвенными

80

характеристиками

6.1 Кластерный анализ почвенных характеристик 80

6.2 Факторный анализ почвенных характеристик 83

28

36

99

6.3 Дискриминантный анализ взаимосвязи лесообразующей породы и почвенных характеристик

6.4 Анализ связи физико-химических свойств почв и характеристик напочвенного покрова

Выводы 101

Список литературы 104

Приложения 119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: В Карелии, где более 85% территории относится к лесному фонду, применение методов рационального природопользования является особо приоритетным. Промышленная заготовка еловой и сосновой древесины в регионе приводит к новым сукцессиям, часто с большим участием лиственных пород, в основном березой и осиной. Особенности почв и почвенного покрова среднетаежной подзоны определяют условия развития лесных экосистем, изучение которых является актуальной задачей. Приобретающая все большее значение кадастровая оценка лесов придает дополнительную ценность знаниям о роли сукцессий в плодородии почв в различных типах местообитаний. Проводимые ранее в Карелии работы касались экологических свойств почв в хвойных и лиственных биоценозах, сформировавшихся в моренных ландшафтах, тогда как свойства почв тяжелого гранулометрического состава являются почти не изученными. В отношении экологических свойств почв осинников планомерных исследований также не проводилось.

Научная новизна: В результате исследований дополнены и систематизированы данные по экологическим свойствам почв легкого гранулометрического состава, исследованы почвы тяжелого гранулометрического состава под лиственными и хвойными лесами. Выявлен набор почвенных показателей, наиболее подверженных влиянию смены древостоя. Построены уравнения связи экологических почвенных характеристик с породой древостоя.

Цели и задачи исследования: Целью данной работы являлось изучение влияния на экологические особенности почв, сформировавшихся на почвообразующих породах разного гранулометрического состава, антропогенной смены хвойных биогеоценозов лиственными в среднетаежной подзоне Карелии.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить морфологические свойства, химические и физико-химические характеристики почв, сформировавшихся на почвообразующих породах тяжелого и легкого гранулометрического состава под березовыми, осиновыми и еловыми древостоями.

2. Дать характеристику почв под березовыми и осиновыми древостоями в сравнении с еловыми.

3. Изучить пространственную вариабельность физико-химических и химических показателей почв в березовых, осиновых и еловых биогеоценозах.

4. Сравнить содержание и запасы элементов минерального питания в почвах лиственных и еловых биоценозов.

5. Выявить особенности и определить наиболее характерные показатели взаимосвязи лиственных и хвойных пород с почвой.

Практическая значимость работы: Полученные данные могут использоваться при проведении работ по оценке земель под хвойными и лиственными древостоями и планировании лесохозяйственных мероприятий.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции студентов и аспирантов "ЛОМОНОСОВ-2002" (Москва 2002); международной конференции «Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно-нарушенных ландшафтах» (Петрозаводск, 2005); международной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты» (С-Пб, 2007); международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов - 2008» (Москва, 2008); на VI съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Петрозаводск, 2012).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе, 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Благодарности: Автор выражает искреннюю благодарность всем сотрудникам Института леса, оказавшим научную и моральную поддержку в работе над диссертацией и отдельно д.с.-х.н Н.Г. Федорец за научное руководство.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №00-04-49073.

Глава 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Согласно развиваемой концепции плодородия почвы, главная функция почвы - обеспечение жизни на Земле. Почва, как необходимый компонент любой наземной экосистемы, является следствием жизни и одновременно одним из условий ее существования. С плодородием почвы традиционно связывают питательный режим наземных экосистем (Докучаев 1948; Вильяме, 1951; Добровольский, Никитин, 1986; Добровольский, 2005). Под питательным режимом понимается сочетание возможностей окружающей среды в удовлетворении потребностей организмов и их сообществ в элементах питания и способности организмов использовать эти возможности, трансформируя среду обитания и, тем самым, создавая условия жизни. В общем виде под плодородием понимают способность почвы удовлетворять потребность растений в элементах питания и воде. Таким образом, доступность элементов питания является необходимым условием плодородия.

Химические элементы присутствуют в почвах в различных физико-химических формах. Они могут находиться в виде водорастворимых и обменных форм, могут быть связаны в органических соединениях, силикатах, оксидах железа, алюминия и марганца. Водорастворимые, обменные и, частично, органические соединения являются наиболее мобильными и потенциально доступными для растений (Карпачевский, 1981; Орлов, 1985; Барбер, 1988; Ильин, 1991). Наибольшее влияние на содержание подвижных соединений элементов в почвах оказывает реакция среды (Каппен, 1934), окислительно-восстановительные условия, наличие тонкодисперсных частиц, количество и качественный состав гумуса (Орлов, 1985; Brady, 1984).

Одним из основных показателей почвенного плодородия является содержание в почвах органического вещества. Почвы лиственных лесов по

количеству органического вещества близки к почвам еловых насаждений, так как занимают места бывших ельников. Отличие заключается в меньшем его количестве в лесных подстилках, которые в лиственных лесах маломощны, поскольку лиственный опад быстро минерализуется и гумифицируется, а накопление органического вещества происходит в гумусово-аккумулятивном горизонте А1 (Кононова 1963; 1968; Дергачёва, 1984; 1989 ).

Географическое положение значительно определяет степень воздействия породы на лесорастительные свойства почвы (Лазарева, Зябченко, 1981). Интенсивность разложения и минерализации органических остатков и синтез гуминовых веществ в лесу под воздействием биохимических процессов и ферментативных реакций зависят от химического состава гумусообразователей и почвенно-климатических условий (Соколов, 1960, 1962; Пономарева, Плотникова, 1980). В Карелии наиболее производительные древостой произрастают на почвах со средними запасами органического вещества и нормальным увлажнением (Морозова, Лазарева, 1983).

В формирование питательного режима экосистем значительный вклад вносят атмосферные выпадения. Поступление элементов из атмосферы рассматривают как компенсатор потерь биогеоценозом элементов - биофилов в условиях гумидного режима в результате выщелачивания (Пьявченко, Сибирева, 1959; Пономарева 1966, 1972; Никонов, Манаков, 1979; Никонов, Лукина, 2000). Трансформация и перераспределение атмосферных выпадений в лесу осуществляется древесными растениями. Кислотность и состав атмосферных осадков, проникающих через древесный полог, отличаются от осадков, поступающих в лесные прогалины или на поляны (Куликова, 1968; Пристова, 2005). В березняке и осиннике состав кроновых вод различается под лиственными и хвойными древесными растениями, особенно по содержанию органического углерода, калия, кальция. В водах, собранных в межкроновых пространствах ("окнах"), зафиксированы меньшая концентрация основных элементов биогенного происхождения и более

резкие колебания их содержания в течение вегетационного периода. Это отражает парцеллярный характер сложения растительного сообщества лесной экосистемы, что проявляется уже на стадии возобновления древесных растений в травянистом сообществе.

По сравнению с осадками, собранными под травянистой растительностью, воды под кронами древесных растений отличаются большей концентрацией органического вещества и элементов-биогенов -калия, кальция, магния. (Арчегова, Кузнецова, 2011). Осадки, прошедшие сквозь крону хвойных деревьев, характеризуются более высокой кислотностью, чем собранные в межкроновых пространствах или в лиственном лесу (Никонов, Лукина, 1998; Nicholson et al, 1980; Forest vegetation affecting.., 2006). Взаимодействуя с потоком атмосферных осадков растительный покров количественно его увеличивает за счет интенсивного извлечения аэрозолей, а качественно - внося в него биогенные компоненты: некоторые катионы и органические соединения. (Cronan, Reiners, 1983). Это явление может быть обусловлено также высокой способностью хвойных к перехвату аэрозолей, поскольку они обладают большой поверхностью (Tyier et al., 1987; Woodin, 1989). Вымываемые из растений неорганические соединения включают все основные макро- и микрокомпоненты. В наибольших количествах обычно высвобождаются калий, кальций, магний и марганец. Вымываются из растительности также различные органические соединения (Tukey, 1970). Таким образом, полог древостоя не является нейтральным фильтром. В зависимости от видового состава деревьев и сомкнутости он в той или иной мере трансформирует кислотность и химический состав атмосферных выпадений (Елпатьевский,1942; Стрелкова А.А., 1969; Gersper P.L., Holowaychuck, 1971; Лукина, Никонов, 1998).

Карелия относится к зоне достаточного увлажнения, среднегодовое количество осадков составляет 600 мм, при этом 350-400 мм выпадает в теплое время. Довольно высокое годовое количество осадков в Карелии и слабое испарение их приводит к периодическому значительному

промыванию почв, в свою очередь обусловливает особую динамичность веществ, находящихся в почвенном растворе (Левкина, 1962).

Древесные насаждения оказывают сглаживающее влияние на температуру приземного слоя воздуха. Максимальная и минимальная температура выше, чем на открытом пространстве (~7°,~3°), причем максимальная колеблется значительно сильнее, чем минимальная, особенно под воздействием солнечных лучей. Среднесуточная температура молодых насаждений в целом больше, чем средневозрастных. (Морозова, 1968). Разница температур почвы под кроной и в "окне", достигает 1°-1,5°, суточные и сезонные колебания температуры выражены сильнее в "окне". Весной и осенью разница больше, чем летом. Оптимальная температура для активного роста растений 9-10°, начальная для процессов роста 5-6°. Прогрев почв зависит от роста насаждений. Например, почвы средневозрастных березняков менее подвержены колебаниям температуры, чем почвы молодых и старых насаждений. С увеличением возраста насаждений среднесуточная и максимальная температуры воздуха падают, а минимальная возрастает. Почвы березняков теплее, чем ельников на 1-1,5° (Морозова, Лазарева, 1983).

В спелых лиственных насаждениях кроны задерживают 20-27% осадков, а полог ели 40-42%. Накопление снега больше в молодых насаждениях. Наиболее изменчива влажность в 50 сантиметровом слое почв. Наибольшая влажность наблюдается весной, наименьшая - в период вегетации растений (1-10мм). Наиболее влажными весной и наиболее сухими в период вегетации являются почвы средневозрастных насаждений (Руднева, 1973; Казимиров и др., 1978).

Важное влияние на изменение свойств почв имеет растительный опад (Родин, Базилевич,1965; Самойлова, 1969; Корчагина, 1973; Матюшкин, 1973; Кучко, Матюшкин, 1974, Морозова, 1991; Карпачевский и др., 1993). Характер разложения опада зависит от фракционного состава (хвоя, ветви, корни) и от видового состава (хвоя ели или сосны, листья березы или осины и т. д.). Минерализация и гумификация растительного опада в березняке

разнотравном протекает более активно, чем в хвойных лесах. Древесина лиственных пород по сравнению с хвойными разлагается в 3-4 раза быстрее (Ведрова, 1997, 2008).

Здесь из опада быстрее высвобождается азот и зольные элементы, особенно самая устойчивая его часть - негидролизуемый остаток. На начальных этапах опад березы активнее разлагается в подстилке березняков, чем хвоя в сосняках. Однако в любом случае листья березы подвергаются более глубоким качественным изменениям, чем хвойный опад. За год из листьев березы в березовом насаждении высвобождается от 50% до 75% отдельных элементов и разлагается около 70% клетчатки и негидролизуемых соединений. Интенсивно разлагаются азотсодержащие соединения и негидролизуемый остаток опада листьев березы в сосновом насаждении (Смирнова, Глазунова, 1958; Семенова 1971, Федорец, Бахмет, 2003). Хвойный же опад по истечении трех с половиной лет представляет собой особо устойчивую к разложению лигнифицированную массу, в которой закреплено значительное количество азота и особенно фосфора.

Береза способствует интенсификации круговорота веществ как за счет более быстрого высвобождения элементов из опавших листьев и улучшения питательного режима почв, так и за счет стимуляции микробиологических процессов и активизации процессов разложения других видов опада и подстилки (Казимиров и др. 1969, Казимиров и др. 1978, Морозова, Куликова, 1978; Германова, 1994; Втк1еу, 1994; Кулай, Хренова, 1996).

Вес 1 дмЗ ствола березы в свежем состоянии 0,96-0,99кг, в абсолютно сухом 0,52-0,56кг (-45%),(у ели -50%). Для листьев березы влажность 65%(для хвои ели 55%). На ствол березы в среднем приходится 50-74% фитомассы, на листья 2-10%, ветви 15-16%, 20-22%. При одинаковом диаметре масса кроны у ели в 2-2,5 раза больше, чем у березы. Насыщенность кронового пространства листовой массы находится в обратной связи с высотой насаждения.

Обилие и видовой состав напочвенного покрова (его масса) определяются степенью развития древесного полога. Особенно четко эта зависимость проявляется в двухъярусных насаждениях (Казимиров и др., 1978). Обычно ассимилирующие органы разлагаются быстрее, чем ветви, а ассимилирующие органы лиственных пород разлагаются примерно в два раза быстрее, чем хвойных (Бутримайте, 1969; Зайков, 1976; Германова, 1994). Такое влияние березы в смешанных насаждениях очевидно связано с усилением миграции элементов в биоценозе (Новицкая и др., 1981; Nykvist Nils, 1963; Пристова, Хабибуллина, Виноградова 2012). С включением березы в состав хвойных насаждений не только ускоряется биологический круговорот веществ, но и увеличивается его объем, снижается кислотность (Falkengren-Grerup, 1989), улучшается режим питательных веществ, изменяется гумусовый профиль и некоторые физические характеристики почв, в частности плотность. Увеличивается сумма зольных элементов, возвращаемых с опадом. Более богатый азотом органический материал березового древостоя обеспечивает быструю гумификацию и минерализацию опада. (Паршевников, 1957; Шакиров, 1961; Плохов, 1969; Ханбеков, 1977; Лазарева, Зябченко, 1981). Выявлена способность водорастворимых продуктов из живых растений и из опада, в составе которых преобладают органические вещества (полифенолы и органические кислоты), к реакциям растворения, восстановления и комплексообразования (Карпачевский, 1963; Зонн, 1963; Кауричев, Ноздрунова, 1964; Кауричев, Фролова, 1965; Яшин, Кауричев, 1992; Яшин и др., 1993; Карпухин и др., 1993). Таким образом, интенсивность потоков химических элементов, определяемая конкретным эдификатором со всеми его биогеоценотическими связями, может рассматриваться как важный фактор направленности почвенных процессов (Мина, 1965, 1967; Карпачевский, 1977; Ведрова, 1980).

В целом, является очевидным, что в почвах, н