Запасы углерода в почвах и растительности постагрогенных ландшафтов южной тайги

Чалая, Татьяна Анатольевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Запасы углерода в почвах и растительности постагрогенных ландшафтов южной тайги
ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Запасы углерода в почвах и растительности постагрогенных ландшафтов южной тайги"

Чалая Татьяна Анатольевна

Запасы углерода в почвах и растительности постагрогенных ландшафтов южной тайги

Специальность 03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 9 ,\ПР М

Москва, 2012 г.

Работа выполнена на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Доктор биологических наук ¡Александр Сергеевич Владыченский[

Официальные оппоненты:

Скворцова Елена Борисовна доктор сельскохозяйственных наук, зав. лаборатории физики почв ГНУ Почвенного Института им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии

Иванов Антон Валерьевич кандидат биологических наук, научный сотрудник кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова

Ведущая организация: Институт географии РАН, Москва

Защита диссертации состоится «15» мая 2012 года в 15 час. 30 мин. в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, факультет почвоведения МГУ.

Автореферат разослан «12» апреля 2012 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор биологических наук, профессор

Алла Сергеевна Никифорова

Актуальность темы. Почвы играют важную роль в углеродном обмене между наземными экосистемами и атмосферой, как источник и сток парниковых газов, ответственных за изменение климата планеты. Даже относительно небольшое изменение в динамике органического вещества почв может значительно повлиять на уровень углекислого газа в атмосфере. В связи с экономическим кризисом начала 90-х годов XX столетия более одной четверти сельскохозяйственных земель Российской Федерации было заброшено. Только в 1990-1995 гг. их площадь сократилась на 34 млн. гектаров [Панкова, 2000]. На месте агроценозов возникают новые, постагрогенные фитоценозы, характеризующиеся совершенно другим составом и структурой растительности. Наряду с прекращением сельскохозяйственных мероприятий, новые фитоценозы играют существенную роль в постагрогенной трансформации почв, приводя к изменению морфологических, химических и микробиологических свойств почв, не столь отчетливому, как динамика растительности, но всегда имеющему место [Хохлов, 2004]. В таежной зоне это особенно актуально, так как через определенное время на залежи происходит формирование лесных сообществ, меняющих характер почвообразования и экологические функции почв. Это очень важно для биогеохимического цикла углерода в отдельных ландшафтах и в биосфере в целом, поскольку бореальные леса являются нетго-стоком углерода атмосферы [Кобак, 1993; Collins at al., 2000]. Поэтому важной научной проблемой является количественная оценка изменения запасов органического вещества почв в результате изменения характера землепользования.

Изучением трансформации почв при их выводе из сельскохозяйственного использования занимались многие исследователи, однако до сих пор нет единого мнения о направленности изменений химических свойств почв постагрогенных ландшафтов. Не получили адекватной оценки изменения запасов органического вещества почв и биомассы растительных сообществ. Поэтому в настоящее время вопрос об изменениях запасов углерода в почвах и биомассе растительных сообществ постагрогенных ландшафтов является весьма актуальным.

Цель настоящей работы - оценить изменения запасов углерода в почвах и растительности на различных стадиях постагрогенной сукцессии в южной тайге.

В задачи исследования входит оценить:

1. Флористический состав растительных сообществ на разных стадиях лесовосстановительной сукцессии;

2. Изменение запасов надземной и подземной биомассы в процессе постагрогенной сукцессии;

3. Изменение некоторых показателей гумусного состояния почв;

4. Динамику эмиссии почвой углекислого газа как одного из показателей микробиологической активности;

5. Изменения запасов углерода в почвах и растительности в разных блоках биогеоценоза на различных стадиях постагрогенной сукцессии.

Научная новизна работы Выявлены особенности динамики различных фракций фитомассы в ходе постагрогенного лесовосстановления. Впервые получены данные по постагрогенной динамике содержания и запаса водорастворимого углерода. Получены оценки изменения запасов углерода в почве и разных компонентах растительного покрова покрове в ходе постагрогенных сукцессии в ландшафтах таежной зоны.

Практическая значимость. Полученные данные могут быть полезны для прогнозов баланса углерода в постагрогенных экосистемах в результате лесовосстановительной сукцессии. Кроме того, результаты исследования динамики физико-химических и химических свойств почв в ходе постагрогенной эволюции могут иметь практическое применение для оценки земель, в частности, при проблемах отнесения постагрогенных территорий к сельскохозяйственному или лесному фонду, т.е. могут быть применены при рациональном подходе к использованию залежных земель.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на международных научных конференциях: «География продуктивности и биогеохимического круговорота наземных ландшафтов: к 100-летию проф. Н.И. Базилевич» (Пущино, 2010), «Современные проблемы генезиса, географии и картографии почв» (Томск, 2011), «Ломоносов-2011» (Москва, 2011). Материалы исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, из них 1 статья в журнале.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, включающего 224 источника, из них 30 иностранных, и приложений. Работа изложена на 148 страницах, содержит 61 таблицу, 56 рисунков.

Благодарности. Выражаю глубокую благодарность научному руководителю д.б.н. профессору [A.C. Владыченскому|. Благодарю В.М. Телеснину, И.М. Рыжову, М.И. Макарова за помощь в завершении работы и всех сотрудников кафедры общего почвоведения за внимание, поддержку, ценные советы и замечания.

Глава 1. Постагрогенная трансформации дерново-подзолистых почв.

В настоящее время на территории России большая площадь пахотных земель выведена из сельскохозяйственного использования. По данным официальной статистики [Российский статистический ежегодник, 1995, 2000;Агропромышленный комплекс, 1999,2001; Сельское хозяйство, 2000] за период с 1990 по 1999 гг. в целом по России посевная площадь сократилась со 118 до 88 млн. га. Основной массив залежей (45% от их общей площади) расположен в подзоне южной тайги, где они

занимают около 20% территории. Причем, 54% угодий было выведено из аграрного оборота в период с 1887 по 1990 гг. (так называемые старые и средневозрастные залежи) и 46% - с 1990 по 2007 гг. (молодые залежи) [Люри и др., 2010].

Наибольшее количество работ по изучению почв залежей посвящено лесным почвам Европейской территории России [Скворцова и др., 1987; Баранова и др., 1989; Сорокина, Ахмалишев, 2007]. При этом большое внимание уделялось динамике углерода и питательных элементов в почвах [Максимова, 1987; Литвинович и др., 2002; Романовская, 2006; Курганова и др., 2006], а некоторые работы основаны на результате прямого многолетнего мониторинга динамики почвенного гумуса на залежах [Курганова и др., 2007]. Изменению содержания органического вещества и элементов питания в постагрогенных почвах при их зарастании лесом посвящено и большинство иностранных работ по залежным почвам. Это касается как европейских стран, так и Северной Америки [Richter et al., 1999; Markewitz et al., 2002; Vesterdal et al., 2002; Hooker, Compton, 2003; Paul et al., 2003; Degryze et al., 2004; Falkengren-Grerup et al., 2005; Morris et al., 2007; Smal, Olszewska, 2008]. Однако, как правило, исследования охватывали небольшие площади и ряды залежей различного возраста.

Глава 2. Природные условия района исследования.

Исследование проводили на территории Мантуровского района Костромской области. В соответствии с климатическим районированием Б.П. Алисова [1956] территория Костромской области относится к северо-восточной подобласти Атлантико-континентальной лесной области. Среднегодовая температура воздуха составляет 2,1 "С. Амплитуда среднемесячных температур - 30,6 °С. Среднегодовое количество осадков составляет 564 мм с колебаниями по годам от 470 до 954 мм. Исследуемая территория входит в подзону южнотаежных лесов североевропейской провинции Евроазиатской таежной области [Растительность европейской части СССР,1980]. Коренными типами растительных сообществ являются темнохвойные еловые, сосново-еловые и пихтово-еловые леса. Почвообразующими породами служат покровные суглинки и глины, моренные суглинки, флювиогляциальные, древнеаллювиальные озерные пески; двучленные породы: пески и супеси разного генезиса на суглинистой морене, покровные и делювиальные суглинки, залегающие на морене. В почвенном покрове доминируют дерново-подзолистые почвы (75,5%), аллювиальные (9,4%) и собственно подзолистые почвы (5,6%) [Национальный атлас почв РФ, 2011].

Глава 3. Объекты и методы исследования.

Объектами исследования были два участка, расположенные на правобережье р. Унжи, и представляющие собой, бывшие пашни и сенокосные угодья, выведенные из использования и зарастающие лесом (табл. 1).

Таблица 1. Сравнительная характеристика некоторых морфологических свойств

ППЧП 111»Г<-Г.ЛАП

Растительность, стадия зарастания Почва Глубина литологического контакта, см Гранулометрический состав

Долгиревский участок

Луг сенокосный Агродерново- подзолистая рсградированная 60 и глубже Опесчаненный легкий суглинок

Ивово-березовый лес 20 лет Дерново- подзолистая постагрогенная 57 и глубже Легкий суглинок

Полновозрастный березово-еловый лес Дерново-подзолистая 60 и глубже Легкий суглинок

Унжинский участок

Пашня Агродерново-подзолистая Не вскрыт Супесь

Залежь 5 лет Агродерново- подзолистая реградированная Не вскрыт Супесь

Залежь 15 лет Агродерново- подзолистая реградированная 55 и глубже Супесь

Березово-осиновый лес около 40 лет Дерново- подзолистая постагрогенная Не вскрыт Супесь

Полновозрастный березово-еловый лес Подзолистая грубогумусовая Не вскрыт Супесь

Почвообразующие породы представлены легкосуглинистыми отложениями, подстилаемыми глинистой мореной на глубине 60-70 см. Примерно до середины 1980-х годов участок использовался как пашня, затем - как сенокос, но площадь сенокошения постепенно сокращалась, в результате чего луг постепенно зарастает. На участке заложены площадки, соответствующие стадиям зарастания: 1) Сенокосный луг; 2) Молодой ивово-березовый лес (20 лет); 3) Полновозрастный березово-еловый лес.

Второй участок (Унжинский) расположен в 1-1,5 км от реки в нижней части приводораздельного склона. Почвообразующие породы представлены супесчаными и песчаными отложениями флювиогляциального происхождения, в толще которых на разной глубине могут встречаться глины - иногда в виде отдельных линз -которые служат водоупором, если залегают в пределах почвенного профиля. Выделены следующие стадии зарастания: 1) Пашня; 2) 5-летняя залежь по пашне; 3) залежь 15 лет; 4) Сомкнутый молодой лес осиново-березовый около 40 лет; 5) Полновозрастный березово-еловый лес.

В каждом фитоценозе, соответствующем определенной стадии зарастания, были заложены площадки мониторинга, где ведутся наблюдения в течение нескольких лет 1) проведены подробные геоботанические описания; 2) определены запасы фитомассы травяного (травяно-кустарничкового) яруса методом укосов;

3) определена корневая масса травяного яруса путем отбора монолитов;

4) с использованием аллометрических уравнений [Уткин, 1996; Замолодчиков, 2005] рассчитана биомасса древостоя по фракциям (корни, стволы, ветви, листва, хвоя). Во всех перечисленных компонентах определено содержание углерода и рассчитаны его запасы. Кроме того, определены запасы лесной подстилки и углерода в слое 0-30 см, что примерно соответствует мощности старопахотных горизонтов.

Почвенные исследования проводились с помощью комплекса общепринятых методов [Орлов, Гришина,1981; Вадюнина, Корчагина, 1986; Воробьева, 1998;]. Статистический анализ полученных данных проводили с использованием программы Statistica 6.

Глава 4. Результаты и обсуждение.

4.1 Флористический состав растительных сообществ.

Пашня Унжинского участка, которая служит своего рода начальной точкой отсчета, была засеяна овсом. Травостой включал также ряд сорняков, сопутствующих посевам культурных растений (рис. 1).

Растительный покров пятилетней залежи был образован в основном злаками: овсяница красная (Festuca rubra) - 40,9% от общей биомассы, тимофеевка луговая (Phleum pratense). Среди представителей разнотравья доминантом является осот полевой (Sonchus arvensis). Всего насчитывается 24 вида растений.

Растительность залежи 15 лет также разнообразна по видовому составу (23 вида). Доминирует на этом участке, так же как и на предыдущем, овсяница красная (Festuca rubra), ее биомасса составляет 36,8% от общей. На этом участке произрастает ива козья (Salix caprea) и береза белая (Betula alba). В связи с этим изменяются условия увлажнения и освещения, что в свою очередь не дает развиться луговым видам, которые на участке 5 летней залежи дают наибольший процент биомассы, но позволяет появиться новым видам.

Растительный покров травяно-кустарничкового яруса молодого леса представлен в основном кустарничками (доминант черника (Vaccinium myrtillus) 49,2% от общего запаса биомассы) и разнотравьем (звездчатка жестколистная Stellaria holostea, щитовник мужской Dryoptheris filix-mass).

В травяно-кустарничковом ярусе полновозрастного леса представлено 11 видов растений. Наибольшая доля приходится на кустарнички (Vaccinium myrtillus) - 71% и сфагновые мхи (Sphagnum sp.) - 22,5%.

4%. пашня 6% залежь 5 лет

86 /о Bto^ Я злаки Взк- ■ бобовые i * разнотравье нШшЗЦ^^ ■ ситники ■ овес 31% ^^ ■ злаки 67% Ш * бобовые разнотравье

4% а - залежь 15 лет осиново-березовый лес 40 лет

21% "Я Ль ■ злаки ^^^МНВ шбобовые 3% ■ злаки 20%||рРг"

В ш разнотравье

■ разнотравье 63% ^

^^^^^^^^^ осоки • кустарнички

полновозрастный

березово-еловый лес w 0,4% г

я злаки

35% 1 ■ разнотравье

■ кустарнички мхи ■ папоротники

Рис. I. Соотношение ботанических групп травяно-кустарничкового яруса (Унжинский участок).

На сенокосном лугу Долгиревского участка, который подвергается регулярному сенокошению, подрост деревьев полностью отсутствует: кошение ингибирует сукцессию. Здесь образовалась бобово-злаковая ассоциация луговой стадии сукцессии (рис. 2).

На 20-летней залежи сформировалось ивово-березовое мелколесье. Травяной покров бедный (всего пять видов), доминируют земляника лесная (Fragaria vesca) - 40% и Иван-чай узколистный (Chamerion angustifolium) - 10%. Общее проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса 60%.

В травяно-кустарничковом ярусе полновозрастного леса представлено 8 видов растений. Наибольшая доля приходится на кустарнички (Vaccínium myrtillus) и сфагновые мхи (Sphagnum sp.). Общее проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса 30%, много мертвопокровных участков.

10%

сенокосный луг

8% 3% ■ злаки

I бобовые |разнотравье |ситники хвощи

ивово-березовый лес 20

лет

и%

2% ■ злаки

полновозрастныи березово-еловый лес

. 16%

бобовые

разнотравье

кустарнички

■ бобовые

■ разнотравье

■ ситники

■ хвощи

■ кустарнички мхи

Рис. 2. Соотношение ботанических групп травяно-кустарничкового яруса (Долгнревский участок).

4.2 Динамика запасов надземной и подземной биомассы травяно-кустарничкового яруса.

Надземная биомасса травяно-кустарничкового яруса снижается при переходе луговых сообществ в лесные (рис. 3, 4). На Унжинском участке максимальной надземной и подземной фитомассой травяного яруса характеризуется залежь 5 лет. На 15-летней залежи биомасса травяного яруса существенно меньше, а в лесных сообществах она резко падает.

I надземная

Рис. 3. Запасы биомассы травяно-кустарничкового яруса, г/м (Унжинский участок).

1 - пашня; 2 - залежь 5 лет; 3-залежь 15 лет; 4 - осиново-березовый лес 40 лет; 5 -полновозрастныи березово-еловый лес.

Характерно, что при прекращении сенокошения биомасса травостоя

Долгиревского участка снижается, по-видимому, за счет существенного изменения

флористического и эколого-ценотического состава фитоценоза. При этом уменьшается доля злаков и увеличивается доля разнотравья и осок, а при формировании сомкнутого древостоя - кустарничков и мхов. Корневая масса травяно-кустарничкового яруса также снижается в ходе сукцессии. С появлением древесного яруса масса древостоя составляет преобладающую долю общей биомассы фитоценоза.

■ надземная

■ подземная

Рис. 4. Запасы биомассы травяно-кустарничкового яруса, г/м2 (Долгиревский участок). 1 - луг сенокосный; 2 - ивово-березовый лес 20 лет; 3 - полновозрастный березово-еловый лес.

4.3 Физические и физико-химические свойства почв.

4.3.1 Плотность сложения.

При зарастании пашни лесом происходит уменьшение плотности сложения верхней толщи почвы (0-30 см). Самые высокие значения плотности старопахотного горизонта характерны для почвы пашни и залежи 5 лет. При появлении древесной растительности на залежи 15 и 40 лет плотность верхней части старопахотного горизонта достоверно уменьшается (рис. 5).

0-10 см 10-20 см

Рис. 5 Диаграмма размаха плотности почвы (Унжинский участок). 1 - пашня; 2 - залежь 5 лет; 3-залежь 15 лет; 4 - осиново-березовый лес 40 лет; 5 - полновозрастный березово-еловый лес.

В слое 10-20 и 20-30 см наблюдается тенденция к уменьшению плотности сложения почвы с увеличением возраста залежи, но эти различия статистически не достоверны.

Рис. 6. Диаграмма размаха плотности почвы (Долгиревский участок). 1 - луг

сенокосный; 2 - ивово-березовый лес 20 лет; 3 - полновозрастный березово-еловый лес.

При зарастании сенокоса лесом наблюдаются те же закономерности -плотность сложения почвы верхней части старопахотного горизонта достоверно уменьшается с увеличением возраста залежи (рис. 6).

Кроме того, начиная с 40-летнего возраста залежи, статистически подтверждается дифференциация старопахотной толщи на два горизонта по величинам плотности.

4.3.2 Гранулометрический состав почв.

Гранулометрический анализ, проведенный методом лазерной дифракции, показал, что в изученных почвах преобладает песчаная фракция (табл. 2). Сумма фракций частиц физической глины в верхних горизонтах составляет от 10 до 18%, что указывает на супесчаный состав данных почв. По содержанию физической глины сравниваемые почвы хроноряда различаются незначительно.

Таблица 2. Гранулометрический состав исследованных почв, % при диаметре частиц, мм (Унжинскнй участок). ______ ____

Горизонт, глубина, см 1-0,25 0,250,05 0,050,01 0,010,005 0,0050,001 <0,001 <0,01 Название почвы по Качинскому

Агродерново-нодзолистая почва, пашня

Р1 0-10 27,4 37,3 23,2 4,8 5,9 1,4 12,1 супесь

Р2 10-20 28,2 35,5 25,0 4^6 5,4 1,3 11,4 супесь

РЗ 20-30 32,3 36,0 20,3 4,5 5,6 1,3 11,4 супесь

АЕЬ 30-46 53,3 35,2 6,4 1,6 2,8 0,7 5,1 песок связанный

Е1В 50-60 46,9 30,8 10,5 3,2 6,9 1,8 11,9 супесь

В 60-70 10,0 40,3 27,6 6,8 12,8 2,5 22,2 суглинок легкий

ВС 70-90 19,1 40,6 23,9 5,2 9,3 1,9 16,4 супесь

Агродерново-нодзолистая реградированная почва, залежь 5 лет

Р1ра 0-10 27,9 40,6 21,5 3,9 4,9 1,2 10,0 супесь

Р2ра 10-20 27,1 40,5 22,3 3,9 4,9 1,2 10,0 супесь

РЗра 20-30 23,0 42,9 23,7 4,1 5,1 1,3 10,5 супесь

АЕЬ 30-40 22,5 39,5 25,4 4,9 6,2 1,5 12,6 супесь

ЕЬВ 40-70 32,5 30,8 20,4 6,0 8,6 1,8 16,3 супесь

В 70-90 53,0 19,9 13,6 4,3 7,8 1,5 13,5 супесь

ВС 100-110 59,5 18,5 10,9 3,5 6,5 1,1 11,1 супесь

Агродерново-подзолистая реградированная почва, залежь 15 лет

Р1ра 0-10 5,7 43,4 33,9 6,7 8,5 2,0 17,1 супесь

Р2ра 10-20 11,3 40,4 32,3 6,2 7,9 1,9 16,0 супесь

РЗра 20-30 5.7 41,8 36,1 6,4 8,0 2,0 16,4 супесь

Р4ра 30-40 5,2 34,9 37,5 8,4 11,3 2,7 22,4 суглинок легкий

АЕЬ 40-55 12,0 32,9 30,1 8,6 13,4 3,0 25,1 суглинок легкий

EL.Bg 55-80 1,2 24,5 39,1 10,4 20,7 4,0 35,1 суглинок средний

Вд 80-90 0,0 19,6 38,5 11,3 25,0 5,6 41,9 суглинок средний

Де рново-подзолистая постагрогенная почва, осиново-березовый лес 40 лет

АУ1ра 2-10 27,6 42,2 20,2 4,6 4,4 1,1 10,0 супесь

АУ2ра 10-20 33,6 33,7 20,8 4,6 5,8 1,4 11,9 супесь

АУЗра 20-25 28,9 29,4 25,2 6,3 8,3 1,9 16,5^ супесь

АЕЬ 25-40 49,1 33,4 10,2 2,5 3,9 0,9 7,3 песок связанный

ЕЬВ 40-60 89,4 5,2 2,8 0,8 1,5 0,4 2,7 песок рыхлый

В 60-90 89,3 6,5 2,2 0,6 1,2 0,3 2,1 песок рыхлый

Подзолистая почва, полновозрастный беоезово-еловый лес

Оао 4-8 13,2 41,4 27,1 6,4 9,7 2,2 18,2 супесь

АЕЬ 8-15 61,4 28,6 4,1 1,8 3,4 0,7 5,9 песок связанный

ЕЬ 15-20 63,1 28,0 3,9 1,4 3,1 0,6 5,1 песок связанный

ЕЕВ 20-48 40,0 23,0 16,2 5,9 12,5 2,5 20,8 суглинок легкий

В 48-80 43,2 24,9 16,4 4,5 9,1 2,0 15,5 супесь

4.3.3 Кислотно-основные свойства почв.

В верхних горизонтах исследованных почв реакция среды кислая и

слабокислая, вниз по профилю кислотность постепенно увеличивается (табл. 3). Таблица 3. Кислотно-основные свойства постагрогенных почв южной тайги (Унжинский участок).

площадка горизонт глубина, см рН водный рН солевой

пашня Р1 0-10 5,70 4,48

Р2 10-30 5,80 4,50

залежь 5 лет Р1ра 0-15 4,80 4,24

Р2ра 15-30 5,10 3,80

залежь 15 лет Р1ра 0-15 4,80 3,65

Р2ра 15-40 4,70 3,50

осиново-березовый лес 40 лет АУ]ра 2-10 4,30 3,30

АУ2ра 10-20 4,60 3,19

полновозрастный елово-березовый лес Оао 4-8 3,60 2,30

АЕЬ 8-15 3,70 2,40

Почвы залежных участков характеризуются более высокими значениями

рН, чем почвы лесных биогеоценозов по всей глубине почвенного профиля, что связано с их предшествующим окультуриванием (табл. 4). Почвы сукцессионных рядов характеризуются малым содержанием обменных оснований и невысокой степенью насыщенности основаниями, что связано с генетическими особенностями дерново-подзолистых почв и низким содержанием ила.

Таблица 4. Кислотно-основные свойства постагрогенных почв южной тайги (Долгиревский участок). ___

Горизонт, глубина, см рН водный рН солевой Обменная кислотность, ммоль(+)/100г Гидролитическая кислотность, ммоль(+)/1 ООг Сумма обменных оснований, ммоль(+)/100г Степень насыщенности основаниями, %

Агродсрново-подзолистая реградированная почва, сенокосный луг

Р1ра 0-15 5,53 4,70 0,22 3,74 4,09 52,23

Р2ра 15-30 5,57 4,46 0,22 2,77 3,91 58,53

РХ 27-39 4,94 3,95 0,28 5,53 2,33 29,64

ВТ1 39-60 4,96 3,55 8,80 J 10,58 3,54 25,07

ВТ2 60-80 4,93 3,59 8,40 11,07 3,91 26,10

Дерново-подзолистая постагрогенная почва, ивово-березовый лес 20 лет

АУ1ра2-13 5,75 5,41 0,16 3,10 7,25 70,05

АУ2ра 13-21 5,29 4,61 0,26 4,39 5,21 54,27

ЕЬ 21-40 4,68 3,86 1,56 3,58 1,17 24,63

ВТ 40-70 4,85 4,30 6,20 8,95 2,42 21,28

Дерново-подзолистая почва, полновозрастный березово-еловый лес

ОаоЗ-Ю не определялось

АЕЬ 10-20 4,22 4,07 1,78 4,39 1,02 18,85

ВТ 20-32 4,77 4,29 1,60 4,88 2,33 32,32

ВТ^ 32-43 4,65 4,45 0,90 3,58 1,49 29,39

ВТ2в 43-73 4,73 4,20 4,90 6,67 2,79 29,49

ВТЗЁ 73-80 4,73 3,89 4,90 6,67 2,79 29,49

4.4 Органическое вещество почв.

В ходе естественного постагрогенного зарастания лесом меняются морфологические особенности органопрофиля почв (рис. 7). Уже в почве 5-летней залежи в верхней части старопахотного горизонта наблюдается обособление дернового горизонта (7-10 см). На стадии 40-летнего леса граница старопахотного горизонта местами утрачивает ровный характер, а также появляется горизонт лесной подстилки, состоящий, главным образом, из листового опада.

На всех стадиях постагрогенной сукцессии содержание углерода значительно и достоверно возрастает в верхнем десятисантиметровом слое (рис. 8). Формирование пахотного слоя при окультуривании способствует более выровненному распределению гумуса за счет его перераспределения во всей почвенной массе, вовлеченной в пахотный слой. Так, на пашне содержание углерода в слое 0-10 и 1020 см достоверно не различается и составляет 1,05±0,07% и 1,03±0,08%. При переходе от пашни к залежи 5 лет наблюдается достоверное увеличение содержание углерода в слое 0-10 см на 0,50 % (до 1,55±0,04%). На стадии 15 летней залежи содержание углерода в слое 0-10 см увеличивается до 1,88±0,05%. В почве молодого леса в слое 0-10 см содержание углерода гумуса составляет 2,48±0,28%, что на 0,60% больше, чем в почве залежи 15 лет. Почва полновозрастного леса характеризуется высоким содержанием углерода (4,05±0,25%).

"1 I

Рра -

НЬ Е1.В

В тг*

Залежи и Мелколис-

зарастаю- твенный

щий лес

сенокос

Лес. Дерново-подзолистая почва

Рис. 7. Изменение органопрофиля в ходе постагрогенного зарастания пашни и сенокоса.

Повышение содержания органического вещества в верхней части старопахотного горизонта на первом этапе (залежь 5 и 15 лет) связано с активным образованием дернины, а на более поздних - с поступлением листового опада древесного яруса [Семенов и др., 2004].

0-10 см 10-20 см

Рис. 8. Диаграмма размаха содержания углерода (Унжинский участок). 1 - пашня; 2 - залежь 5 лет; 3-залежь 15 лет; 4 - осиново-березовый лес 40 лет; 5 - лолновозрастный березово-еловый лес.

В более глубоком слое (10-20 см) - содержание углерода меняется намного слабее, а характер этого изменения не обнаруживает выраженной закономерности (рис. 8). Так, если в почве пашни содержание углерода в двух верхних слоях одинаково, то в ходе постагрогенной сукцессии превышение содержания углерода в поверхностном слое над нижележащим становится полуторакратным. Различная интенсивность гумусонакопления в разных частях старопахотного горизонта

приводит к его дифференциации на два подгоризонта. Так, в почве под залежью 5 лет в слое 10-20 см старопахотной толщи происходит достоверное уменьшение содержания углерода по сравнению с вышележащим подгоризонтом в 1,6 раза и составляет 0,96±0,08%. В почвах залежи 15 лет и молодого леса в нижней части старопахотного горизонта содержание углерода достоверно уменьшается в 1,3 раза и составляет, соответственно, 1,39±0,05% и 1,83±0,11%.

Содержание органического вещества в нижележащих горизонтах Е и В достоверно не изменяется и на всех стадиях зарастания пашни лесом составляет 0,2-0,3%. Таким образом, в процессе зарастания пашни лесом происходит дифференциация бывшей пахотной толщи на 2 подгоризонта по содержанию углерода. Уже через 10-20 лет после снятия антропогенной нагрузки нижний слой старопахотной толщи существенно отличается по своим свойствам от вышележащего слоя.

На Долгиревском участке закономерности изменения содержания углерода в почвах сукцессионного ряда также выражены вполне четко (рис. 9). При прекращении сенокошения содержание углерода в верхней части старопахотного горизонта увеличивается с 1,75±0,11% на сенокосном лугу до 2,48±0,18% в почве молодого леса и 6,54±0,46% в почве полновозрастного леса.

0-10 см

10-20 см

Рис. 9. Диаграмма размаха содержания углерода (Долгиревский участок). 1 - луг

сенокосный; 2 - ивово-березовый лес 20 лет; 3 - полновозрастный березово-еловый лес.

Повышение содержания углерода в почве в ходе лесовосстановительной сукцессии, отмеченное и другими авторами [Караваева, Жариков, 1998; Ананьева и др., 2009], имеет главной причиной, по-видимому, увеличение поступления органического вещества с надземным и подземным опадом, а при образовании древостоя - формирование более грубого «лесного» гумуса. Действительно, вторичные травяные сообщества (залежи 5 и 15 лет) характеризуются высоким запасом подземной фитомассы травяного яруса, что, несомненно, вносит существенный вклад в образование и накопление углерода. Следует отметить, что повышение содержания углерода в почве на стадии молодого леса лучше выражено применительно к 30-40 летнему лесу, чем к 20-летнему.

Вообще, исследуемые показатели гумусного состояния обнаруживают более четкую динамику в сукцессионном ряду, соответствующему легким почвам и имеющему более простую историю сельскохозяйственного освоения, когда заброшенная пашня зарастает и превращается в луг без стадии сенокоса.

4.4.1 Водорастворимое органическое вещество.

Изучаемые почвы характеризуются невысокими концентрациями водорастворимого органического вещества, на долю которого приходится 1-3% от общего углерода.

В ряду зарастания пашня-лес Унжинского участка наблюдается достоверное увеличение содержания водорастворимого органического вещества в старопахотной толще от пашни к лесу (рис. 10). В слое 10-20 см наблюдается достоверное уменьшение содержания водорастворимого органического вещества по сравнению с вышележащим слоем на залежах (5 и 15 лет) и в лесах. На пашне различия в содержании этого показателя в слоях 0-10 и 10-20 см не достоверны.

0-10 см 10-20 см

Box & Whisker Plot

среднее О стандартное отклонение X доверительный интервал

ф ф rh

$ ф

Box & Whisker Plot среднее □ стандартное отклонение X доверитегъный лпет»ал

2 3 4

Рис. 10. Диаграмма размаха содержания водорастворимого углерода, Свод мг/100 г почвы (Унжинский участок). 1 - пашня; 2 - залежь 5 лет; 3-залежь 15 лет; 4 - осиново-березовый лес 40 лет; 5 - полновозрастный березово-еловый лес.

0-10 см 10-20 см

Sox & VWiisker Plot среднее О стандартное отклонение J доверительный интервал

Рис. 11. Диаграмма размаха содержания водорастворимого углерода, Свод мг/100 г почвы (Долгиревский участок). 1 - луг сенокосный; 2 - ивово-березовый лес 20 лет; 3 - полновозрастный березово-еловый лес.

При зарастании сенокоса лесом основные тенденции накопления водорастворимого органического вещества сохраняются (рис. 11). Наименьшее количество водорастворимого органического вещества в слое 0-10 см характерно для почвы сенокоса - 20,2 мг/100 г, наибольшее для полновозрастного леса -87,4мг/100 г. Содержание общего органического углерода в этих почвах также различается в 4 раза.

Все исследованные почвы обладают небольшими запасами водорастворимого органического вещества (рис. 12). Для пахотной почвы и почвы залежи 5 лет Унжинского участка этот показатель составляет, 0,46 и 0,48 т/га соответственно. Начиная с залежи 15 лет, запасы водорастворимого органического углерода увеличиваются, достигая 0,70 т/га. На стадиях молодого и полновозрастного лесов постагрогенной сукцессии увеличения запасов водорастворимого углерода не происходит (0,78 и 0,76 т/га).

Рис. 12. Запасы водорастворимого углерода в слое 0-20 см, т/га. А. Унжинский участок: 1 - пашня; 2 - залежь 5 лет; 3-запежь 15 лет; 4 - осиново-березовый лес 40 лет; 5 - полновозрастный березово-еловый лес. Б. Долгиревский участок: 1 - луг сенокосный; 2 - ивово-березовый лес 20 лет; 3 - полновозрастный березово-еловый лес.

В ряду зарастания сенокос~лес максимальными запасами водорастворимого углерода в слое 0-20 см характеризуется полновозрастный лес -1,0 т/га. В почвах сенокоса и молодого леса этот показатель достоверно не различается и составляет 0,41 и 0,49 т/га соответственно

Таким образом, содержание и запасы водорастворимого органического вещества увеличиваются в ходе постагрогенной сукцессии, хорошо коррелируя с содержанием и запасами общего углерода.

4.4.2 Групповой и фракционный состав гумуса.

Исследованиями установлены некоторые изменения качественного состава гумуса в ходе постагрогенного лесовосстановления. Наиболее заметные изменения происходят в верхней части почвенного профиля (табл. 4).

Важнейшим генетическим признаком дерново-подзолистых почв является доминирование в составе гуминовых кислот первой фракции (ГК-1). Содержание углерода первой фракции гуминовых кислот уменьшается в ряду зарастания от

21,5% на пашне до 8,7% в почве полновозрастного леса (рис. 13). Содержание второй фракции гуминовых кислот уменьшается с увеличением возраста залежи, а в почвах молодого и полновозрастного леса и вовсе отсутствует. Углерод третьей фракции гуминовых кислот максимален для полновозрастного леса. Общее же содержание гуминовых кислот достоверно уменьшается от пашни к лесу.

Вовлечение почвы в культуру сопровождается изменениями в составе гумуса. Длительное применение органических удобрений способствует увеличению содержания гуминовых кислот в составе гумуса и их оптической плотности, снижению количества ФК и расширению отношения Сгк:Сфк [Иванов, 2000; Переверзев, 2002; Филон, Шеларь, 2002; ,1атшепе 2003]. Наши исследования подтверждают литературные данные. В почве пашни суммарная доля гуминовых кислот составляет 33,9% и уменьшается в ряду зарастания до 17,9% в почве полновозрастного леса, в составе гуминовых кислот появляется фракция 2 (ГК-2), что является характерной особенностью окультуренных почв. Однако содержание ГК-2 на пашне в 3,6 раза ниже, чем ГК-1. Причиной низкого содержания гуминовых кислот фракции 2 является интенсивный вынос оснований из пахотного слоя и низкая способность «бурых» гуминовых кислот связывать Са2+ [Переверзев, 2002].

0-10 см 10-20 см

36 3*

32 30 28

* 26 £

22 20 18

Рис. 13. Диаграмма размаха содержания гуминовых кислот (ЕГК/Собщ, %) (Унжинский участок). 1 - пашня; 2 - залежь 5 лет; 3-залежь 15 лет; 4 - осиново-березовый лес 40 лет; 5 - полновозрастный березово-еловый лес.

Для общего содержания фульвокислот характерна обратная тенденция -увеличение их содержания в ряду зарастания пашня-лес, однако эти различия статистически не достоверны (рис. 14). Исследованиями не выявлено существенного возрастания количества «агрессивных» фракций фульвокислот, по сравнению с их содержанием в пахотном слое пашни. Это подтверждает вывод о сдерживающем влиянии многолетней травяной растительности на процессы подзолообразования [Короткое, 1958; Пестряков, 1977].

По мере зарастания пашни лесом уменьшается отношение Сгк:Сфк. На пашне и на залежи 5 лет тип гумуса характеризуется как фульватно-гуматный, на остальных площадках как гуматно-фульватный.

Во* 4 УУПгеквг РкЛ

Во*4\М18кегР1о1 среднее О стандартное отклонен*« X довеехте/ъюй ттервал

0-10 см

10-20 см

Вок&ШНзкегНсЯ Фвднре □ стандартная отклони»»» X доверитсгъхнй >»п»рвал

Во* & ШНвкаг РМ среднее О стандартно» оп/жятт X доееритеъный интеовал

Рис. 14. Диаграмма размаха содержания фульвокнслот (ЕФК/Собш, %) (Унжинский участок). 1 - пашня; 2 - залежь 5 лет; 3-залежь 15 лет; 4 - осиново-березовый лес 40 лет; 5 - полновозрастный березово-еловый лес.

Оптическая плотность гуминовых кислот является важным показателем гумусного состояния почв, позволяющим оценить их химическое строение, гидрофильность, способность к образованию комплексных соединений [Плотникова, 1972]. Величина оптической плотности ГК-1, выделенной из гумусово-аккумулятивного горизонта почвы под полновозрастным лесом невелика Ео,оо|%=0,06. Данное обстоятельство свидетельствует об упрощенном строении молекул «бурых гуминовых кислот», что хорошо коррелирует с литературными данными [Гришина, 1986]. В почве пашни величина оптической плотности пахотного горизонта статистически не отличается от почвы под лесом и составляет Ео,оо1%=0>06, что позволяет утверждать, что даже при высоком уровне агротехники ведущим фактором формирования гуминовых кислот является биоклиматический фактор [Литвинович, Павлова, 2007]

0-10 см

10-20 см

& \4hSkerPlot

Г| сред«« О стандартное отклонение X доеериге/ъмый интервал

Рис. 15. Диаграмма размаха содержания гуминовых кислот (X Г К/С об ш, %) (Долгиревскнй участок). 1 - луг сенокосный; 2 - ивово-березовый лес 20 лет; 3 - полновозрастный березово-еловый лес.

Таблица 4. Фракционно-групповой состав гумуса дерново-подзолистых почв, углерод фракций в % к общему углероду ± стандартное отклонение.____________

площадка С,% ГК-1 ГК-2 гк-з Сумма ГК ФК 1а ФК-1 ФК-2 ФК-3 Сумма ФК Негидро-лизуемый остаток, % Сгк:Сфк

Унжинский участок

Пашня 0-10 1,05±0,07 21,5±0,4 5,9±1,0 6,5±0,2 33,9±1,4 6,9±1,3 11,0±0,8 5,6±0,2 7,2±0,2 30,7±2,2 35,4 + 3,2 1,1 + 0,1

10-20 1,03±0,08 21,4±0,7 5,1±0,2 6,5±0,3 33,0±0,9 7,2±1,1 Н,3±0,7 6,4±0,2 7,4±0,3 32,3±1,8 34,6 + 2,5 1,0 + 0

Залежь 5 лет 0-10 1,55±0,04 18,4±1,8 5,2±0,5 6,4±0,3 29,9±2,2 7,9±0,3 14,0±0,9 7,6±0,6 7,8±0,7 37,3±1,6 32,8+2,1 0,8+0,1

10-20 0,96±0,08 20,8±2,1 5,3±0,6 6,0±0,5 32,1 ±3,1 9,7±0,8 17,7±0,8 8,2±0,4 8,2±0,5 43,9±1,1 23,9±3,6 0,7±0,1

Залежь 15 лет 0-10 1,88±0,05 17,б±0,7 3,8±1,0 6,0±0,7 27,4±1,7 5,5±1,3 12,9±0,4 5,1±0,6 6,7±0,7 30,1 ±2,4 42,5±3,4 0,9 ±0,1

10-20 1,39±0,05 18,1±1,2 4,0±0,8 5,6±0,6 п,нал 6,0±0,7 12,5±1,2 5,7±0,2 6,8±0,4 31,0±2,1 41,3 ±3,6 0,9 + 0,1

Березово-осиновый лес 40 лет 0-10 2,48±0,28 18,8±0,6 0 5,5±0,5 24,3±0,9 5,3±1,0 16,4±0,3 5,4 ±0,4 5,8±0,8 32,9±1,9 42,8 ±2,7 0,7 ±0

10-20 1,83±0,11 18,б±0,7 0 4,9±0,4 23,5±0,8 5,5±1,2 17,5±0,5 6,3±0,3 5,9±1,0 35,3±2,5 41,2±2,8 0,7 ±0

Полновозрастный лес 0-10 4,05±0,21 8,7 + 0,3 0 9,2±0,5 17,9±0,б 9,1±0,4 9,1+0,4 2,8±0,2 9,7±1,0 35,9±0,7 46,1 ±1,2 0,5 ±0

Долгиревскин участок

Сенокосный луг 0-10 1,75±0,05 13,8±2,9 0,0 5,7±0,7 19,5±3,1 3,4±0,8 7,5±1,1 6,4±1,0 6,7±0,5 23,9±1,3 56,6±2,8 0,8±0,2

10-20 0,94±0,02 15,0±0,6 0,0 7,1 ±0,7 22,1±1,0 5,4±0,7 8,6±1,5 7,2±1,8 7,5±0,8 28,7±2,5 49,3±2,1 0,8±0,1

Ивово-березовый лес, 20 лет 0-10 2,48±0,18 12,4±2,1 0,0 6,6 ±0,8 19,0±2,5 3,2±0,3 7,3±1,9 5,8±1,0 7,7±0,3 23,9±0,8 5 7,1 ±2,3 0,8±0,1

10-20 1,40±0,10 14,4±0,8 0,0 7,2±0,3 21,6±1,1 5,9±0,7 9,9±2,1 5,2±0,6 8,0±0,4 29,0±2,2 49,4±1,6 0,8±0,1

Полновозрастный березово-еловый лес 0-10 6,54±0,46 13,4±0,8 0,0 4,3±0,8 17,8±1,2 5,7±1,0 13,9±0,9 6,7±0,3 6,7±0,5 33,0±1,3 49,3±2,5 0,5±0

10-20 0,71±0,05 12,3±0,2 0,0 2,1±0,4 14,4±0,5 7,0±0,5 13,7±0,4 6,0±0,3 7,9±0,3 34,7±1,1 50,9±1,2 0,4±0

При зарастании сенокоса лесом наблюдаются те же тенденции в изменении группового и фракционного состава гумуса: уменьшение доли гуминовых и увеличение доли фульвокислот, уменьшение отношения Сгк:Сфк (рис. 15,16).

0-10 см

8ох& Wrtsker PJo! среднее □ стандартное отклонение X доверительный интервал

10-20 см

Рис. 16. Диаграмма размаха содержания фульвокислот (ХФК/Собщ, %) (Долгиревекий участок). 1 - луг сенокосный; 2 - ивово-березовый лес 20 лет; 3 - полновозрастный березово-еловый лес.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что фракционно-групповой состав гумуса является более консервативным показателем гумусного состояния почв по сравнению с его содержанием. Однако в процессе зарастания пашни лесом увеличивается доля гумина, тип гумуса переходит из фульватно-гуматного в гуматно-фульватный, наблюдается тенденция увеличения доли фульвокислот и уменьшения гуминовых кислот.

4.5 Эмиссия почвой углекислого газа.

Так как дыхание почвы определяется целым комплексов факторов, таких как температура почвы и ее сезонная динамика, влажность, характер растительности, запас корней в почве, поступление опада и др., варьирование во времени эмиссии почвой углекислого газа очень высокое. Тем не менее, при анализе динамики эмиссии С02 в течение почти пяти лет, можно сделать следующие выводы:

- максимум эмиссии углекислого газа в течение изучаемого периода приходится на июль и соответствует пику вегетационного периода и максимальной температуре, являющейся главным абиотическим фактором интенсивности дыхания почвы.

- эмиссия почвой углекислого газа выше в полновозрастных лесах, чем в молодых. Возможно, это связано с более высокими запасами органического вещества, в частности, подстилки.

- эмиссия почвой углекислого газа на лугах выше, чем на пашне. Запас корневой биомассы, несомненно, выше именно на лугах, особенно на сенокосных. Кроме того, надземная фитомасса на пахотных угодьях фактически не поступает в

почву, т.е. микрофлора почвы лишена необходимого субстрата для нормального функционирования.

- в луговых сообществах (не считая пашни и молодой залежи) дыхание почвы интенсивнее, чем в лесных (рис. 19, 20).

май 2008 май 2009

■ июнь 2007 июнь 2008

■ июль 2008

■ июль 2009 I Поль 2010

■ сентябрь 200"? сентябрь 2008

Рис. 17. Динамика эмиссии СО2 с поверхности почв Унжинского участка, мг СО2/ м

. 1 - пашня; 2 - залежь 5 лет; 3-залежь 15 лет; 4 - осиново-березовый лес 40 лет; 5 - полновозрастный березово-еловый лес.

1 2 Рис. 18. Динамика эмиссии СО

май 2008 май 2009

■ июнь 2007 июнь 2008

■ июль 2008 июль 2009 июль 2010

■ июль 2011

■ сентябрь 200" сентябрь 2008

луг сенокосный: 2 еловый лее.

___,с поверхности почв Долгиревского участка, мг СОг/ м2.

ивово-березовый лес 20 лет; 3 - полновозрастный березово-

4.6 Запасы углерода в почвах и растительности постагрогенных ландшафтов

южной тайги.

Общий запас углерода биогеоценоза в ходе постагрогенного лесовосстановления увеличивается с 30-40 т/га на стадиях пашни или сенокоса до 150-230 т/га на стадии полновозрастного леса. Наиболее резко это увеличение происходит при формировании древостоя. Однако соотношение составляющих этого запаса в разных блоках биогеоценоза существенно изменяется (табл. 5, рис. 19, 20). Были рассмотрены следующие блоки в общем запасе углерода в исследуемых

биогеоценозах. 1. Углерод многолетних частей древесных растений (ветвей, стволов, корней) - эта часть углерода фактически выведена из биологического круговорота на продолжительное время, т.е. именно эти фракции древостоя - сток атмосферного углерода. 2. Углерод легкоразлагаемого опада (JIPO), напротив, поступает ежегодно на поверхность почвы с опадом травяно-кустарничкового яруса (за исключением зимнезеленых растений) и лиственных деревьев. 3. Углерод хвои. 4. Углерод корней растений травяно-кустарничкового яруса (ТКЯ)(среди последних абсолютно преобладают многолетние). 5. Углерод лесной подстилки - очень важного компонента лесной экосистемы, где начинается формирование гумусовых веществ и углерод переходит в другой блок. 6. Углерод почвы в слое 0-30 см. При этом наиболее активно в биологическом круговороте участвует в основном фракция легкоразлагаемого опада, которая составляет, как правило, наименьшую часть в общей сумме органического вещества всех изученных экосистем. Максимальное значение этой составляющей соответствует сенокосному лугу в первом сукцессионном ряду и 40-летнему мелколиственному лесу во втором ряду.

Таблица 5. Запасы углерода в разных блоках постагрогепных экосистем, т/га

Стадия сукцессии Древостой Травяной ярус Подстилка Углерод почвы, 0-30 см Общий запас

корни, стволы, ветви хвоя листва корни Надзем ная часть

Зарастающий луг

Сенокос - - - 6,2 1,4 - 47,89 55,5

Лес 20 лет 23,8 - 1,0 1,9 0,2 2,4 50,29 79,6

Полновозрас тный лес 139,9 5,6 1,4 0,4 0,2 5,0 76,62 229,1

Зарастающая пашня

Пашня - - - 2,4 (¡.4) - 32,5 33,5

Залежь 5 лет - - - 8,3 1,4 - 36,6 46,3

Залежь 15 лет 13,4 - 0,6 8,3 1,1 - 43,8 67,2

Лес 40 лет 81,0 - 7,5 5,3 0,1 53,2 151,9

Полновозрас тный лес 95,6 2,6 1,3 2,3 0,7 9,3 60,6 172,4

Основной запас углерода в травяных экосистемах (пашня, сенокосный луг, молодые залежи) сосредоточен в гумусе почвы (до 90 % от общего запаса углерода). В экосистеме пашни запасы этого блока абсолютно преобладают, поскольку углерод надземной части растительности почти полностью отчуждается с урожаем. С увеличением возраста залежи увеличивается доля углерода ЛРО, т.е. углерода «активной» фитомассы, а с появлением древесной растительности появляется блок «углерода многолетних частей растений», составляющий до 50% от общего запаса углерода в молодых лесах и до 70-90% - в полновозрастных лесах. Количество углерода почвенного гумуса при этом, абсолютно возрастая в ходе сукцессии, относительно уменьшается.

С мн частей раст 1СЛР0 С хвои IС корней ТКЯ IС подстилки ^ С почвы 0-30 см

Рис. 19. Соотношение запасов углерода в разных блоках постагрогенных экосистем. Унжинский участок. 1 - пашня; 2 - залежь 5 лет; 3-залежь 15 лет; 4 - осиново-березовый лес 40 лет; 5 - полновозрастный березово-еловый лес.

С мн частей рис г ШСЛРО С хвои

■ С корней ТКЯ

■ С подстилки

■ С почвы 0-30 см

Рис. 20. Соотношение запасов углерода в разных блоках постагрогенных экосистем. Долгиревский участок. 1 - луг сенокосный; 2 - ивово-березовый лес 20 лет; 3 - полновозрастный березово-еловый лес.

Выводы:

1. Общий запас углерода биогеоценоза в ходе постагрогенного лесовосстановления увеличивается с 30-40 т/га на стадиях пашни или сенокоса до 150-230 т/га на стадии полновозрастного леса. Основной запас углерода в травяных экосистемах (пашня, сенокосный луг, молодые залежи) сосредоточен в гумусе почвы (до 90 % от общего запаса углерода). С увеличением возраста залежи увеличивается доля углерода легкоразлагаемого опада, а с появлением древесной растительности появляется блок «углерода многолетних частей растений», составляющий до 50% от общего запаса углерода в молодых лесах и до 70-90% - в полновозрастных лесах. Количество углерода почвы при этом, абсолютно возрастая в ходе сукцессии относительно уменьшается, так как

преобладающей частью запаса углерода экосистемы становится углерод надземной части многолетней древесной фитомассы.

2. По мере естественного зарастания пашни и сенокоса лесом содержание углерода в почве увеличивается в верхнем 10-см слое. Повышение содержания органического вещества в верхней части старопахотного горизонта на первом этапе (залежь 5 и 15 лет) связано с активным образованием дернины, а на более поздних этапах - с поступлением листового опада древесного яруса.

3. В процессе зарастания пашни и сенокоса лесом происходит дифференциация бывшей пахотной толщи на 2 подгоризонта по содержанию углерода. По мере зарастания, нижний слой старопахотного горизонта начинает приобретать свойства, близкие к свойствам подзолистого горизонта. С увеличением продолжительности постагрогенной сукцессии распределение гумуса по почвенному профилю переходит от постепенно убывающего к резко убывающему, после смыкания древостоя появляется небольшой элювиальный минимум.

4. Агрогенные и постагрогенные почвы южной тайги не обладают большими запасами водорастворимого органического вещества. Концентрация углерода водорастворимого органического вещества составляет сотые и тысячные доли процента, или 1-3% от общего содержания углерода в почве.

5. Фракционно-групповой состав гумуса является более консервативным показателем гумусного состояния почв по сравнению с его содержанием, однако в процессе зарастания пашни и сенокоса лесом увеличивается доля гумина, тип гумуса переходит из фульватно-гуматного в гуматно-фульватный, наблюдается тенденция увеличения доли фульвокислот и уменьшения гуминовых кислот.

6. По мере увеличения возраста залежных земель происходит восстановление естественных кислотно-основных свойств подзолистых почв - возрастает актуальная и потенциальная кислотность, снижается степень насыщенности основаниями. Плотность сложения почвы верхней части старопахотного горизонта достоверно уменьшается с увеличением возраста залежи. Кроме того, начиная с 40-летнего возраста залежи, статистически подтверждается дифференциация старопахотной толщи на два горизонта по величинам плотности.

7. Максимум эмиссии углекислого газа в течение изучаемого периода всегда приходится на июль, который соответствует пику вегетационного периода и максимальной температуре. Среди агрогенных и постагрогенных экосистем, эмиссия почвой углекислого газа выше в полновозрастных лесах, чем в молодых и выше на лугах, чем на пашне.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Владыченский A.C., Телеснина В.М., Чалая Т.А. Динамика запасов углерода в постагрогенных экосистемах южной тайги // Материалы конференции «География продуктивности и биогеохимического круговорота наземных ландшафтов: к 100-летию проф. Н.И. Базилевич. Пущино, 2010, с. 231-234.

2. Чалая Т.А., Владыченский A.C., Телеснина В.М. Динамика гумусного состояния почв в постагрогенных ландшафтах южной тайги // Материалы конференции «География продуктивности и биогеохимического круговорота наземных ландшафтов: к 100-летию проф. Н.И. Базилевич». Пущино, 2010, с. 623-626.

3. Владыченский A.C., Телеснина В.М., Чалая Т.А. Запасы углерода в естественных и постагрогенных экосистемах южной тайги // Современные проблемы генезиса, географии и картографии почв. Сборник материалов V Всероссийской конференции с международным участием. 1-5 октября 2011г., Томск, 2011, с. 116-119.

4. Чалая Т.А. Гумусное состояние почв постагрогенных ландшафтов южной тайги// Тезисы докладов XVIII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2011», М., 2011, с. 37-38.

5. (Владыченский А.с|, Телеснина В.М., Чалая Т.А. Влияние растительного опада на химические свойства и биологическую активность постагрогенных почв южной тайги // Вестник МГУ, сер. 17, № 1,2012, с. 3-10.

Подписано в печать 11.04.2012 г. Печать лазерная цифровая Тираж 100 экз.

Типография Aegis-Print 115230, Москва, Варшавское шоссе, д. 42 Тел.: 8 (495) 785-00-38, 8 (926) 850-53-16 www.autoref.ae-print.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Чалая, Татьяна Анатольевна, Москва

61 12-3/901

ТП

■•• ¿1 ы.. . -.

Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова

Ч/М

На правах рукописи Чалая Татьяна Анатольевна

Запасы углерода в почвах и растительности постагрогенных

ландшафтов южной тайги

Специальность 03.02.13 Почвоведение Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: Доктор биологических наук,

профессор |А.С. Владыченский

Москва - 2012

Содержание:

Стр.

Введение....................................................................................................3

Глава 1. Постагрогенная трансформация дерново-подзолистых почв.........................6

Глава 2. Природные условия района исследования...............................................22

2.1 Климат............................................................................................22

2.2 Рельеф............................................................................................24

2.3 Почвообразующие породы...................................................................26

2.4 Растительность.................................................................................28.

2.5 Почвенный покров............................................................................29

Глава 3. Объекты и методы исследования.........................................................31

Глава 4. Результаты и обсуждение......................................................................48

4.1 Флористический состав растительных сообществ.......................................48

4.2 Динамика запасов надземной и подземной биомассы травяно-кустарничкового яРУса..........................................................................................................52

4.3 Физические и физико-химические свойства почв........................................55

4.3.1 Плотность сложения............................ ................................................55

4.3.2 Гранулометрический состав почв............................................................58

4.3.3 Кислотно-основные свойства почв..........................................................62

4.4 Органическое вещество почв.................................................................66

4.4.1 Водорастворимое органическое вещество.................................................73

4.4.2 Групповой и фракционный состав гумуса .................................................76

4.5 Эмиссия почвой углекислого газа............................................................35

4.6 Динамика запасов углерода в почвах и растительности постагрогенных ландшафтов южной тайги................................................................................89

Выводы......................................................................................................92

Литература..................................................................................................94

Приложение ................................................................................................113

Введение

В связи с экономическим кризисом начала 90-х годов XX столетия более одной четверти сельскохозяйственных земель Российской Федерации было заброшено. Только в 1990-1995 гг. площадь сельскохозяйственных земель в России сократилась на 34 млн. гектаров [Панкова, 2000; Ефимов, Иванов, 2001; Деградация и охрана почв, 2002; Добровольский, 2004; Желясков, Шалдунова, 2004; Рожков, 2004; Сазонов и др., 2004]. На месте агроценозов возникают новые, постагрогенные фитоценозы, характеризующиеся совершенно другим составом и структурой растительности [Шахин и др., 2001]. Наряду с прекращением сельскохозяйственных мероприятий, новые фитоценозы играют существенную роль в постагрогснной трансформации почв, приводя к изменению морфологических, химических и микробиологических свойств почв, не столь отчетливому, как динамика растительности, но всегда имеющему место [Сушков, 1974; Хохлов, 2004]. Помимо прекращения сельскохозяйственных мероприятий, существенную роль в постагрогенной трансформации почв играют специфические смены растительности. В таежной зоне это особенно актуально, так как через определенное время на залежи происходит формирование лесных сообществ, меняющих характер почвообразования и экологические функции почв. Это очень важно для биогеохимического цикла углерода в отдельных ландшафтах и в биосфере в целом, поскольку бореальные леса являются нетто-стоком углерода атмосферы [Кобак, 1993; Collins at al„ 2000].

В то же время известно, когда бывшие пахотные почвы переводятся в разряд залежных земель, в них меняется направленность потоков основных биогенных элементов в системе атмосфера - растения - почва - атмосфера. Вследствие отсутствия отчуждения растительного материала в виде урожая и восстановления многолетней растительности происходит накопление углерода как в почвах, так и в растениях, которые на них развиваются [Schlesinger, 1986; Титлянова, 1991, 1999; Kim, 1992; Орлов, 1996; Larionova, 1998; Reeder, 1998; Dugas, 1999; Frank, 2001, Guo, 2002; Poulton, 2003].

изменения характера землепользования. В связи с глобальными изменениями климата, в значительной мере связанными с увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, все острее встает проблема поиска источников дополнительного связывания углекислого газа (С02), который на 70-75% обусловливает существование парникового эффекта [Bouwman, 1990]. Важнейшим стоком углекислоты на территории России служит лес [Кудеяров, 2004; Кудеяров, 2005], а лесовосстановление принято считать традиционным мероприятием, способствующим накоплению углерода в почвах и растительности [Заварзин, 2000].

В задачи исследования входит оценить:

1. Флористический состав растительных сообществ на разных стадиях лесовосстановительной сукцессии;

2. Изменение запасов надземной и подземной биомассы в процессе постагрогенной сукцессии;

3. Изменение некоторых показателей гумусного состояния почв;

4. Динамику эмиссии почвой углекислого газа как один из показателей микробиологической активности;

Научная новизна работы. Выявлены особенности динамики различных фракций фитомассы в ходе постагрогенного лесовосстановления. Впервые получены данные по постагрогенной динамике содержания и запаса водорастворимого углерода. Получены

оценки изменения запасов углерода в почве и разных компонентах растительного покрова покрове в ходе постагрогенных сукцессий в ландшафтах таежной зоны.

Благодарности. Выражаю глубокую благодарность научному руководителю д.б.н.

профессору [А.С. Владыченскому|. Благодарю В.М. Телеснину, И.М. Рыжову, М.И. Макарова за помощь в завершении работы и всех сотрудников кафедры общего почвоведения за внимание, поддержку, ценные советы и замечания.

Глава 1. Постагрогенная трансформация дерново-подзолистых почв.

Как было сказано выше, в настоящее время на территории России большое количество пахотных земель выведено из сельскохозяйственного использования. По данным официальной статистики [Российский статистический ежегодник, 1995, 2000; Агропромышленный комплекс..., 1999, 2001; Сельское хозяйство..., 2000] за период с 1990 по 1999 год в целом по России посевная площадь сократилась со 118 до 88 млн. га. Основной массив залежей (45% от их общей площади) расположен в зоне южной тайги, где они занимают около 20% территории. Причем, 54% угодий было выведено из аграрного оборота в период с 1887 по 1990 гг. (так называемые старые и средневозрастные залежи) и 46% - с 1990 по 2007гг. (молодые залежи) [Люри и др., 2010].

Изучение восстановления растительности и почв залежей имеет некоторую традицию [Апарин, Васильев, 1981]. Наибольшее количество работ по почвам залежей посвящено лесным почвам Европейской территории России [Скворцова и др., 1987; Баранова и др., 1989; Ахмалишев, 2007; Сорокина, Ахмалишев, 2007]. При этом большое внимание уделялось динамике углерода и питательных веществ в почвах [Максимова, 1987; Литвинович и др., 2002; Ковалева, 2005; Курганова и др., 2006; Романовская, 2006], а некоторые работы основаны на результате прямого многолетнего мониторинга динамики почвенного гумуса на залежах [Курганова и др., 2007]. Изменению содержания органического вещества и питательных элементов в постагрогенных почвах при их зарастании лесом посвящено и большинство иностранных работ по залежным почвам. Это касается как европейских стран, так и Северной Америки [Jug et al., 1999; Richter et al., 1999; Markewitz et al., 2002; Vesterdal et al„ 2002; Hooker, Compton, 2003; Paul et al., 2003; Degryze et al., 2004; Falkengren-Grerup et al., 2005; Morris et al., 2007; Smai, Olszewska, 2008;]. Однако, как правило, исследования охватывали небольшие площади и ряды залежей различного возраста.

В ходе постагрогенеза, когда прекращена распашка и другие агротехнические мероприятия, происходит постепенное восстановление исходных свойств почв, однако разные свойства восстанавливаются с разной скоростью, поэтому на разных стадиях постагрогенеза почвы отличаются друг от друга. Характер изменения химических свойств тесно связан как со свойствами самой почвы, ответственными за скорость ее реакции на смену внешних условий, так и с возрастом залежи и типом биоценоза. После исключения пахотных дерново-подзолистых почв из сельскохозяйственного оборота в течение

непродолжительного времени на них господствуют сорные виды растительности, которые сменяются рыхлокустовыми, а затем плотно-кустовыми злаками. Активное возобновление древостоя, в основном через мелколиственные породы (березу, осину) происходит в течение первых 10 лет после снятия антропогенной нагрузки. При этом выявлена четкая корреляция между сменой растительности и изменением некоторых химических свойств почв [Кузнецов, 2003]. Некоторые признаки освоения сохраняются под лесом довольно продолжительное время, в частности, повышенное содержание питательных элементов и гумуса [Апарин, Васильев, 1981]. С наибольшей скоростью изменяются и наиболее быстро восстанавливаются в процессе лесовозобновления химические свойства почв, такие как кислотность, содержание обменных кальция и магния, алюминия, различных форм железа [Баранова, 1987; КаИшпа & а1., 2009].

Начальные стадии процесса превращения пахотной почвы в лесную можно зафиксировать даже на обрабатываемых почвах. Этот процесс, как указывает И.Б. Макаров [1981, 1984], проявляется в дифференциации пахотного горизонта, которая происходит в период между вспашками и выражается в относительном ухудшении со временем морфологических и химических свойств почвы в нижних слоях горизонта Апах по сравнению с верхними. Эти изменения можно обнаружить менее, чем через год после последнего перемешивания почвы при вспашке.

После прекращения антропогенного воздействия начинается, как полагают некоторые исследователи, восстановление естественного зонального дерново-подзолистого типа почвообразования с последовательной сменой биогеоценозов в ряду: агроценоз - луг - лес [Апарин, Васильев, 1981; Анциферова, 2001, 2005]. С поселением естественной растительности на пахотных почвах, оставленных в залежь, пахотный слой трансформируется и наблюдается постепенное восстановление генетического профиля подзолистой почвы.

Сравнительный анализ морфологических и физико-химических особенностей залежных дерново-подзолистых почв на двучленных породах Новгородской области [Апарин, Васильев, 1981] позволил выделить следующие закономерности.

При переходе пахотных почв в залежь изменяется морфология преимущественно самой верхней части легкого покровного наноса. Со сменой биоценозов и увеличением возраста залежи на: месте гомогенного пахотного слоя формируется ряд горизонтов. В почве молодого перелога (10-15 лет) наблюдаются признаки расчленения пахотного слоя на два подгоризонта (А1 и А1А2). Наиболее существенны изменения в нижней его

части, связанные с возрастанием неоднородности по окраске и сложению. Происходит как бы смещение границ оподзоленности вверх по профилю.

В почвах многолетней залежи (40—50 лет) морфологические признаки освоения теряются. Профиль имеет строение, типичное для целинных дерново-подзолистых почв. Однако, в подзолистом горизонте остаются локальные участки пахотного горизонта, о чем свидетельствовала неоднородная мелкопятнистая окраска и более высокое содержание гумуса на этих участках.

При зарастании бывших пахотных почв естественной растительностью происходит уменьшение плотности преимущественно верхних горизонтов [Апарин, Васильев, 1981]. Сравнение плотности почв, находящихся в залежи различные сроки и под различными фитоценозами, показало, что наиболее сильно почва изменяется под влиянием леса и меньше под лугом. Наибольшую плотность имели верхние горизонты пахотной почвы, оставленной первый год под залежь; в почве 10-15-летней залежи бывший пахотный горизонт был несколько более рыхлый. В горизонтах, расположенных ниже гумусового, не было обнаружено существенных различий в плотности независимо от сроков пребывания почвы в залежи.

Исследования О.Ю. Барановой с соавторами [1989] также показали уменьшение плотности сложения верхней толщи (0-35 см) залежи при возобновлении леса. Кроме того, статистически подтверждается и дифференциация старопахотной толщи на два горизонта по величинам плотности. Этот процесс начинается еще на залежи, но не заканчивается в пределах изучаемых стадий (170 лет), так как верхний, гумусовый горизонт имеет большую плотность (1,15 г/см3), чем в коренном лесу (0,92 г/см3), подзолистый -меньшую (1,35 г/см3), чем соответствующий ему почвенный горизонт коренного леса (1,40 г/см3).

В работе Д.В. Чернова было показано [1997], что в залежных почвах гумусовый горизонт морфологически четко подразделяется на две части. Верхняя его часть (10-15см) имеет хорошо выраженную комковатую структуру, равномерную прокраску гумусовыми веществами, биогенную проработанность, густо переплетена корнями растений вследствие чего плотность данного слоя колеблется от 0.87 до 1,01 г/см. Нижняя часть гумусового горизонта, ранее также являвшаяся пахотным слоем, подвергаясь процессу деградации претерпевает довольно существенные изменения. В этом слое наблюдается укрупнение структуры, агрегаты приобретают элементы плитчатости, резко уменьшается количество корней, что приводит к увеличению плотности до 1.2 г/см3. Появляются

микрозоны обеднения, расположенные вдоль порового пространства, в виде белесых узких полос, что указывает на локальное проявление суспензионного выноса. Данный процесс в наиболее яркой форме выражен в залежной почве, покрытой вторичным смешанным лесом.

Таким образом, предварительный морфологический анализ показывает, что в залежных почвах постепенно происходит усиление элювиальных процессов, касающихся нижней части гумусированного горизонта и приближение данных почв по морфологии к исходному целинному состоянию. Однако полного восстановления морфологического строения верхней части профиля не происходит [Скворцова, Баранова, 2002].

Данных о влиянии прекращения антропогенного воздействия на гранулометрический состав почв постагрогенных ландшафтов немного. Так, распределение илистых частиц и частиц физической глины в залежных дерново-подзолистых песчаных почвах, по данным Д.В. Чернова с соавторами [2000], носит слабо выраженный элювиальный характер, типичный для дерново-подзолистых песчаных почв. То есть ослабление антропогенного воздействия в течение 20 лет практически не оказывает влияние на такой консервативный признак как гранулометрический состав. Хотя заметна тенденция уменьшения количества ила и физической глины в почвах залежи по сравнению с пахотной.

С переходом в залежь в дерново-подзолистых почвах происходит повышение кислотности, снижение степени насыщенности основаниями. Характер изменения химических свойств почв оказывается тесно связанным с возрастом зал�

Информация о работе

Чалая, Татьяна Анатольевна
кандидата биологических наук
Москва, 2012
ВАК 03.02.13

Диссертация

Запасы углерода в почвах и растительности постагрогенных ландшафтов южной тайги - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы