CC BY
100
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
ИЗМЕНЕНИЕ ПОЧВ И ПОЧВЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПРОЦЕССЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ЛЕСОВОЗОБНОВЛЕНИЯ ПОСЛЕ РУБКИ СОСНЯКА БРУСНИЧНО-ЗЕЛЕНОМОШНОГО
А.А. ДЫМОВ, н. с. отдела почвоведения Учреждения РАН Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, канд. биол. наук,
Е.М. ЛАПТЕВА, доц., зав. отделом почвоведения Учреждения РАН Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, канд. биол. наук,
Е.Ю. МИЛАНОВСКИЙ, вед. н. с., доц. факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, д-р биол. наук
[email protected]; [email protected]; [email protected]
В лесах бореальной зоны сосредоточено значительное количество органического углерода, основная доля которого аккумулируется в почвах. Антропогенным фактором, оказывающим существенное негативное влияние на таежные экосистемы, являются сплошно-лесосечные рубки. Сведение древесной растительности приводит к нарушению складывающегося десятилетиями динамического равновесия в природных биогеоценозах (БГЦ). На вырубках изменяются микроклиматические условия (освещенность, температура, распределение осадков), гидрологический режим почв и ландшафтов [1], а также углеродный баланс наземных экосистем. Часть фитомассы (преимущественно в виде стволовой древесины) безвозвратно изымается из БГЦ, а на поверхность почвы поступает «залповое» количество органичес-
кого вещества в виде различных порубочных остатков (кора, ветви, листья), а также пни и корни срубленных деревьев. Включение поступающих органических веществ в процессы минерализации и гумификации не может не сказаться на качественных и количественных характеристиках наиболее стабильного резервуара органического углерода - почвенного органического вещества (ПОВ).
Цель данной работы заключалась в выявлении закономерностей изменения почв и почвенного органического вещества в процессе естественного возобновления лесной растительности после рубки древостоя.
Объекты и методы
Объектами исследования послужили спелый сосняк и производные березняки,
Т а б л и ц а 1
Характеристика объектов исследования
Показатель ПП 1 ПП 2 ПП 3 ПП 4
Год рубки - 1994 1983 1955
Тип леса сосняк бруснично-зеленомошный березняк бруснично-долгомош- ный березняк бруснично-долгомошный березняк бруснич-но-зеленомошный
Состав древостоя 8С2Ос 4Б4Ос2С+Е 9Б1Ос+Е+С 9Б1С+Ос
Средний возраст древостоя на момент исследования, лет 110 10 20 50
Средняя высота, м / средний диаметр, см 25/26 3/2.5 8.5/6 24/23
Подрост, экз./га 2700 15300 3800 2700
Тип почвы подзол литобарьерный торфянисто-подзол глее-вый литобарьерный* подзол литобарьерный глееватый подзол литобарьерный
Строение профиля почвы O-E-BHF-De-Dg О-Eg-BHFg/BGfn-Deg- Dg O-Eg-BHFg-Deg -Dg O-E-BHF-De-Dg
* в сочетании с оруденелым.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012
67
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
формирующиеся после рубки сосняков на южном пределе подзоны средней тайги (Республика Коми, Прилузский район). Пробные площади (ПП) были заложены в спелом сосняке бруснично-зеленомошном (ПП 1), 10-, 20-, 50-летние березняки (ПП 2, ПП 3, ПП 4 соответственно), которые кратко охарактеризованы в табл. 1. Рассматриваемые растительные сообщества расположены в одинаковых геоморфологических условиях, их почвы сформированы на флювиогляциальных песках и супесях, подстилаемых с 40-50 см моренными суглинками. До проведения сплошно-лесосечной рубки растительный покров на всех участках был представлен сосняками бруснично-зеленомошными.
Лесоводственно-таксационное описание фитоценозов проводили согласно [2], диагностику и идентификацию почв - по [3]. В производных березняках исследовали «пасечные» участки, почвенный покров которых не нарушен тяжелой агрегатной техникой. Для оценки пределов варьирования морфологических и физико-химических свойств почв закладывали траншеи и прикопки, специфики ПОВ - опорные разрезы в межкроновых пространствах. Физико-химические свойства почв изучали классическими методами [4]. Содержание углерода и азота в почвенных образцах определяли на CHNS-О-элемент-ном анализаторе ЕА 1110 (Италия), углерода водорастворимых органических соединений (Свов) - после упаривания аликвоты водной вытяжки (соотношение почва : вода для органогенных горизонтов 1 : 10, для минеральных - 1 : 5) методом Тюрина со спектрофотометрическим окончанием, фракционногрупповой состав гумуса - экспресс-методом Кононовой-Бельчиковой. Кислотно-о сновные свойства водорастворимых органических соединений изучали методом высокочастотного потенциометрического титрования аликвоты водной вытяжки с последующей математической обработкой результатов титрования по М.А. Рязанову [5]. Гумусовые вещества (ГВ) экстрагировали из почв 0.1 n раствором NaOH в течение 20-24 часов при соотношении почва : раствор 1 : 10. От минеральных примесей экстракт очищали центрифуговани-
ем (12000 об/мин., в течении 15 мин.). Фракционировали ПОВ на хроматографе BioRad с использованием колонки 1х10 см и гидрофо-бизированного геля агарозы (Octyl Segarosa СЬ-4В, Pharmacia) [6].
Результаты и обсуждение
Естественное лесовозобновление на вырубках сосновых лесов происходит через смену древесных пород. Основная часть березы и осины появляется в первые годы после рубки. По мере формирования древесного яруса количество подроста уменьшается. В отличие от механически преобразованных почв волоков и лесопогрузочных площадок [7] почвы «пасечных» участков сохраняют основные особенности морфологического строения, присущие почвам подзолистого типа. В то же время изменение условий почвообразования на вырубках разного возраста обусловило определенные различия в морфологических и химических свойствах почв исследованных фитоценозов. Под пологом сосняка бруснично-зеленомошного (ПП 1) развиты подзолы литобарьерные, профиль которых представлен грубогумусной лесной подстилкой О, хорошо выраженным песчаным подзолистым горизонтом E, ржаво-бурым иллювиально-гумусово-железистым горизонтом BHF. Подстилается облегченная часть профиля моренными среднесуглинистыми отложениями Dg, слабо затронутыми современными признаками почвообразования. Верхняя часть суглинистого наноса характеризуется морфологически выраженным осветлением, что позволяет диагностировать здесь горизонт De. Физико-химические свойства почвы типичны для подзолов, развитых на двучленных отложениях. Максимальной кислотностью отличается лесная подстилка, минимальной - горизонт BHF. В содержании поглощенных оснований четко фиксируются два максимума: первый - в лесной подстилке (определяется биологическим накоплением кальция и магния), второй - в суглинистой толще профиля (связан с богатством моренных отложений этими элементами). Распределение углерода в профиле почвы резко убывающее. В лесной подстилке наблюдается
68
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
биогенное накопление органического углерода до 49 % от массы, в минеральных горизонтах его содержание уменьшается до 0.4-0.2 % (верхняя песчаная толща) и 0.2-0.1 % (суглинистая толща).
Почва десятилетнего березняка (1111 2) значительно отличается от почвы спелого сосняка. Изменение гидрологического режима территории после сведения древесной растительности (временное переувлажнение) обусловило формирование на вырубке под 10-летним березняком мощной лесной подстилки, отличающейся от почвы 11 1 уве-
личением вклада отрастающей живой части кукушкиного льна и доли порубочных остатков (рис. 1). Избыток влаги и нарушение латерального стока внутрипочвенных растворов вследствие переуплотнения почв на трелевочных волоках способствовали развитию на данном участке процессов оглеения и конкрециеобразования, что привело к появлению в легкой части профиля специфичных линзовидных горизонтов BGfn со скоплением FeMn-конкреций различного диаметра.
Развитие древесного яруса в фитоценозах, возникших после рубки (ПП 3 и 1111 4), сопровождается уменьшением количества подроста (табл. 1), постепенным восстановлением гидрологического режима территории и снижением степени гидроморфизма почв (почвы 20 и 50-летних березняков более «сухие» по сравнению с 10-летним березняком). В строении почвы 20-летнего березняка бруснично-долгомошного (ПП 3) еще сохраняются мощная лесная подстилка (рис. 1) и признаки оглеения в минеральной части профиля, в то время как в спелом березняке зеле-номошном (ПП 4) почва приближается к параметрам условно коренного леса по мощности лесной подстилки, по содержанию углерода и показателям кислотности основных генетических горизонтов. Морфохроматические признаки оглеения фиксируются здесь только в суглинистой толще профиля. В качестве остаточных признаков былого переувлажнения почвы спелого березняка (ПП 4) следует отметить более мощную лесную подстилку (7.6±0.8 см) и повышенное содержание конкреций в верхних минеральных горизонтах
(1.17-3.09 % от массы почвы) по сравнению с сосняком (соответственно 5.9±0.6 см и 0.292.23 %).
Состав гумуса почвы спелого сосняка типичен для автоморфных почв подзолистого типа (табл. 2). Он характеризуется преобладанием «подвижных» фракций гуминовых (фракция ГК-1) и фульвокислот (фракции ФК-1а и ФК-1) и практически полным отсутствием гумусовых веществ, предположительно связанных с кальцием (фракции ГК-2 и ФК-2) [7]. Степень гумификации органического вещества, по градации Д.С. Орлова [8], слабая (5.5-14.7). Основное количество водорастворимых компонентов гумуса продуцируется в верхней части лесной подстилки - в горизонте О1 (табл. 2).
Переувлажнение территории после рубки, замедление процессов разложения растительного опада в условиях временного заболачивания, дополнительное поступление органического вещества на поверхности почвы (включая порубочные остатки) сопровождается изменением некоторых показателей гумусного состояния почв на вырубках (табл. 2). В почве 10-летнего березняка наблюдается расширение отношения Сгк/Сфк в минеральных горизонтах (до 0.7-0.6) и возрастание степени гумификации (до 22.7-35.1) за счет возрастания доли гуминовых кислот в составе ПОВ как лесной подстилки, так и минеральных горизонтов. Однако в данном случае повышение гуматности гумуса связано не с активизацией процессов гумификации органического материала, а, наоборот, с накоплением слабогумифицированных, оторфо-ванных растительных остатков. Полученные данные согласуются с результатами изучения гидрофильно-гидрофобных характеристик ПОВ: в составе гумуса минеральных горизонтов почвы участка ПП 2 существенно возрастает доля гидрофобных компонентов (табл. 2). Эти вещества могут быть представлены липидами, а также различными алифатическими, гетероциклическими и фенольными соединениями, соосаждающимися вместе с гуминовыми кислотами при подкислении щелочных вытяжек и увеличивающими соответственно выход гуминовых кислот при
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012
69
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
Таблица 2
Некоторые показатели гумусного состояния почв сосняка и производных березняков
Показатель Горизонт ПП 1 ПП 2 ПП 3 ПП 4
О1 0,8 0,6 0,7 0,8
Тип гумуса, О2 1,2 0,8 1,3 1,5
Сгк/Сфк E(g) 0,5 0,7 0,6 0,4
BHF(g) 0,3 0,6 0,5 0,1
О1 5,5 12,5 3,8 16,4
Степень гумификации О2 12,5 15,3 15,7 20,6
органического вещества, Сгк/ Собщ.*100 % E(g) 14,7 22,7 17,3 7,3
BHF(g) 12,7 35,1 19,4 1,2
О1 3,9 12,5 3,0 16,4
Содержание «свободных» ГК, О2 11,0 15,3 15,4 20,6
% от Собщ. E(g) 12,8 22,6 10,5 3,3
BHF(g) 11,2 35,1 12,3 0,6
О1 1,0 6,7 1,9 2,3
Содержание фракции ФК-1а, О2 2,6 5,9 2,4 2,9
% от Собщ. E(g) 11,3 10,7 23,2 16,2
BHF(g) 31,5 37,6 33,1 53,8
О1 1,322 0,963 1,223 0,859
Содержание СВОВ, О2 0,138 0,186 0,488 0,868
% от почвы E(g) 0,040 0,044 0,057 0,040
BHF(g) 0,027 0,031 0,043 0,022
О1 68 84 62 62
Доля гидрофильных компонентов О2 54 52 64 67
в составе «свободного» ПОВ, % E(g) 67 48 44 68
BHF(g) 78 46 47 69
проведении фракционно-группового анализа. Следует отметить, что аналогичная картина расширения величины Сгк/Сфк, по сравнению с автоморфными подзолистыми почвами, была отмечена при исследовании фракционно-группового состава болотно-подзолистых почв, формирующихся в условиях повышенного гидроморфизма [9].
В почвах производных березняков (1111 3, 1111 4) тип гумуса постепенно возвращается к параметрам почв спелого сосняка. Смена пород на вырубках, изменение качественного состава растительного опада, включающегося в процессы гумификации, по всей видимости, обусловили некоторое усложнение структуры гумусовых кислот [10], что проявилось в появлении в составе гумуса фракций гуминовых кислот, предположительно связанных с кальцием (фракция ГК-2). В 20-летнем березняке (ПП 3) доля этих компонентов гумуса составила 0.8-0.3 % от общего органического углерода в горизонте лесной подстилки и 6.8-7.1 % - в минеральных гори-
зонтах. В почве спелого березняка (ПП 4) 0 и 3.6-0.6 % соответственно. Уменьшение доли фракции ГК-2 на вырубках со временем связано с постепенным восстановлением под пологом лиственных пород подроста хвойных (ели).
Разболачивание почв по мере восстановления древесной растительности, возвращение к исходным параметрам гидрологического режима, смена восстановительных условий на окислительные в профиле почв способствовали постепенному восстановлению исходного соотношения гидрофильных и гидрофобных компонентов в составе гумуса (табл.2). Гидрофильность ГВ (преобладание в их структуре полярных соединений, обладающих высокой реакционной способностью) во многом определяется окислительно-восстановительным режимом процессов почвообразования. По-видимому, в хорошо аэрированных почвах в составе гумуса преобладают соединения, имеющие в своей структуре такие полярные группы, как -СООН, =CO, -NH2
70
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
0 10 20 30 40 50 60
O1
O2
~ 1 ■
■ I
■ I ■
1
E(g)
BHF(g)
1
Сорг.,
%
B
п ПП 1 п ПП 2 D ПП 3 □ ПП 4
Рис. 1. Динамика мощности подстилки с учетом вклада очеса (А, n = 30) и содержания органического углерода в верхних горизонтах почв (B, n = 5) в хронологическом ряду вырубок. Здесь и далее: обозначение пробных площадей согласно табл. 1. О1 - верхняя часть лесной подстилки, О2 - нижняя часть лесной подстилки
и другие, определяющие способность ГВ к гидрофильным взаимодействиям. Косвенно это может подтверждаться уменьшением доли гуминовых кислот и возрастанием общего количества водорастворимых компонентов в составе гумуса (табл. 2), представленных в почвах подзолистого типа преимущественно высоко- и низкомолекулярными органическими кислотами, полифенолами, амино- и уроновыми кислотами [11, 12].
Специфической особенностью почв березняков, особенно на первых стадиях возобновления древесной растительности (ПП 2), является возрастание «агрессивности» гумусовых веществ. «Агрессивность» гумуса, его способность к активной миграции и вступлению в химические реакции с минеральными компонентами почвы прослеживается в возрастании содержания фульвокислот фракции ФК-1а (табл. 2) и повышении доли сильнокислых (рК 3-5) и среднекислых (рК 5-8) ионогенных групп в составе водорастворимых органических соединений (рис. 2).
Заключение
В условиях средней тайги на вырубках сосняка бруснично-зеленомошного в процессе сукцессионной смены растительности происходят соответствующие изменения в почво- и гумусообразовании. Основные различия связаны с процессами заболачивания/ разболачивания в почвах молодых березня-
ПП 1 ПП 2 ПП 3
□ рК 3-5 □ рК 5-8 □ рК >8
Рис. 2. Изменение соотношения мольных долей ионогенных групп с различными величинами рК, входящих в состав водорастворимого органического вещества лесных подстилок
ков и усилении оглеения. Удаление основного эдификатора (древостоя хвойных пород) способствует перераспределению энергетических потоков - на «молодых» вырубках сглаживается характерное для лесных биогеоценозов парцеллярное распределение лесной подстилки при существенном возрастании ее мощности. Благодаря значительному варьированию содержания углерода в почвах всех исследуемых лесных сообществ (рис. 1) статистически достоверного изменения в содержании углерода органических веществ не наблюдается.
«Залповое» поступление органического вещества с порубочными остатками, корнями срубленных деревьев, переувлажнение почв на первых стадиях послерубочной сукцессии обусловливают изменение показателей
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012
71
