CC BY
27
УДК 631.418
Вестник СПбГУ. Сер. 3, 2005, вып. 1
Е. В. Абакумов, М. А. Надпорожская, П. П. Цудлин
К ХАРАКТЕРИСТИКЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ГОРНЫХ ПОДЗОЛОВ И БУРОЗЕМОВ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧЕХИИ В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Горные подзолы и буроземы еловых лесов Северной Чехии представляют особый интерес для почвенно-экологических исследований окружающей среды в условиях интенсивного воздействия на экосистемы элементов, поступающих с атмосферными выпадениями. Во второй половине XX в. на обширных территориях средней и восточной Европы наблюдалась деградация лесов под воздействием кислотных дождей. Эти явления были вызваны деятельностью в Германии и Польше горнорудной и перерабатывающей промыш-ленностей, базировавшихся на сжигании бурого угля с высоким содержанием серы [12]. Помимо окислов серы и азота, вызвавших подкисление атмосферных осадков, происходил привнос тяжелых металлов. Леса находились в условиях постоянного многофакторного стресса. Обычно на первых этапах при подкислении почвы рост леса может улучшаться за счет компенсации дефицита серы и азота. Но затем, как правило, начинается угнетение древостоя в связи с увеличением кислотности, накоплением обменного алюминия, снижением биологической активности почвы, повреждением корней, а вследствие этого понижением скорости биологического круговорота и мобилизации элементов питания, освобождающихся при минерализации органического вещества [8]. В настоящее время, когда уровень промышленного.выпадения серы и тяжелых металлов понизился, актуально изучение степени изменения свойств почв нарушенных лесов, выяснение пригодности почв для лесовозобновления.
- Выбор наиболее чувствительных параметров для оценки изменения почв в деградирующих лесах является проблемным. Как известно, почвенные свойства и признаки можно разделить" на две группы: изменяющиеся достаточно быстро (почва-момент) и изменяющиеся в длительных временных интервалах (почва-память) [7]. Граница между этими категориями носит градиентный характер, тем не менее, можно утверждать, что почвенные характеристики, связанные со свойствами органического вещества, являются наибо- ' лее информативными для мониторинга развития почв, вызванного изменениями биоцено-тического и тесно связанного с ним гидрологического факторов.
При этом следует отметить, что органическое вещество почв является регуляторным звеном, которое достаточно быстро реагирует на все изменения в экосистемах [6]. Именно поэтому основное внимание в наших исследованиях мы обратили на содержание и профильное распределение органического вещества, а также важнейшую его характеристику: степень окис-ленности-восстановленности, которая отражает как специфику органо-минеральных взаимодействий, так и направленность процессов консервации — минерализации гумуса [1, 3-5].
Целью настоящего исследования была характеристика содержания, распределения гумуса по профилю почв и степени внутримолекулярной окисленности органического вещества подзолов и оподзоленных буроземов, подвергающихся антропогенному загрязнению. Степень внутримолекулярной окисленности-восстановленности гумуса мы вычисляли на ос- -
* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке INTAS (2001-0512, «PODZOL»)
и FP-6 Program 013388 «OMRISK».
© Е. В. Абакумов, М. А. Надпорожская, П. Цудлин, 2005
новании результатов определения углерода традиционным косвенным (по бихроматной окис-ляемости) методом Тюрина и прямым методом (по С02), разработанным нами ранее [1, 5].
Нами начато изучение почв трех участков лесов на северо-востоке Чехии в горном массиве Крконоши (Giant Mountains, окрестности г. Харакова, 130-160 км к северо-востоку от Праги, средние высоты 1100-1400 м). Среднегодовая температура воздуха в этом районе +4,9 °С, количество осадков примерно 1000 мм, около половины из. них выпадает в теплое время года.. Устойчивый снежный покров держится -с декабря до апреля или начала мая, достигая толщины 100-300 см.
Исследованные участки еловых лесов (табл. 1) различаются по степени деградации лесной растительности вследствие того, что они испытывали разные уровни атмосферного загрязнения [13]. При этом и сами экосистемы существенно различались по устойчивости к загрязнению, поскольку находились на склонах разной экспозиции и крутизны, характеризовались различным почвенным покровом и водным режимом. На исследованной территории по измерениям, проведенным в 1994 г., градиент максимальных кислотных выпадений за день различался от 600 до 530 мк-экв Н+ м-2. Принято, что предельными критическими значениями кислотных выпадений для горных территорий Чехии являются 50-100 мл-экв Н+/м'2за гол [13].
Наименее нарушенные еловые леса описаны на участке Модри Дул. Здесь распространены оподзоленные буроземы на элюво-делювии слюдистых сланцев. ^Мощность под-горизонтов подстилки F и Н составляет 4-10 см. Травяной покров относительно мало развит (встречается вейник тростниковый Calamagrostis arundinacea), B кустарничковом ярусе доминирует черника. На участке Альсбетинка исследован среднедеградированный участок, на котором наблюдается выпадение половины древостоя ели. В связи с выпадением древостоя происходит постепенное увеличение гидроморфизма ландшафта. Снижение проективного покрытия ели приводит к активизации развития травяного яруса, представленного в основном луговиком извилистым (Deschampsia flexuosa). Почвы участка представлены оподзоленными,буроземами. Мощность подгоризонтов подстилки F и Н составляет 8-14 см. Стадия полной деградации елового леса обнаружена на участке Муль-мавска Гора. Здесь засохли все ели, а поверхность почвы постепенно заросла вейником тростниковым и луговиком извилистым. Преобладающие почвы — иллювиально-железис-тые подзолы. Мощность подгоризонтов подстилки F и Н составляет 8-14 см. На указанном участке отмечена максимальная степень гидроморфизма ландшафта, который выражается в значительном количестве влаги, задерживающейся даже на склонах, при этом почвообразующие и подстилающие породы отличаются значительной трещиноватостью. Между тем прекращение эвапотранспирации оказывает решающее воздействие на гидрологию ландшафта. Повышению увлажненности последнего участка способствует его наи- ■ большая выположенность. Кроме этого, в изученной литературе имеются указания на проведение рубок ухода и устройство дренажа ранее, например, на участке Альсбетинка [13], что способствовало осушению.
В 2003 г. было заложено по одному разрезу на каждом изучаемом участке. Во всех описанных почвах мы выделили дерновые горизонты — Aw, что связано с антропогенной сменой растительности и формированием"-плотно задернованной поверхности, которая препятствует возобновлению ели. Почвы были названы (табл. 2) на участках Модри Дул и Альсбетинка — буроземы оподзоленные, на участке Мульмавска Гора — подзол ил-лювиально-гумусово-железистый супесчаный.
Примечательно, что оподзоленные буроземы с очень небольшим по мощности опод-золенным горизонтом формируются на крутых (15-20°) склонах гор с небольшой мощностью сильнокаменистого крупноглыбистого элюво-делювия. На более выположенных
Таблица I. Характеристика обследованных участков
ар -
Н аэв ан и е у част ка н+, мк-экв / •м2/день* Высота над у. м., м** . Экспозиция ** Угол наклона, гра д .** П орода** К ам ен и -' стость, % * Мощность Г + Н , см* Древостой.
Во зраст, лет Ч и сл о деревьев, ш т/га* И 7 н И X мертвых, %*
Модри Дул 530 1237 С 22 Э л ю в о-делю вий слюдистого сланца. 45 4-.10 121*-140** 149 32
Альсбетин-ка . 550 1192 СЗ 14 Эпгио1-делю вий гран и та 40 8-14 200* 129- 51
Мул ьмавска Гора 600 1185 Ю 3 5 Э л ю в о-деяювий гранита 35 8-1.4 180* 133 91
* Данные по: [13] (Н+ — максимальные значения кислотных выпадений).
** Данные по: [12].
участках (5-10°) с большей мощностью элювия (элюво-делювия) формируются подзолы иллювиально-гумусово-железистые. Интенсивное оподзоливание минеральной части почвы в природных почвах тесно связано с особенностями увлажнения профиля и мощностью чехла элювия. Высокая щебнистость, значительная водопроницаемость и богатство дериватов материнских пород первичными минералами способствуют формированию опод-золенных буроземов. Интенсивному оподзоливанию почв, напротив, способствует повышенное увлажнение почв на пологих склонах, при этом, вероятно, элювиально-глеевая составляющая играет в подзолистом процессе важную роль. Эти почвы изначально имеют разную устойчивость к воздействию как подкисляющих агентов, так и элементов-загрязнителей. В связи с этим интересно затронуть вопрос об изменении некоторых свойств почв. Как указывает Л. Сокупова с соавторами [13], величины рН (в водной суспензии) верхних горизонтов почв на изученных участках варьировали в диапазонах: в 1924 г. 4,2-5,5 и в 1959 г. 4,3-5,3. В середине 1980-х рН понизились до минимальной отметки 3,1-4,5. К началу XXI в. эти величины составили 3,5-4,0. К настоящему времени наблюдается стабилизация этого показателя в связи со снижением интенсивности промышленного загрязнения.
Антропогенное воздействие (ацидификация, загрязнение экосистем сульфатами) на двух исследованных участках приводит к быстрым изменениям в фитоценозе. Это выражается в.выпадении старых и перестойных елей, в постепенном замещении кустарничко-вого (черничного) яруса травянистым (вейник и луговик), возобновления молодого древостоя не происходит. В работе нашими коллегами по проекту [11] не было обнаружено значительных различий по свойствам почв (рН, содержание органического вещества и мощность органогенных горизонтов) 'между участками разной степени деградации. Содержание тяжелых металлов (ТМ) в органогенных горизонтах было невысоким, что может свидетельствовать об условиях, препятствующих их закреплению в почве (высокая кислотность, выщелачивание оснований, уменьшение скорости разложения опада и изменение его качества). Разнообразие микробиоты (грибов и бактерий) тоже не различалось по участкам, только на самом нарушенном участке, Мульмавска Гора, количество и индекс разнообразия эктомикоризных грибов были понижены. Но биотесты показали, что почвы всех трех участков содержат достаточное количество микоризных инокулян-тов для.инфицирования в случае роста новых корневых систем. Кроме этого, относительно высокие концентрации меди в поверхностных подгоризонтах лесной подстилки были обнаружены на наименее нарушенном участке елового леса, Модри Дул. Это свидетельствует об отсутствии корреляции содержания ТМ и степени .нарушения древостоя в данном случае. Там. же [11] отмечено, что разница между участками по состоянию и распределению в почве тонких корней соответствует степени угнетения древостоя, но не может быть объяснена только изучением общепринятых физико-химических свойств, в почвах. Поэтому важно получение дополнительных, не совсем традиционных, характеристик гумуса лесных почв для выяснения различий качества почв и возможного направленного воздействия на них для ускорения восстановления лесов.
В слабонарушенном оподзоленном буроземе участка Модри Дул наблюдается типичное для буроземов и подбуров распределение гумуса по профилю (см. табл. 2). Примечательно, что органическое вещество лесной подстилки характеризуется повышенной степенью внутримолекулярной восстановленности, что свидетельствует о высоком содержании здесь фракции воскосмол. Такое явление считается типичным для подстилок хвойных лесов на легких почвах, где основным механизмом сохранения органического вещества в устойчивой форме является формирование грубого гумуса, минерализация которого лимитируется именно содержанием липидной фракции [2], и сравнительно невы-
ч
Таблица 2. Профильное распределение органического углерода, степень внутримолекулярной окисленности и обогащенность азотом гумуса изученных почв
Горизонт
Глубина
Ы, %
Сох, %
ссо2, %
сво, %
от СС02
Сох/Ы
ссо2/ы
Участок Модри Дул, бурозем оподзоленный супесчаный на элюво-делювии слюдистых сланцев, начальные признаки нарушения
Aw 0-4 2,40 35,17 20,59 -70,8 17,14 10,03
Н 4-9 1,68 24,25 17,51 -38,5 16,89 12,19
НЕ 9-12 0,66 6,86 4,44 -54,5 12,16 7,87
ЕВ£е 12-14 0,57 4,61 2,90 -59,0 9,46 5,95
В£е 14-31 0,27 1,60 1,42 -12,7 6,93 6,15
ВС 31-38 0,18 0,90 0,82 -9,8 5,85 5,33
С 38-45 0,21 0,90 0,82 -9,8 5,01 4,57
постепенно вымирающий лес
А™ 0-6. 1,14 27,81 ' 17,16 -62,1 28,54 17,61
т 6-10 2,33 34,46 26,74 -28,9 17,30 13,42
н 10-18 1,68 25,54 22,98 -11,1' 15,20 16,00
НЕ 18-24 0,18 4,29 4,45 +3,6 27,88 28,92
В£е 24-34 0,12 1,12 1,03 -8,7 10,92 10,04
В£е 34-40 0,09 0,82 0,85 +3,5 10,66 11,05
ВС 40-65 0,06 0,76 0,72 -5,5 14,82 14,04
С 65-80 0,05 0,59 • • 0,43 -37,2 13,81 10,06
Участок Мульмавска Гора, подзол иллювиапьно-гумусово-железистый супесчаный на ¡элюво-делювии гранитов, вымерший сухостойный лес
0-9 2,10 34,06 49,73 +31,0 18,98 27,51
Н 9-11 1,29 16,91 16,57 .-2,1 . 15,34 15,02
НЕ 11-15 0,33 2,59 2,66 +2,6' 9,18 9,43
Е 15-17 0,32 1,17 1,08 -8,3 4,28 3,95
Е 17-24 0,30 2,47 1,63 -51,5 9,63 6,36
ВЬ 24-30 0,24 3,11 2,23 -39,5 15,16 10,87
В1е 30-35 0,23 1,61 1,47 -9,5 8,19 7,48
ВС 35-60 0,18 0,93 0,66 -40,9 6,04 4,29
С 60-70 0,12 0,71 0,58 -22,4 6,92 5,65
соким содержанием азота. От горизонта Аш к горизонту Н снижается степень восстанов-ленности органического вещества, что связано, по нашему предположению, с увеличением глубины гумификации гумуса. Почвённо-экологический смысл этого явления заключается в смене механизмов формирования устойчивости органического вещества. Общая устойчивость гумифицированной .подстилки тесно связана с накоплением в них биотермо-динамически стабильных компонентов — гуминовых кислот и формирования комплекса гумусовых кислот с частично разложенными растительными остатками [8, 9].
Что касается органогенных горизонтов оподзоленного бурозема на участке Альс-бетинка, где погибло 50% древостоя, то здесь наблюдаются в среднем более высокие
значения окисленности гумуса. Связано это может быть как с уменьшением доли хвои в опаде, так и с увеличением гидроморфности ландшафта, благоприятствующей до известной степени активизации процессов минерализации и гумификации органического вещества почв [3]. х
В оторфованной лесной подстилке подзола на участке Мульмавска Гора с почти полностью вымершим древостоем отмечено увеличение степени минерализации органического вещества. Об этом свидетельствует повышение зольности подгоризонта подстилки Н. Это может быть связано как с увеличением гидроморфизма площадки, так и с изменением качества отмершего растительного вещества и временной структуры его поступления на/в почву (здесь преобладает опад не ели, а злаков). Значительное увеличение степени внутимолекулярной окисленности гумуса почв Мульмавска Гора тоже свидетельствует об активном развитии процессов трансформации органического вещества почвы.
Согласно полученным данным, можно отметить, что в природных ненарушенных почвах хвойных лесов органическое вещество находится в стабильном состоянии благодаря высокому содержанию липидной фракции (воскосмолы), что отражается на высокой степени внутримолекулярной восстановленности гумуса. Изменение режимов поступления опада, изменения условий увлажнения, нарушение общего баланса углерода в загрязненных экосистемах способствуют изменению процессов трансформации Гумуса, важнейшим из которых является окисление органического вещества. Одновременно прослеживаются тенденции уменьшения обогащенности органического вещества верхних горизонтов почв азотом.
Если провести сравнительную характеристику степени окисленности-восстановленно-сти органического вещества минеральных горизонтов исследованных почв, то различия будут менее контрастными и даже скорее проявятся сходства изученных почв. Примечательно, что оподзоленные горизонты всех изученных почв отличаются повышенной вос-становленностью гумуса, а иллювиальные горизонты — более высокими значениями окисленности органического вещества. Такое изменение свойств органического вещества считается типичным для почв подзолистого ряда на легких по гранулометрическому составу породах [1,3, 4]. Отличие изученных маломощных подзолов и оподзоленных буроземов на дериватах гранитов и слюдистых сланцев от подзолов на ледниковых песках заключается в меньшей контрастности указанных изменений степени окисленности-восстанов-ленности органического вещества. Связано это с меньшей степенью дифференциации профилей изученных почв по химическому и гранулометрическому составу и основным физико-химическим характеристикам. ,
Таким образом, можно сделать вывод о том, что антропогенное воздействие на экосистемы, в том числе и изменение количества опада и условий его разложения (так же, как и различия природных факторов почвообразования) практически не повлияло на свойства органического вещества минеральных (подзолистых, иллювиальных) горизонтов изученных почв. Единственное отличие минеральных профилей заключается в том, что в оподзоленных буроземах профильное распределение гумуса может быть охарактеризовано как постепенно убывающее, а в подзолах — как бимодальное, обусловленное элювиально-иллювиальной дифференциацией профиля.
В заключение следует отметить, что'органогенные горизонты являются той составляющей почвенного профиля, которая сочетает в себе и мобильные, и консервативные свойства. Химические свойства и компонентный состав органического вещества минеральных горизонтов достаточно быстро реагируют на изменение условий увлажнения, количество поступающего опада. Если в природных лесных экосистемах основным механизмом формирования устойчивости органического вещества является аккумуляция его пропитанной воскасмолами подстилке, то при уменьшении роли древесного яруса, изме-
нении количества и качества опада, гидрологического режима в изученных почвах запускаются механизмы более глубокой трансформации органического вещества.
Таким образом, наибольшие различия в свойствах исследованных.почв обусловлены регуляторной функцией органического вещества верхних, по преимуществу органогенных горизонтов, которые следует рассматривать как основной базис взаимодействия и совместной эволюции фитоценотического и эдафического компонентов биогеоценозов.
Очевидно, что приведенные данные о состоянии и тенденциях изменения органического вещества загрязненных почв не являются полными, а выводы этой работы нельзя считать окончательными. Между тем реальная ситуация, в которой осуществляется экологический мониторинг, в большинстве случаев далека от изучения однофакторных серий почв или универсальных экспериментов. Авторы полагают что исследования оценки трендов антропогенной эволюции почв в обозначенном направлении могут быть эффективными.
Статья рекомендована проф. Б. Ф. Апариным. Summary
Abakumov Е. V., Nadporozskaya М.А., Cudlin P. P. Contribution to the knowledge on mountain Podzols and Burozems organic substance under the anthropogenic pollution in North-West Czech Republic
/ / Transactions of St.-Petersburg State University, 2004.
\
The anthropogenic acidification and sulfur pollution impact as a global factor of soil evolution in Giant Mountains in the Czech Republic are discussed. Soil organic substance is matter characterized by conservative and changeable properties. The last one is the degree of humus oxidation-reduction, which is very sensitive to the changes in intensity of litter mput, water regime and the speed of humification, that is why it can be used with the aim of multifactor monitoring of soil development under the pollution impact.
Литература
- 1. Абакумов E. В., Попов А. И., Гагарина Э. И. К вопросу о степени внутримолекулярной окисленности органического вещества подзолистых почв / / Науч. труды СПбГАУ «Гумус и почвообразование». СПб., 2003. С. 103-109. 2. Богатырев JJ. Г. Является ли подстилка самостоятельным биогеоценотическим телом природы // Экология. 1990. № 6. С. 3-7. 3. Пономарева В. В., Плотникова Т. А. К методике изучения органического вещества в торфяно-болотных почвах / / Современные почвенные процессы в лесной зоне Европейской части СССР. М., 1959". С. 170-203. 4. Пономарева В.В. Теория подзолообразовательного процесса. М.; JI. 1964. 5. Попов А.И., Абакумов Е. В. Модификация прибора для одновременного определения органических соединений, углерода карбонатов и общего азота в почвах /'/' Науч. труды СПбГАУ «Гумус и почвообра- . зование». СПб., 2001. С. 50-58. 6. Регуляторная роль почвы в функционировании таежных экоси- • стем/Отв. ред. Г. В. Добровольский. М., 2002. 7. Таргульян В. О., Соколов И. А. Структурный и функциональный подход к почве: почва-память и почва-момент / / Математическое моделирование в экологии. М., 1978. 8. Чертов О. Г. Влияние кислотных осадков на лесные почвы // Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. JI. 1990. С. 56-61. 9. Чертов О. Г. Имитационная модель минерализации и гумификации лесного опада и подстилки // Журн. общ. биол. 1985. Т. 46, №6. С. 794-804. 10. Chertov О. G., Komarov A. S. et ai. ROMUL — a model of forest soil organic matter dynamics as a substantial tool for forest ecosystem modeling / / Ecological modeling. 2001. N 138. P. 289-308.11. Cudlin P., GodboU D.L,, Bonifacio E. et al. Conditions of natural regeneration of Norway spruce ecosystems in the Krkonose mountains. In print. 12. Sera В., Falta V., Cudlin P., Chmelikova E. Contribution to knowledge of natural growth and development of mountain Norvay -spruce seedlings. Ecologia (Bratislava). 2000. Vol. 19, N4. P. 420-430. 13. Soukupova L., Rauch 0. Floor vegetation and soil of acidified Picea abies forests in Giant Mountains (Central Europe). N71. Praga; Presila, 1999. P. 257-275.
Статья поступила в редакцию 17 октября 2004 г.
