CC BY
114
УДК 631.41
КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ТЕМНО-СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ ПОД РАЗНЫМИ ЛЕСНЫМИ НАСАЖДЕНИЯМИ и в агроценозе
К.А. Щеглов, Д.Н. Липатов, А.С. Владыченский
(кафедра общего почвоведения; кафедра радиоэкологии и экотоксикологии)
Взаимное влияние почвы и растительного покрова является важнейшим фактором функционирования и саморегуляции наземных экосистем. В почвенных и фитоценологических исследованиях взаимодействие почвы и растительности рассматривается на разных пространственных уровнях: от отдельных почвенных и растительных индивидуумов до ландшафтного и регионального масштаба [3, 6, 8, 10, 12, 13, 16]. В настоящее время характер многих почвенных показателей считается обусловленным фитогенными факторами, что не всегда подкрепляется сравнительным экспериментальным анализом почв разных биогеоценозов с учетом влияния неоднородности почво-образующих пород, климата, мезо- и микрорельефа. В частности, роль растительности в формировании и динамике почвенной кислотности тесно связана с особенностями водного режима почв [13, 17]. Изучение состава обменных катионов почвенного погло-
щающего комплекса под разными растительными формациями является актуальной исследовательской задачей как с точки зрения отражения специфики их биологического круговорота, так и с точки зрения прогноза продуктивности и дальнейшего функционирования этих экосистем. Характер кислотно-основных условий в почвах агроценозов изменяется на этапах сведения леса и разных стадиях сельскохозяйственного освоения, формируя собственные закономерности вертикального и латерального распределения почвенных показателей [4, 5, 12].
Исследования проводились на территории Плавского р-на Тульской обл. Объекты исследования — 3 лесных биогеоценоза (23-й квартал Плавского лесничества): искусственные одновозраст-ные (60-летние, 2 бонитета) насаждения дуба черешчатого, березы бородавчатой и сосны обыкновенной; а также агроценоз с зернотравяным севооборотом (табл. 1). Участки заложены в пределах автоморфного ландшафта, тип мезорельефа — слабопологая вершина межбалочного водораздела. Все 4 контрольных участ-
Таблица 1
Сосняк Дубрава Березняк Агроценоз
Древесный ярус сосна обыкновенная формула 8С1Д1Б; 650 деревьев/га; проективное покрытие 40— 60% дуб черешчатый формула 10Д; 750 деревьев/га; проективное покрытие 60-80% береза бородавчатая формула 9Б1Л; 800 деревьев/га; проективное покрытие 60-80%
Подлесок и подрост рябина обыкновенная, дерен красный, черемуха обыкновенная, жимолость лесная, калина дерен красный, черемуха обыкновенная, дуб череш-чатый, калина, жимолость лесная, малина, рябина обыкновенная липа, черемуха обыкновенная, дуб черешчатый, калина, жимолость лесная, малина, рябина обыкновенная, дерен красный
Травяной ярус проективное покрытие до 20% доминирующие виды: щитовник мужской, гравилат речной, пахучка лесная проективное покрытие 40-60% доминирующие виды: гравилат речной, подмаренник душистый, пахучка лесная проективное покрытие 60-80% доминирующие виды: гравилат речной, сныть обыкновенная, золотарник обыкновенный производственные посевы яровой пшеницы (зерно-травяной севооборот)
Моховой покров проективное покрытие 10-15%, виды Вга^уЛесшт, Еи^упсЫит Единичные куртины видов Вга^уЛесшт Единичные куртины Rhytidiadelphus МдиеО-ш
Почвенный профиль (см) А0(0-3)-А1Е(3-8)-А1(8-24)-АВ(25-46)-В1(46-70)-В2(70-105)-В3Са(105-150)-ВСса(>150) А0(0-2)-А1(2-26)-АВ(26-50)-В1(50-65)-В2(65-101)-В3(101-155)-ВС(155-175)-ВССа(>175) А0(0-1)-А1(1-20)-АВ(20-45)-В1(45-71)-В2(71-90)-В3(90-П3)-ВСа(Ш-150)-ВСса(>150) Апах(0-20)-АВ(20-40)- В1(40-70)-В2(70-90)- ВССа(>90)
Почва темно-серая лесная поверхностно оподзоленная среднесуглинистая на карбонатном покровном суглинке темно-серая лесная средне-суглинистая на карбонатном покровном суглинке темно-серая лесная средне-суглинистая на карбонатном покровном суглинке темно-серая лесная окультуренная среднесуглини-стая на карбонатном покровном суглинке
Характеристика фитоценозов и почв исследованных участков
ка расположены на территории площадью менее 0,05 км2. Такое близкое расположение участков позволяет констатировать их исходную однотипность педогенеза до последнего 50-летнего периода. Почва на всех четырех контрольных участках темно-серая лесная среднесуглинистая на карбонатном покровном суглинке (табл. 1). Сравнительный анализ современного кислотно-основного состояния почв призван выявить индивидуальные изменения, сформированные под влиянием разных лесных насаждений и в агроценозе.
На всех четырех контрольных участках по разрезам глубиной 1,5-2,0 м было изучено морфологическое строение почвенных профилей (табл. 1) и проведен отбор образцов послойно с шагом 10 см. Для исследования латерального варьирования были отобраны почвенные образцы по равномерной сетке с шагом 5 м в 25 точках опробования. При этом в лесных фитоценозах пробо-отбор проведен по слоям 0-5 и 5-15 см горизонта А1, в агроценозе — теми же слоями 0-5и 5-15 см горизонта Апах.
В почвенных образцах по общепринятым методикам [1, 7] определялись различные показатели кислотно-основного состояния: рН водной и солевой вытяжки, обменная и гидролитическая кислотность (по Каппену), обменные катионы Са и М^, обменный А1 (по А.В. Соколову). Дополнительно рассчитывалась степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса основаниями по гидролитической кислотности на основе формулы: V = 8-100%/(8 + Нг), где V— степень насыщенности основаниями, 8— сумма обменных оснований (Са + Mg), Нг — гидролитическая кислотность.
Профильное распределение показателей кислотно-основного состояния почв под разными лесными насаждениями и в агроценозе. Сравнительный анализ вертикального изменения кислотно-основных свойств выявил как общие, так и индивидуальные закономерности дифференциации почвенных профилей в исследованных биогеоценозах. Рассмотренные темно-серые лесные почвы под лесными насаждениями имеют кислую и слабокислую реакцию в верхней части профилей (рис. 1). При этом наибольшая кислотность за-
Рис. 1. Изменение показателей рНН2О (а) и рНКС1 (б) по профилю темно-серой лесной почвы под разными насаждениями: 1 — сосняк, 2 — дубрава, 3 — березняк, 4 — агроценоз
фиксирована в оподзоленном горизонте А1(А1Е) соснового биогеоценоза, в котором значение рНН20 опускается до 5,2 (рис. 1, а), рНКС1 — до 4,2 (рис. 1, б). В горизонтах АВ, В1 и В2 величины рН выравниваются для почв под различными лесными насаждениями, характеризуясь диапазоном 6,0-6,5 по рНН20 и 4,45,0 по рНКС1, причем для березняка и дубравы именно в средней части профиля выявлены наименьшие величины рНКС1. Тенденции профильного изменения рН водной и рН солевой вытяжки сходны.
Для почвы агроценоза, в отличие от лесных участков, отмечается слабокислая (близкая к нейтральной) реакция среды горизонтов Апах и АВ. В середине горизонта Апах зафиксирован рНН20 6,8, затем в нижней части горизонта АВ в интервале глубин 30-50 см резко снижается и достигает величин, характерных для соседних лесных участков (рис. 1, а). Слабая кислотность пахотного горизонта, по-видимому, может быть обусловлена известкованием почвы агроценоза. Кроме того, нельзя не учитывать и подкисляющее влияние лесной растительности на верхние слои почвы, при отсутствии такого влияния в течение 50-летней истории агроценоза показатели кислотности изменяются в сторону нейтральной реакции среды.
В нижней части рассмотренных почвенных профилей темно-серой лесной почвы величина кислотности определяется глубиной залегания карбонатного горизонта. На верхней границе залегания карбонатной толщи ВССа(В3Са) показатель рНводн для всех рассмотренных профилей достигает нейтральной и ниже — щелочной реакции (рис. 1, а). Исследованные биогеоценозы по увеличению глубины линии вскипания (от 90 до 175 см) представляют ряд: агроценоз
< сосняк < березняк < дубрава (табл. 1), который, по-видимому, связан с особенностями водного режима почвы в разных биогеоценотических условиях. При этом более глубокое проникновение влаги может способствовать как опусканию, так и поднятию линии вскипания, а также видоизменению карбонатных новообразований [6]. Для почвы дубравы горизонт ВССа отмечен ниже, чем для остальных участков, поэтому увеличение величины рН вниз по почвенному профилю происходит наиболее постепенно. Для всех остальных профилей отмечено резкое увеличение рН от горизонта В2 или В3 к ВССа.
Профильное распределение обменного Са2+ в профиле темно-серой лесной почвы рассмотренных биогеоценозов имеет сложный характер. В горизонте А1 лиственных насаждений и в горизонте Апах агроценоза зафиксирован одинаково высокий уровень содержания обменного Са2+ 20-21 мг-экв/100 г (рис. 2, а). В сосняке почвенный поглощающий комплекс верхнего органогенного горизонта содержит меньше обменного Са2+ — около 17 мг-экв/100 г, что может быть обусловлено более низким поступлением этого элемента с опадом, кроновыми и стволовыми водами в хвойных лесах [3]. По всем профилям отмечено снижение содержания обменного Са2+ в горизонтах АВ, В1, В2 и последующее увеличение этого показателя в карбонатных горизонтах. Такое профильное распределение обменных оснований является типичным для темно-серых лесных почв различных лесостепных ландшафтов [2]. Наиболее низкие значения содержания обменного Са2+ зафиксированы в нижних горизонтах почвенного профиля под дубовыми насаждениями, что связано с большей выщелоченностью почвенного профиля и глубиной залегания карбонатного горизонта (рис. 2, а). Кривые профильного распределения обменного Са2+ для березняка и агроценоза сходны, что может свидетельствовать о близости почвенно-экологических условий на безлесных территориях и под березовыми насаждениями.
Распределение обменного Mg2+ по горизонтам не идентично распределению обменного Са2+, а на отдельных глубинах для этих элементов отмечены противоположные тенденции. Так, наибольшее содержание Mg2+ в горизонтах А1 и АВ зафиксировано в почве под сосняком, наименьшее — в горизонте Апах агроценоза (рис. 2, б). В средней и нижней части профиля содержание обменного Mg2+ в почвах дубравы, березняка, агроценоза выравнивается на уровне 6,77,7 мг-экв/100 г, тогда как в сосняке для всех почвенных горизонтов глубже 50 см содержание обменного Mg2+ составило 6,0-6,5 мг-экв/100 г.
Гидролитическая кислотность в горизонте А1 лесных участков в несколько раз выше, чем в горизонте Апах агроценоза (рис. 3, а). Максимальная гидролитическая кислотность зафиксирована в горизонте А1(АЕ) почвы сосняка — до 14 мг-экв/100 г. В горизонте АВ и глубже по профилю наименьшая гидро-
Рис. 2. Изменение содержания обменного Са2+ (а) и обменного Mg2+ (б) по профилю темно-серой лесной почвы под разными насаждениями: 1 — сосняк, 2 — дубрава, 3 — березняк,
4 — агроценоз
литическая кислотность получена в почве березняка. Во всех рассмотренных биогеоценозах по горизонтам В1, В2, В3 величина гидролитической кислотности постепенно снижается, приближаясь к нулевому значению в горизонте ВССа.
Изменение степени насыщенности основаниями во многом связано с изменением гидролитической кислотности, что отражается в обратных тенденциях их профильного распределения. Степень насыщенности основаниями увеличивается вниз по всем профилям темно-серой лесной почвы (рис. 3, б). Наиболее резкое увеличение отмечено при переходе от горизонта А1(АЕ) к горизонту АВ: в сосняке — от 63 до 77%, в березняке — от 79 до 86%.
В целом для профильного распределения кислотно-основных показателей в рассмотренных темно-серых лесных почвах отмечается разделение на верхнюю примерно 50-сантиметровую толщу, включающую горизонты А1(А1Е) и АВ, среднюю, представленную горизонтами В1, В2, В3, нижнюю с карбонатными горизонтами В3Са, ВССа. Для каждой из этих частей профиля характерно особое поведение кислотно-основных показателей, их взаимообусловленность, степень различия между биогеоценозами. Кислотно-основное состояние верхних горизонтов почвы индивидуально для отдельных биогеоценозов, глубже такая дифференцированность выравнивается. В результате последней 50-летней истории исследованных биогеоценозов в их почвенных профилях произошли заметные изменения. Произрастание разных древесных пород и сельскохозяйственное использование
Рис. 3. Изменение гидролитической кислотности (а) и степени насыщенности обменными основаниями (б) по профилю темно-серой лесной почвы под разными насаждениями: 1 — сосняк,
2 — дубрава, 3 — березняк, 4 — агроценоз
значительно изменили вертикальное распределение показателей почвенной кислотности и состава обменных катионов, причем именно в верхней части профилей эти изменения наиболее радикальны. В средней и нижней частях профилей темно-серых лесных почв кислотно-основное состояние осталось преимущественно унаследованным от исходного педогенеза и во многом обусловленным залеганием карбонатного горизонта.
Пространственное распределение показателей кислотно-основного состояния почв под различными лесными насаждениями и в агроценозе. Исследование латерального распределения кислотно-основных свойств темно-серой лесной почвы под разными насаждениями включало определение для них статистических характеристик (табл. 2), а также сравнение оценок, полученных для отдельных биогеоценозов, между собой (табл. 3). С использованием критерия Уилка-Шапиро установлено, что распределение всех рассмотренных показателей почвенной кислотности и состава обменных катионов удовлетворяет (а = 0,05) нормальному закону распределения.
Вычисленные средние значения почвенных показателей в верхних горизонтах соответствуют диапазонам, принятым для серых лесных почв. Вместе с тем исследованные почвы Плавского лесничества являются более кислыми и менее насыщенными основаниями, чем модальные темно-серые лесные почвы под целинной лесостепной растительностью [2, 14]. Лесные насаждения видоизменяют кислотно-основные условия в почве, способствуя развитию элювиально-иллювиальной дифференциации. Наиболее
кислая реакция среды формируется под сосновыми насаждениями (табл. 2, 3). Сравнение средних с помощью ^критерия Стью-дента показывает, что по величинам рН водной и солевой вытяжки в верхних горизонтах почв рассмотренные биогеоценозы можно расположить в следующий ряд: сосняк < дубрава < березняк < агроценоз, при этом все различия между средними значимые (а = 0,05). Слабокислым можно считать только пахотный горизонт агроцено-за, для остальных гумусо-во-аккумулятивных горизонтов средние значения рНн20 меньше 6, а рНка меньше 5. Обращает на себя внимание факт неравнозначности влияния лиственных лесов на кислотность: почва дубравы оказалась значимо более кислой, чем почва березняка.
Обменная кислотность в исследованных темно-серых лесных почвах на порядок ниже, чем гидролитическая, но для обоих показателей потенциальной кислотности отмечено сходство особенностей распределения между отдельными биогеоценозами. Максимальная гидролитическая и обменная кислотность в слоях 0-5 и 5-15 см фиксируются в почве под сосновыми насаждениями, минимальная — в почве аг-роценоза. Следует отметить, что зафиксированные уровни гидролитической кислотности в почвах под лесными насаждениями в 1,5-2,0 раза выше, чем в модальных темно-серых лесных почвах, тогда как уровень обменной кислотности не превышает оценок, полученных для темно-серых лесных почв других регионов [14]. Закономерности распределения обменных Н+ и А13+ близки к таковым для формируемого ими показателя обменной кислотности. В почве сосняка содержание катионов Н+ и А13+, обусловливающих обменную кислотность, значимо выше, а в почве агроценоза — значимо ниже, чем в остальных биогеоценозах. Уровень содержания суммы обменных Н+ и А13+ в слое 0-5 см почвы дубравы перекрывается с таковым почвы березняка (табл. 2), в слое 5-15 см среднее значение обменной кислотности в почве березняка значимо выше, чем в почве дубравы (табл. 3).
На состав обменных оснований (Са2+ + Mg2+) наряду с фитогенными значительное влияние оказывают литогенные факторы. Так, на карбонатных породах имеет место увеличение аккумуляции кальция в растительности [8], что может отразиться на содержании обменных оснований в почвенном поглоща-
Таблица 2
Статистические характеристики пространственного распределения кислотно-основных свойств темно-серой лесной почвы в слоях 0-5 и
5-15 см под разными насаждениями (п = 25 для каждого участка)
Участок Среднее Медиана Минимум Максимум Коэффициент
вариации, %
Глубина (см) 0-5 5-15 0-5 5-15 0-5 5-15 0-5 5-15 0-5 5-15
Кислотность рНн20
Сосняк 5,12 5,13 5,15 5,16 4,64 4,68 5,48 5,66 3,7 3,9
Дубрава 5,32 5,53 5,34 5,56 5,12 5,18 5,52 5,80 2,3 2,6
Березняк 5,60 5,64 5,63 5,63 5,17 5,33 5,89 5,98 3,3 3,0
Агроценоз 5,99 6,05 5,98 6,08 5,78 5,72 6,31 6,56 2,7 3,1
Кислотность рНкС1
Сосняк 4,04 4,29 4,04 4,31 3,53 3,96 4,46 4,55 5,8 3,8
Дубрава 4,72 4,64 4,75 4,64 4,49 4,30 4,95 4,94 2,5 2,8
Березняк 4,91 4,75 4,95 4,77 4,48 4,50 5,20 5,09 3,6 3,1
Агроценоз 5,14 5,09 5,10 5,09 4,91 4,80 5,43 5,56 2,7 3,4
Гидролитическая кислотность, мг • экв/100 г
Сосняк 13,10 10,82 12,27 10,80 9,93 7,60 17,93 15,20 19,7 14,9
Дубрава 9,00 9,03 8,80 9,01 7,75 6,52 10,70 11,60 9,6 12,6
Березняк 8,31 7,89 8,28 7,91 6,70 5,70 10,00 9,84 13,7 14,5
Агроценоз 6,14 6,26 6,17 6,28 4,08 3,61 7,38 8,48 15,2 18,8
Обменная кислотность, мг • экв/100 г
Сосняк 0,75 0,34 0,70 0,31 0,34 0,20 1,45 0,63 39,1 31,5
Дубрава 0,29 0,20 0,29 0,19 0,24 0,13 0,38 0,27 13,3 21,3
Березняк 0,28 0,23 0,26 0,25 0,21 0,12 0,41 0,35 22,1 20,7
Агроценоз 0,15 0,14 0,16 0,15 0,10 0,08 0,21 0,23 21,1 24,7
Содержание обменного Н+ , мг • экв/100 г
Сосняк 0,43 0,22 0,40 0,22 0,30 0,15 0,64 0,34 25,8 22,1
Дубрава 0,23 0,12 0,23 0,12 0,17 0,08 0,29 0,18 13,2 27,1
Березняк 0,19 0,16 0,20 0,17 0,08 0,10 0,32 0,25 28,0 20,3
Агроценоз 0,14 0,13 0,15 0,13 0,08 0,08 0,19 0,22 20,7 26,7
Содержание обменного А13+, мг - экв/100 г
Сосняк 0,32 0,12 0,28 0,10 0,03 0,01 0,82 0,29 67,7 68,4
Дубрава 0,06 0,08 0,07 0,08 0,00 0,04 0,15 0,11 48,9 24,0
Березняк 0,09 0,07 0,08 0,06 0,02 0,00 0,20 0,18 58,8 70,3
Агроценоз 0,01 0,01 0,01 0,01 0,00 0,00 0,03 0,04 67,1 69,7
Содержание обменного Са2+, мг - экв/100 г
Сосняк 17,50 18,88 17,80 19,00 13,80 14,00 21,40 21,20 10,7 8,6
Дубрава 21,81 18,87 21,80 18,60 20,00 17,20 24,00 20,90 5,5 5,5
Березняк 21,12 19,67 20,80 19,60 19,00 17,80 24,00 21,80 6,3 5,6
Агроценоз 21,08 21,36 20,80 21,40 20,00 20,10 22,80 22,20 4,2 3,3
Содержание обменного Mg2+, мг-экв/100 г
Сосняк 7,05 6,30 7,00 6,40 3,60 2,80 11,40 9,00 30,8 24,3
Дубрава 5,15 4,67 4,80 4,40 3,00 3,10 9,60 6,80 29,6 23,2
Березняк 5,52 5,42 5,20 5,40 4,00 3,40 8,00 8,20 20,0 24,9
Агроценоз 5,32 5,02 5,46 4,70 2,60 2,38 9,30 8,20 29,5 29,4
Степень насыщенности основаниями, %
Сосняк 65,58 69,98 66,43 69,97 56,83 59,57 74,67 76,25 6,6 5,4
Дубрава 75,02 72,31 74,73 72,37 72,49 66,67 78,91 77,93 2,1 3,7
Березняк 76,24 76,08 76,63 75,52 70,59 71,72 81,34 82,88 3,8 4,0
Агроценоз 81,14 80,83 80,51 80,78 77,45 74,90 87,21 88,35 3,5 4,2
ющем комплексе верхних органогенных горизонтов почвы. Если в отношении показателя степени насыщенности основаниями выявлен тот же ряд, но с обратным порядком, что и для показателей кислот-
ности: сосняк < дубрава < березняк < агроценоз, то в отношении отдельного содержания обменных Са2+ и Mg2+ отмечены более сложные закономерности. По содержанию обменного кальция исследованные
Таблица 3
Сравнение средних (по ^критерию Стьюдента) и дисперсий (по F-кригерию Фишера) кислотно-основных свойств темно-серой лесной
почвы под разными насаждениями
Слой Почвенный показатель Последовательность участков в порядке возрастания показателя Перечень участков со значимым (а = 0,05) различием
Сравнение средних (по ^критерию Стьюдента)
0-5 см Кислотность рНн20 Кислотность рНкс1 Гидролитическая кислотность Обменная кислотность Содержание обменного Са2+ Содержание обменного Mg2+ Степень насыщенности основаниями С<Д<Б<А С< Д<Б<А А<Б<Д< С А<Б<Д< С С<А<Б<Д Д<А<Б<С С<Д<Б<А С<Д С<Д Д<С Д<С С<Д Д<С С<Д ; С<Б ; С<Б ; Б<С ; Б<С ; С<Б ; Б<С ; С<Б С<А; Д<Б; Д<А; Б<А С<А; Д<Б; Д<А; Б<А А<С; Б<Д; А<Д; А<Б А<С; А<Д; А<Б С<А; А<Д А<С С<А; Д<А; Б<А
5-15 см Кислотность рНн20 Кислотность рНкс1 Гидролитическая кислотность Обменная кислотность Содержание обменного Са2+ Содержание обменного Mg2+ Степень насыщенности основаниями С<Д<Б<А С<Д<Б<А А<Б<Д<С А<Д<Б<С Д<С<Б<А Д<А<Б<С С<Д<Б<А С<Д С<Д Д<С Д<С Д<А Д<С С<Д ; С<Б ; С<Б Б<С; Б<С; С<А ; А<С ; С<Б С<А; Д<Б; Д<А; Б<А С<А; Д<Б; Д<А; Б<А А<С; Б<Д; А<Д; А<Б А<С; А<Д; А<Б; Д<Б Б<А; Д<Б; С<Б Б<С; Д<Б С<А; Д<Б; Д<А; Б<А
Сравнение дисперсий (по F-критерию Фишера)
0-5 см Кислотность рНн20 Кислотность рНка Гидролитическая кислотность Обменная кислотность Содержание обменного Са2+ Содержание обменного Mg2+ Степень насыщенности основаниями Д<А<Б<С Д<А<Б<С Д<А<Б<С А<Д<Б<С А<Д<Б<С Б<Д<А<С Д<А<Б<С Д<Б Д<С; А<С; Д<Б Д<С; А<С; Б<С А<С; Д<С; Б<С; А<Б Д<С; А<С; А<Б Д<С; Б<С; Б<А Д<С; А<С; Д<Б; Д<А
5-15 см Кислотность рНн20 Кислотность рНка Гидролитическая кислотность Обменная кислотность Содержание обменного Са2+ Содержание обменного Mg2+ Степень насыщенности основаниями Д<Б<А<С Д<Б<С<А Д<Б<А<С Д<А<Б<С А<Д<Б<С Д<Б<А<С Д<Б<А<С - (нет значимых различий) Д<С; А<С; Б<С А<С; Д<С; Б<С; А<Б Д<С
Обозначения участков: С — сосняк, Д — дубрава, Б — березняк, А — агроценоз. Статистические характеристики для каждого участка приведены в табл. 2.
биогеоценозы проявляют разные тенденции в зависимости от почвенного слоя. Для агроценоза содержание обменного кальция в слоях 0-5 и 5-15 см очень близко вследствие относительной гомогенности пахотного горизонта, составляет 21,1-21,3 мг-экв/100 г (табл. 2). Для почв под участками хвойных и лиственных лесов отмечены противоположные изменения показателя обменного кальция при переходе от поверхностного подподстилочного слоя 0-5 см к более глубокому слою 5-15 см. В сосняке содержание Са2+ в слое 0-5 см минимально — 17,5 мг-экв/100 г, однако уже в слое 5-15 см увеличивается до 18,9 мг-экв/100 г. В лиственных лесах, наоборот сразу под подстилкой в слое 0-5 см содержание Са2+ максимально, а в слое 5-15 см снижается (табл. 2). Особенно отчетливо это проявляется для почвы дубравы, в слое 5-15 см которой содержание обменного кальция не превышает аналогичной величины для сосняка (табл. 3). По-ви-
димому, характер опада лиственных и хвойных лесов оказывает непосредственное влияние не только на химический состав материала почвенной подстилки, но и на дифференциацию верхней подподстилочной части почвенного профиля. Для разных биофильных элементов, в частности для кальция и магния, процессы их высвобождения, вымывания и динамики в верхних органогенных горизонтах почв не вполне идентичны. Так, в отличие от Са2+ по содержанию обменного Mg2+ исследованные биогеоценозы образуют ряд: дубрава < агроценоз < березняк < сосняк, выявленный как для слоя 0-5 см, так и для слоя 5-15 см (табл. 3).
Наряду со статистическими оценками средних уровней кислотно-основных свойств почв исследованных биогеоценозов был изучен показатель степени варьирования — коэффициент вариации (табл. 2). В работах исследователей по разным типам почв выявлено, что варьирование значений рН и степени насыщен-
ности основаниями характеризуется коэффициентами вариации 1-20%; содержание обменных катионов— 20-40% [5, 19], но в отдельных почвенных горизонтах для содержания обменного Mg2+ и А13+ — до 80-100% [13]. В нашей работе для почв отдельных биогеоценозов зафиксированы не высокие уровни вариабельности. Для величин рН и степени насыщенности основаниями полученные коэффициенты вариации не превышали 7% (табл. 2). Для показателей потенциальной кислотности степень варьирования выше: коэффициенты вариации для гидролитической кислотности 10-20%, обменной кислотности— 13-40%. В отношении содержания обменных оснований получены коэффициенты вариации: Са2+ — 3-10%, Mg2+ — 20-31, Н+ — 13-28, А13+ — до 70% (табл. 2). Содержание обменного Са2+ в гумусо-во-аккумулятивном горизонте темно-серых лесных почв оказывается достаточно выровненным в пределах однотипного биогеоценоза в условиях карбонатных почвообразующих пород.
При исследовании структуры почвенного покрова в лесных биогеоценозах [9, 13, 16] главными факторами дифференциации почвы в горизонтальном направлении принято считать парцеллярную структуру леса, вывалы деревьев, зоопедотурбационные явления, а факторами гомогенизации — влияние мохового, травянистого покрова. В нашей работе рассмотрены вопросы изменения неоднородности кислотно-основных свойств почв в разнотипных биогеоценозах. Для участков проводился сравнительный анализ дисперсий с помощью F-критерия Фишера (табл. 3), в случае отклонения условия однородности дисперсий сравнение средних проводилось с раздельным вычислением их дисперсий. Почти по всем исследованным показателям кислотности и состава обменных катионов наибольшие коэффициенты вариации обнаружены для почвы сосняка, при этом дисперсии оказываются значимо более высокими (а = 0,05), чем на остальных участках (табл.3), что указывает на повышенную неоднородность физико-химических свойств в пределах данного биогеоценоза. По-видимому, под сосновыми насаждениями формируются наиболее контрастные условия кислотно-основного состояния почвы. Верхние горизонты исходных темно-серых лесных почв мало изменяются под влиянием растительности лиственных лесов, тогда как под влиянием хвойных наблюдаются более резкие изменения. Это может проявляться в усложнении неоднородности почв, например при наложении парцеллярной структуры нового хвойного или лиственного насаждения на начальную, оставшуюся от коренной дубравы. Согласно полученным экспериментальным данным, в исследованном сосновом биогеоценозе формируются микрозоны с очень высоким уровнем почвенной кислотности: рНкс1 менее 4, гидролитическая кислотность более 15 мг-экв/100 г, степень насыщенности основаниями менее 60% (табл. 2), что выходит за пределы диапазонов, характерных для зональных темно-серых
лесных почв. Именно процессы локального подкис-ления почвы под сосновыми насаждениями привели к фрагментарному появлению горизонта А1Е, зафиксированного в подподстилочном слое 3-8 см при морфологическом описании почвенного профиля (табл. 1). Отметим, что по многим показателям кислотности наименьшая вариабельность зафиксирована для почвы под дубовыми насаждениями (табл. 2). По показателю степени насыщенности основаниями в слое 0-5 см почва дубравы имеет значимо меньшую дисперсию, чем почвы остальных биогеоценозов (табл. 3). По-видимому, влияние современных насаждений дуба на свойства темно-серой лесной почвы оказывается наиболее близким тому, при котором формировалась данная почва в условиях коренной дубравы, и это находит свое отражение в стабилизации неоднородности многих физико-химических свойств почвы.
Особый характер вариабельности кислотно-основных свойств отмечен для почвы агроценоза. По степени варьирования показателей кислотности почва агроценоза мало отличается от почв лесных биогеоценозов. Значимо более низкая вариабельность в почве агроценоза отмечена для содержания обменного Са2+. Именно по этому показателю пахотный горизонт оказывается выровненным в наибольшей степени. Известно, что варьирование обменного Са2+ в почвах лесных биогеоценозов во многом связано с периодичностью расположения древостоя [10], в аг-роценозе такой фактор отсутствует. Кроме того, в почвах агроценозов имеют место дополнительные факторы гомогенизации почвенных свойств, обусловленные перемешиванием пахотного горизонта в ходе сельскохозяйственных обработок.
Таким образом, в исследованных биогеоценозах наблюдается изменение не только средних значений кислотно-основных показателей почвы, но и степени их варьирования.
Анализ кислотно-основного состояния почв под разными лесными насаждениями и в агроценозе с помощью многомерных статистических методов. Многомерные методы статистики неоднократно применялись в ходе анализа отдельных показателей кислотности и состава обменных катионов [11, 18]. В нашей работе экспериментальный материал, охватывающий всю систе-
Таблица 4
Расстояние в многомерном пространстве показателей кислотно-основного состояния между почвами под разными насаждениями
Участок Сосняк Дубрава Березняк Агроценоз
Сосняк 22,9 31,9 45,9
Дубрава 14,5 3,3 9,5
Березняк 11,1 4,2 2,8
Агроценоз 33,0 12,2 6,8
Примечание. Значения квадрата дистанции Махаланобиса: над диагональю — для слоя 0-5 см, под диагональю — для слоя 515 см.
му показателей кислотно-основного состояния почв, обрабатывался с помощью метода главных компонент и дискриминантного анализа.
При анализе главных компонент расчеты велись на основе 5 основных показателей: рНкс1 (актуальная кислотность), гидролитическая и обменная кислотность (потенциальная кислотность), содержание обменных Са2+ и Mg2+ (состав обменных оснований). В табл. 4 приведены оценки расстояний, рассчитанных как квадрат дистанции Махаланобиса, между разными биогеоценозами в 5-мерном пространстве показателей кислотно-основного состояния почв. Полученные результаты свидетельствуют, что сосняк является наиболее удаленным от всех других биогеоценозов по совокупности всех показателей кислотно-основного состояния почвы, особенно в пределах поверхностного слоя 0-5 см. Однако уже на глубине 5-15 см эта контрастность кислотно-основного состояния почвы сосняка сглаживается, в отношении березняка она снижается почти в 3 раза. Оба варианта исследованных лиственных лесов — дубрава и березняк — очень близки друг к другу по кислотно-основному состоянию почвы как на глубине 0-5 см, так и на глубине 5-15 см. Следует отметить, что кислотно-основные свойства почвы агроценоза также довольно контрастны по отношению к таковым почв под лесными насаждениями. Набольшее сходство агроценоз проявляет с березняком, особенно в поверхностном слое 0-5 см (табл. 4).
Для выявления ведущих факторов, определяющих кислотно-основное состояние почвы, а также снижения размерности и оптимизации исходной системы почвенных показателей проводился факторный анализ экспериментальных данных методом главных компонент (табл. 5). Для обоих исследованных почвенных слоев выявлены 3 вектор-фактора, суммирующие кислотно-основные свойства темно-серых лесных почв. Первый вектор-фактор характеризует кислотность почвы в таких ее проявлениях, как рН,
гидролитическая и обменная кислотность. Эти показатели в большинстве случаев оказываются скор-релированными, отображая общий процесс изменения почвенной кислотности. Второй рассчитанный вектор-фактор характеризует преимущественно содержание обменного Mg2+, а именно степень ненасыщенности почвенного поглощающего комплекса этим элементом; третий вектор-фактор — аналогичный параметр содержания обменного Са2+. Исходные точки наблюдений можно представить в трехмерном пространстве рассчитанных вектор-факторов, при этом полученная система координат отражает комплексное изменение различных кислотно-основных условий в верхнем слое почв рассмотренных биогеоценозов (рис. 4). Весь объем исходных выборок можно отобразить их характеристиками распределения, в нашей работе использовались медиана и 10, 25, 75, 90%-е квантили, что позволяет проследить не только средний уровень значений вектор-факторов, но и их диапазон изменения для разных биогеоценозов.
Можно видеть, что кислотно-основное состояние слоя 0-5 см в сосняке в наибольшей степени обособлено от такового в остальных биогеоценозах по вектор-фактору 3, соответствующему низкому уровню содержания обменного Са2+, тогда как диапазон вектор-фактора 1, соответствующего почвенной кислотности, в значительной мере перекрывается с таковым других биогеоценозов. Различия в кислотно-основных условиях в слое 0-5 см под лиственными фитоценозами достаточно четко выражены (рис. 4, а). При этом в качестве главного выступает вектор-фактор 2, отражающий преимущественно содержание обменного Mg2+, в связи с тем что почвенный поглощающий комплекс подподстилочного слоя дубравы обеднен этим катионом. В слое 5-15 см кислотно-основное состояние почв под отдельными лесными насаждениями характеризуется не вполне самостоятельными диапазонами, особенно близко взаиморасполо-
Почвенный показатель Номер фактора
1 2 3
0-5 см 5-15 см 0-5 см 5-15 см 0-5 см 5- -15 см
рНка -0,90 -0,89 0,16 0,07 -0,34 -0,38
Гидролитическая кислотность 0,95 0,90 -0,20 -0,07 0,21 0,32
Обменная кислотность 0,87 0,91 -0,23 -0,16 0,35 0,15
Содержание обменного Са2+ -0,42 -0,36 0,28 0,10 -0,86 0,92
Содержание обменного Mg2+ 0,21 0,11 -0,96 -0,99 0,21 0,08
Доля дисперсии 0,54 0,52 0,22 0,20 0,21 0,23
Характеристика по ведущим факторным нагрузкам Характеризует кислотность: чем выше фактор, тем кислее почва Характеризует ненасыщенность ППК обменным Mg2+ Характеризует ненасыщенность ППК обменным Са2+
Таблица 5
Факторные нагрузки системы показателей кислотно-основного состояния почвы, полученные методом главных компонент
Примечание. Использован метод вращения — нормализованный Уапшах. Выделены ведущие факторные нагрузки.
жение вектор-факторных значений дубравы и березняка (рис. 4, б). Комплекс кислотно-основных условий в пахотном горизонте почвы агроценоза специфичен и во многом отражает влияние агрогенных факторов. Однако конечные интервалы диапазонов его кислотно-основного состояния пересекаются с диапазоном березняков, указывая на сходство их отдельных элементов пространственной неоднородности почвы.
Проведение дискриминантного анализа предварялось оценкой вклада отдельных показателей кислотности и состава обменных катионов в общую дис-криминантую модель [15]. Основываясь на частном критерии Вилкоксона-ламбда и связанном с ним F-критерии удаления переменных, ведущее значение в дискриминации кислотно-основного состояния для обоих исследованных слоев почвы (0-5 и 5-15 см) было выявлено для показателей рНкс1 и степени насыщенности основаниями. Эти два показателя обеспечивают 80-82% корректной дискриминации, тогда как включение в дискриминантный комплекс всех остальных исследованных показателей кислотно-основного состояния почв лишь незначительно улучшает качество дискриминации, не превышая 85% корректной дискриминации. Таким образом, показатели рНкс1 и степени насыщенности основаниями выступают в качестве интегральных. Следует отметить, что степень насыщенности основаниями оказалась более информативным дискриминантным признаком, чем формирующие ее показатели содержания обменных Са2+, Mg2+ и гидролитической кислотности. Поэтому в нашей работе дискриминантные функции были построены на основе показателей рНкс1 и степени насыщенности основаниями (табл. 6). Полученные дискриминанатные функции применимы при классификации кислотно-основного состояния темно-серых лесных почв на карбонатных породах. Такие функции могут использоваться для характеристики кислотно-основных условий почв не только исследованных типов биогеоценозов, но и многих других, например смешанных лесов, вырубок, залежных агроценозов.
Выводы
1. Под 60-летними насаждениями сосны, дуба, березы и сельскохозяйственными культурами агроценоза на темно-серой лесной почве изменения показателей кислотности и состава обменных катионов преиму-
Таблица 6
Классифицирующие дискриминантные функции на основе показателей кислотно-основного состояния для почв под различными лесными насаждениями и в агроценозе
Рис. 4. Кислотно-основное состояние почв под разными насаждениями, отображенное вектор-факторами, полученными методом главных компонент: а — для слоя 0-5 см, б — для слоя
5-15 см
о а Переменная Участок
К о о сосняк дубрава березняк агроценоз
рНКС1 117,3 147,8 163,7 163,2
5 1 0 Степень насыщенности основаниями 1,45 1,02 0,39 0,94
Константа -286,1 -388,7 -417,8 -458,6
рНКС1 215,1 251,5 246,0 267,6
5 Т 5 Степень насыщенности основаниями -2,04 -3,28 -2,70 -3,12
Константа -391,8 -466,6 -483,1 -556,7
щественно охватывают верхнюю часть профиля. В нижней части профиля кислотно-основное состояние более консервативно и в основном обусловлено глубиной залегания карбонатного горизонта.
2. В верхних горизонтах почв лесных фитоцено-зов под культурой сосны формируются более кислые условия, чем под культурами дуба и березы. В этой части профиля изменяется состав обменных катионов ППК: под сосняком, в особенности в подпод-стилочном слое 0-5 см, содержание Са2+ уменьшается, а Mg2+ увеличивается, тогда как под лиственными насаждениями, в особенности под дубравой, в изменении состава ППК отмечается противоположная тенденция.
3. Кислотно-основное состояние почвы агроце-ноза существенно отличается от лесных аналогов, хотя по ряду показателей сходно с березняком. В условиях сельскохозяйственного использования темно-се-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970.
2. Ахтырцев Б.П. Лесные почвы ЦЧО // Лес и почва: Тр. Всесоюз. науч. конф. по лесному почвоведению. Красноярск, 1968.
3. Базилевич Н.И., Шитикова Т.Е. Особенности биогеохимии некоторых лесных ландшафтов различных термических поясов // Почвоведение. 1989. № 7.
4. Басевич В.Ф. Изменение агрохимических показателей подзолистой почвы на начальной стадии сельскохозяйственного освоения // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвовед. 1990. № 2.
5. Башкин В.Н., Алифанов В.М. Варьирование агрохимических показателей в серой лесной почве // Почвоведение. 1981. № 10.
6. Вернандер Н.Б. Влияние лесных полос и массивов на свойства черноземов разных зон // Лес и почва: Тр. Все-союз. науч. конф. по лесному почвоведению. Красноярск, 1968.
7. Воробьева Л.А. Теория и методы химического анализа почв. М., 1995.
8. Головенко С.В., Герасимова М.И., Лазукова Г.Г., Шуй-цев Ю.К. К оценке лесорастительных возможностей ландшафтов Валдая для прогнозирования продуктивности лесной растительности // Почвы и продуктивность растительных сообществ. М., 1981.
9. Дмитриев Е.А., Карпачевский Л.О., Строганова М.Н., Шоба С.А. О происхождении неоднородности почвенного покрова в лесных биогеоценозах // Проблемы почвоведе-
рых лесных почв снижается кислотность и изменяется состав обменных катионов ППК.
4. В пределах отдельных биогеоценозов вариабельность кислотно-основных свойств невелика. Влияние растительных насаждений на пространственное распределение кислотно-основных свойств почвы проявляется в изменении средних уровней кислотности и содержания обменных катионов, а также пространственной неоднородности этих показателей.
5. Кислотно-основное состояние, оцененное на основе комплексной статистической обработки системы показателей кислотности состава обменных катионов, наиболее контрастно между разными лесными биогеоценозами в верхнем подподстилочном слое почвы. Показатели рНкс1 и степень насыщенности основаниями являются наиболее информативными при дискриминации кислотно-основного состояния почв под лесными насаждениями и в агроценозе.
ния: советские почвоведы к XI Междунар. конгр. почвоведов в Канаде. М., 1978.
10. Дмитриев Е.А., Самсонова В.П. О пространственном варьировании содержания обменного кальция в дерново-подзолистой почве под ельником // Науч. докл. высш. школы. Биол. науки. 1975. № 11.
11. Егорова О.Н. Пространственное варьирование величины рН в серых лесных почвах Владимирского ополья: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2004.
12. Карпачевский Л.О. Лес и лесные почвы. М., 1981.
13. Карпачевский Л.О. Пестрота почвенного покрова в лесном биогеоценозе. М., 1977.
14. Кауричев И.С., Панов Н.П., Розов Н.Н., Стратоно-вичМ.В., Фокин АД. Почвоведение. М., 1989.
15. Пузаченко Ю.Г. Математические методы в экологических и географических исследованиях. М., 2004.
16. Регуляторная роль почвы в функционировании таежных экосистем / Под ред. Г.В. Добровольского. М., 2002.
17. Саакян В.Г., Горшкова Е.И. Оценка кислотности почв Нечерноземья по данным полевых и лабораторных измерений // Почвовед. 1986. № 9.
18. Самсонова В.П., Локалина Т.В. Оценка динамики состояния пахотной дерново-подзолистой почвы при помощи многомерных статистических методов // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвовед. 1998. № 4.
19. Соколова Т.А., Дронова Т.Я., Коробова Н.Л. О варьировании некоторых показателей кислотно-основных свойств подзолистых почв в связи с задачами почвенно-химичес-кого мониторинга // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. 14. СПб., 1992.
Поступила в редакцию 18.03.07
ACIDITY AND EXCHANGEABLE BASES IN DARK GREY FOREST SOIL UNDER VARIOUS WOOD PLANTINGS AND AGROECOSYSTEM
K.A. Shcheglov, D.N. Lipatov, A.S. Vladychensky
The paper deals with a comparative study of chemical properties in soils under wood plantings (pine, oak, birch) and agroecosystem. Profile distribution and spatial heterogeneity of pHH2O, pHHCl, potential acidity, exchangeable Ca2+, Mg2+ in soils is described. Discriminant analysis and Principal Components analysis for the characteristic of soil acidity condition in ecosystems is presented.
