CC BY
2
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
УДК 581.5*631.41
DOI:10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-3-50-64
О СРАВНИТЕЛЬНОМ АНАЛИЗЕ СОСТАВА ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИХ ВОД В РАЗЛИЧНЫХ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Л. Г. Богатырев*, В. А. Кузнецов, А. И. Бенедиктова, М. М. Карпухин, В. М. Телеснина, С. А. Борисова, М. С. Кадулин, Г. Р. Глазман, З. С. Ежелев, Н. А. Шнырев, С. А. Бибулатов, В. В. Демин
МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12 * Е-шаП: bogatyrev.l.g@yandex.ru
Проведен сравнительный анализ состава лизиметрических вод за 2021-2022 гг. для двух групп стационарных почвенных лизиметров в условиях города. Первая группа лизиметров образована системой: пар — травяной фитоценоз — зарастающая залежь — ельник — смешанное и широколиственное насаждение, развивающихся на однотипном покровном суглинке. Вторая группа лизиметров представляет собой почвы с различным типом обработки почв: обычная вспашка, сверхглубокий плантаж по Бушинскому, вспашка по Мосолову, глубокая вспашка по Качинскому. Для обеих групп показана однотипная миграция компонентов, при которой наиболее мигрирующими элементами являются углерод, одно- и двухвалентные катионы и хлорид-ион, при минимальной миграции железа, марганца и алюминия.
В группе лизиметров под различными типами растительности по мере становления древесного полога и соответственно увеличения интенсивности биологического круговорота в мигрирующих водах существенно возрастает концентрация таких важнейших биофильных элементов, как магний, кальций, калий и углерод, а среди анионов — хлорид- и сульфат-ионов. Это обусловливает в рамках кластерного анализа две различающиеся подгруппы по составу природных вод: первая образована системой пар — травяной фитоценоз — зарастающая залежь, а вторая объединяет древесные насаждения.
В группе лизиметров с различной обработкой почв выделяется кластер, характеризующий состав вод в лизиметрах с мелиоративной вспашкой по Мосолову и глубокой вспашкой по Качинскому. При этом отдельные совокупности образуют лизиметры с обычной вспашкой и сверхглубоким плантажем по Бушинскому. Это обусловлено тем, что в этой группе лизиметров преобразуется изначально созданная конструкция почвенного профиля, которая характеризуется размещением в различном сочетании и на разной глубине элювиальных и иллювиальных горизонтов почв.
Ключевые слова: лизиметры, миграция элементов, обработка почвы, фитоценозы, биологический круговорот.
Введение
Актуальность лизиметрических исследований в настоящее время общепризнана, начиная от первых работ П.Ф. Баракова [1908] до классических работ Е.И. Шиловой [1972].
Роль лизиметров признана в качестве одного из важнейших интегральных методов исследования почвенных процессов [Никонов и др., 2003; Кулик и др., 2016; Зезин и др., 2020]. Специфика миграции влаги в условиях лизиметров показана на основе многолетних исследований стационарных насыпных лизиметров [Умарова, 2011]. В настоящее время лизиметры как инструмент широко используются при изучении орошения и решении разнообразных мелиоративных и почвенно-экологических проблем [Муромцев, 2009; МсСаие1у, №ск1еу, 2022], в исследованиях баланса влаги, динамики слежения за осадками и эвапотранспирацией [Балкизов, Са-
сиков, 2021; KohfaЫ, Saaltink, 2020; L6pez-Urrea et а1., 2020] и оценке снеготаяния [Шабаев и др., 1985]. Роль лизиметров высока при оценке миграции элементов в условиях современных полигонов [Бер-дников и др., 2007], исследования процессов выветривания [Muniruzzaman et a1., 2021] и изучения роли почвенной структуры в процессе испарения [Мтхт et 2022].
На основе лизиметрических исследований разрабатываются модели стока [Шишкин и др., 2019] и температурного режима [Архангельская, Умарова, 2008].
Итак, к настоящему моменту в отечественной и мировой литературе накоплено значительное количество данных, которые широко используются при прогнозировании поведения различных элементов в системе атмосферные осадки — лизиметрические воды. Этот аспект особенно важен для оценки вопросов роли почвенно-растительного покрова в
© Богатырев Л.Г., Кузнецов В.А., Бенедиктова А.И., Карпухин М.М., Телеснина В.М., Борисова С.А., Кадулин М.С., Глазман Г.Р., Ежелев З.С., Шнырев Н.А., Бибулатов С.А., Демин В.В., 2023
процессах самоочищения на фоне поступающих поллютантов.
Факультет почвоведения давно и последовательно проводит исследования на основе насыпных почвенных лизиметров [Шеин, 1994; Умарова, 2008]. Однако наряду с изучением химического состава лизиметрических вод под различными фито-ценозами до настоящего времени не проводилось сравнительных детальных исследований среднего-дичного состава лизиметрических вод в условиях лизиметров с различной обработкой почвы. Этому вопросу посвящена настоящая работа.
Объекты и методы исследования
Первая группа объектов образует собой серию насыпных лизиметров, характеризующихся различной обработкой почвы. Вторая группа лизиметров представляет последовательную смену растительности: пар — травяной фитоценоз — зарастающая залежь — ельник — смешанное и широколиственное насаждение (табл. 1.). Более подробная характеристика описываемых лизиметров дана ранее [Умарова, 2008].
Таблица 1
Особенности конструкции насыпных лизиметров, характеризующихся различной обработкой дерново-подзолистой почвы
На всех типах лизиметров с различной обработкой почв современная растительность представлена травяным ярусом, который состоит из видов, относящихся к разным эколого-ценотическим свитам [Ниценко, 1969], среди которых преобладает луговая мезофильная — тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), мятлик луговой (Poa pratensis L.), горошек заборный (Vicia sepium L.)., а также
луговая нитрофильная — одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale F.H. Wigg), пырей ползучий (Elytrigia repens (L.) Nevski), причем последний имеет антропогенное происхождение (сеяный газон). Наличие вейника наземного (Calamagrostis epigeos (L.) Roth.), являющегося пионерным видом, говорит о периодическом нарушении поверхности почвы. Многие виды, такие как льнянка обыкновенная (Linaria vulgaris Mill.), лапчатка серебристая (Potentilla argentea L.), характерны для луговой стадии залежей. Единичное возобновление ясеня обыкновенного (Fraxinus excelsior L.) говорит об отсутствии выкашивания в течение нескольких лет.
Вторая группа лизиметров представляет собой последовательный ряд, характеризующийся постепенным возрастанием напряженности биологических процессов, обусловленных закономерной сменой наземного покрова в системе: пар — травяной фитоценоз — зарастающая залежь — еловые насаждения — смешанные и широколиственные насаждения. На участках лизиметров с травяным фитоценозом обнаружено 10 видов, среди которых преобладают пырей ползучий, овсяница луговая (Festuca pratensis Huds) и лисохвост луговой (Alopecuruspratensis L.).
Участки лизиметров в условиях зарастающей залежи характеризуются травяно-кустарниковой растительностью, причем среди молодых деревьев и кустарников встречаются совершенно не типичные виды ни для естественных лесных сообществ, ни для зарастающих естественных залежей, такие как ирга колосистая (Amelanchier spicata (Lam.) K. Koch) и боярышник кроваво-красный (Crataegus sanguinea Pall.).
Напочвенный покров лизиметров под еловыми насаждениями (Picea abies (L.) H. Karst) характеризуется значительной долей мертвопокровных участков, с низким проективным покрытием (2030%), основу которого составляют мхи (Pleurozium schreberi (Willd. ex Brid) Mitt.) и (или) грушанка круглолистная (Pyrola rotundifolia L.) — типичные бореальные виды. Появляются также сорно-руде-ральные виды, например недотрога мелкоцветковая (Impatiens parviflora DC).
Фитоценозы на лизиметрах, занятых смешанными древостоями, состоят из ели и клена плата-новидного (Acer platanoides L.). Здесь характерной чертой живого напочвенного покрова является преобладание луговых и сорно-рудеральных видов (одуванчик лекарственный, недотрога мелкоцветковая) в сочетании с типичными бореальными видами (золотарник обыкновенный, вейник тростнико-видный).
На лизиметрах с широколиственными фито-ценозами, в состав которых входит клен платано-видный и дуб черешчатый (Quercus robur L.), обнаруживается довольно разнообразный подрост из березы и широколиственных пород. Травяной ярус
Тип лизиметра Особенности конструкции
Обычная вспашка Обычная пахота на 20 см с оборачиванием пахотного слоя
л И и fr Сверхглубокий плантаж по Бушинскому Пахотные слои представлены горизонтом В: В2(0-43). В1 (43-65), Е (65-80), Апах (80-100), В2 (100-120), В3 (120-150)
3 я л о С Мелиоративная вспашка по Мосолову Двухъярусная обработка, поверхностный горизонт оборачивается, а горизонты Е и В1 меняются местами: Апах (0-20), В! (20-45), Е (45-60), В2 (60-120), В3 (120-150)
Глубокая вспашка по Качинскому Глубокая вспашка на 32 см с припахиванием горизонта Е
Пар Однотипный покровный суглинок (1,5 м), период почвообразования — 60 лет
л и Травяной фитоценоз
и ^ л Зарастающая залежь
о; л Ельник
о н M Смешанный лес
Широколиственный лес
состоит почти исключительно из ландыша майского (Сопуа11апа та]аШ L.)
Таким образом, древесные сообщества соответствуют по флористическому составу и эколого-це-нотической структуре естественным фитоценозам, за исключением небольшой примеси сорно-руде-ральных видов в травостое. Зарастающим залежным сообществам присуще разнообразие возобновляющихся деревьев и кустарников, видовой состав которых обусловлен влиянием специфической городской среды.
Свойства почв. Для группы лизиметров под различными фитоценозами, характеризуемыми далее как система пар — зарастающая залежь — ельник — смешанный древостой — широколиственный древостой, предварительными исследованиями показано следующее. Установлено, что развитие почв, за исключением ежегодного перекапываемого пара, идет по элювиально-иллювиальному типу, но касается это преимущественно самых верхних горизонтов [Савельев, 2001].
Согласно последующим исследованиям [Богатырев и др., 2021], это обусловлено отсутствием латерального внутрипочвенного стока, который в естественных условиях, особенно в весенний период, может превышать вертикальную миграцию в 5-6 раз. Для указанной группы лизиметров характерна однотипность геохимических спектров, что говорит об однонаправленном изменении содержания важнейших элементов. Так, максимум накопления в верхних горизонтах установлен для почв под широколиственными фитоценозами, при минимальном накоплении в почвах пара. Среди макроэлементов
это особенно заметно для кальция, а среди микроэлементов — для цинка. Наибольшая скорость круговорота на основе расчета подстилочно-опадного коэффициента показана для условий широколиственных фитоценозов, тогда как минимальная — для ельников [Богатырев и др., 2021]. Для группы лизиметров с различным типом обработки установлено, что они тоже формируются по элювиально-иллювиальному типу [Шеин и др., 1994].
Проведение эксперимента. Отбор лизиметрических вод проводился помесячно. Для анализа вручную отбиралось 1-2 л воды, представляющей собой среднюю пробу за каждый месяц исследования. Обсуждаемые в настоящей статье данные приведены для годичного периода с апреля 2021 г. по март 2022 г. Полный 12-месячный цикл отбора лизиметрических вод удалось наблюдать только под лизиметрами с различной обработкой почв. Для лизиметров в условиях различных экосистем подобный годичный отбор провести не удалось в связи с их периодичным характером, что связано с эвапотранспирацией. Периоды миграции лизиметрических вод для двух групп лизиметров показаны в табл. 2. Для условий травяного фитоценоза и пара период миграции составляет 11 месяцев, а для лесных фитоценозов — 4-7 месяцев.
Методы анализа. Степень минерализации лизиметрических вод определялась путем их выпаривания на водяной бане при последующем высушивании полученного остатка до постоянной массы при температуре 105°С. Величина pH лизиметрических вод определялась с помощью рН-метра Hanna рН-213, а электропроводность — кондуктометром
Таблица 2
Периоды миграции лизиметрических вод под разными типами экосистем за период апрель 2021 — март 2022 гг.
Период наблюдения Лизиметры с различной обработкой почв Лизиметры с различными типами растительности и паром
Пар Травяной фитоценоз Зарастающая залежь Еловые насаждения Смешанные насаждения Широколиственные насаждения
апрель 2021 г. + + + + + + +
май 2021 г.
июнь 2021 г.
июль 2021 г.
август 2021 г.
сентябрь 2021 г.
октябрь 2021 г.
ноябрь 2021 г.
декабрь 2021 г.
январь 2022 г. + + + + + + +
февраль 2022 г. + + + + + + +
март 2022 г. + + + + + + +
Примечание: |_| — наличие лизиметрических вод, | + | — периоды, используемые для кластерного анализа.
Hanna DIST 3. Основные макро- и микроэлементы определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на спектрометре Agilent 7500a ICP-MS [ICP-MS..., 2005]. Состав анионов определен на приборе Diones ICS-2000. Разделение анионов осуществлялось на ионообменной колонке с их последующим детектированием с помощью кондуктометрического детектора [Шпигун, Золо-тов, 1990]. Концентрации C и N определяли на анализаторе Shimadzu TOC-VCPN.
Статистическая обработка данных по химическому составу лизиметрических вод была проведена в программе Statistica. Были рассчитаны 95% доверительные границы средних арифметических характеристик лизиметрических вод. В целях выявления групп однородных по химическому составу лизиметрических вод мы использовали кластерный анализ. В основу анализа были положены данные о составе природных вод за период январь-февраль-март-апрель обеих групп лизиметров. При проведении кластерного анализа использовался метод Варда с использованием евклидова расстояния. При использовании данного метода формируются кластеры малого размера, что позволило получить более контрастную картину сходства и различия сравниваемых лизиметрических вод. Для проведения корректных расчетов отбирались данные, характеризующие однотипные периоды миграции (табл. 2).
Для этого периода, во-первых, свойственен минимальный вклад живого напочвенного покрова в состав и объем лизиметрических вод, обусловленный отсутствием полноценной эвапотранспи-рации, и, во-вторых, характерна низкая скорость процессов разложения, обусловленная погодными условиями. Этот период включал зимне-весенний
сезон. В частности, указанный период (январь -апрель) характеризуется повышением температур и снижением высоты снежного покрова (табл. 3).
Результаты
О составе лизиметрических вод в условиях различной обработки почв. Результаты, представленные в табл. 4, показывают, что среднегодовые характеристики лизиметрических вод в условиях лизиметров с различной обработкой почвы по некоторым параметрам близки между собой. Так, установлены близкие величины показателей среднегодовой кислотности и электропроводности. По степени минерализации и величине суммы ионов лишь для вод лизиметра с обычной вспашкой характерны значимо более высокие величины этих показателей. По содержанию органического углерода достоверные различия между средними, характеризующими лизиметрические воды при различной обработке почв, установить не удалось, что связано с однотипным характером растительности и процессов трансформации органических остатков.
В наибольшей степени среди всех лизиметрических вод обращают на себя внимание воды для условий обычной вспашки почв и глубокой вспашки по Качинскому. Оказалось, что в годичном цикле для ряда компонентов содержание значимо выше в водах лизиметров с обычной и глубокой вспашкой по Качинскому. Похожая закономерность наблюдается для азота, хлорид-иона, нитрат-иона, сульфат-иона и магния, бария и натрия, что свидетельствует о более высокой их подвижности в этих условиях. Меньшая миграционная способность и значимо более низкие величины их содержания характерны для вод лизиметров, конструкция которых имитирует мелиоративную вспашку по Мосолову. При
Таблица 3
Некоторые характеристики погодных условий г. Москвы за период апрель 2021 — март 2022 гг.
Год Месяц Среднемесячная температура воздуха, °C Минимальная температура воздуха, °C Максимальная температура воздуха, °C Количество выпавших осадков, мм Средняя высота снежного покрова, мм
2021 апрель 7,5 -1,7 +22,6 90 6,4
2021 май 14,3 +0,4 +30,8 93 -
2021 июнь 20,5 +4,0 +34,8 63 -
2021 июль 22,2 +11,4 +34,1 43 -
2021 август 19,5 +8,2 +30,9 110 -
2021 сентябрь 9,9 +0,7 +23,1 85 -
2021 октябрь 6,4 -2,7 + 13,8 40 -
2021 ноябрь 2,3 -6,9 + 12,3 66 1,3
2021 декабрь -7,0 -22,2 +2,3 54 18,2
2022 январь -5,4 -19,0 +2,0 59 35,4
2022 февраль -0,9 -10,9 +5,0 34 34,1
2022 март -0,7 -14,1 + 11,9 13 13,4
этом не было обнаружено достоверных различий в содержании общего углерода, калия, кальция, а среди анионов в эту группу входят фтор и бикарбо-натный ион.
В группе микроэлементов достоверные различия по лизиметрам обнаружены только для содержания меди, максимальное количество которой было установлено для вод, мигрирующих в условиях лизиметров с сверхглубоким плантажем по Бу-шинскому, тогда как по остальным микроэлементам достоверной разницы в содержании установить не удалось.
Среди макроэлементов в лизиметрических водах натрий несколько превышает содержание кальция и магния, которые занимают второе и третье место соответственно. Среди анионов, наряду с бикарбонатным и сульфат-ионом, существенное место принадлежит нитрат-иону, чье содержание составляет один порядок с названными анионами. Содержание хлорид-иона в среднем почти в два раза уступает содержанию бикарбонат-ного иона и сульфат-иона. Отметим, что концентрации углерода и азота в среднем за год характеризуются близкими величинами. Среди микроэлементов
Таблица 4
Среднегодовое содержание элементов и анионов в лизиметрических водах в условиях различных обработок почвы за период апрель 2021 — март 2022 гг.
Компоненты Среднегодовое значение (п = 12) Среднегодовые параметры по всем лизиметрам (П=48)
Обычная вспашка Сверхглубокий плантаж по Бушинскому Мелиоративная вспашка по Мосолову Глубокая вспашка по Качинскому
М±гш
рн 6,66±0,24 6,76±0,21 6,74±0,18 6,73±0,17 6,72±0,09
Электропроводность, мСм-см-1 0,11±0,01 0,07±0,01 0,07±0,01 0,09±0,01 0,09±0,01
Минерализация, мг-л-1 95,37±7,01 58,57±9,53 63,13±13,37 77,13±13,31 73,55±6,48
Сумма элементов и ионов, мг-л-1 94,82±4,04 56,15±4,25 58±7,38 80,03±5,15 72,25±5,28
Макроэлементы, мг-л-1
С 2,37±0,38 2,75±0,52 2,27±0,34 2,12±0,45 2,38±0,20
N 3,32±0,87 1,87±0,68 0,91±0,15 2,96±0,38 2,27±0,38
№ 10,83±0,33 5,39±0,51 5,52±0,56 8,56±0,74 7,58±0,71
Мд 1,90±0,08 1,25±0,18 1,38±0,18 1,65±0,12 1,55±0,10
К 1,04±0,31 0,84±0,24 1,31±0,60 1,69±0,82 1,22±0,26
Са 6,60±0,29 5,85±1,97 5,45±0,81 6,18±0,59 6,02±0,51
Б- 0,15±0,05 0,14±0,04 0,21±0,07 0,16±0,05 0,16±0,02
С1- 10,13±1,65 2,13±0,37 2,25±0,43 6,15±1,26 5,17±1,08
N0^ 16,23±5,62 8,65±4,53 3,10±0,96 14,29±2,97 10,57±2,30
80/- 20,49±1,80 10,45±1,63 16,48±1,57 15,51±1,50 15,73±1,27
нсо3- 14,37±1,28 14,44±0,96 13,57±0,95 14,73±1,76 14,28±0,63
81 9,67±1,97 4,65±1,67 7,68±2,44 8,38±2,31 7,59±1,08
Микроэлементы, мкг-л-1
А1 43,78±37,65 71,01±37,77 45,04±30,72 33,8±28,41 48,41±15,52
Мп 2,89±1,89 1,81±1,43 5,79±6,05 17,05±23,63 6,88±5,70
Бе 21,88±20,42 44,5±22,75 26,79±19,10 18,25±15,07 27,85±9,13
Си Сл. 1,1±0,48 0,29±0,34 0,17±0,25 0,39±0,19
Zn 4,80±2,12 4,38±5,23 2,16±2,10 5,37±3,22 4,18±1,55
8г 27,29±1,65 25,75±6,71 27,28±5,85 28,05±4,29 27,09±2,23
Ва 15,86±1,35 7,42±2,25 9,48±2,58 13,43±2,09 11,55±1,35
Примечание: М±1ш, где М — среднее арифметическое, ±1ш — доверительный интервал среднего для уровня значимости 0,05 (здесь и далее).
Таблица 5
Среднегодовые коэффициенты водной миграции по Перельману для лизиметров в условиях различной обработки почв за период апрель 2021 — март 2022 гг.
Миграция Обычная вспашка Сверхглубокий плантаж по Бушинскому Мелиоративная вспашка по Мосолову Глубокая вспашка по Качинскому
Очень сильная 10-100 М1872>01б30>С110 N 1796>С1221 >С214 ^05>С12!9>С!63 ^256>С1473>С123
Сильная 1-10 ^з,8>Бз,6> Са2,5>ЗГ!3>М&,2^Пи р5,0>^з,7>Са2,з>8ги> М&,2 Na4,7>Fз,0>Ca2,2>Mgl,2>
Средняя 0,1-1 8г0,85>^0,65>К0,45>§0,35> Ва0,26 К0,58>Си0,45>^0,27>Ва0,19 К0,82>^0,58>§10,4!>Ва0,23 ^0,93>К0,83>§10,37> Ва0,27>МП0,20
Слабая и очень слабая <0,09 Мп0,0з>А10,01>Ре0,005> Си0,00 МП0,04>Бе0,0!7>А10,0!5 Мп0,09>Си0,08>Бе0,0!> А10,01 Си0,04>А10,005>^0,004
в годичном цикле отмечается явное преобладание содержания алюминия, за которым следуют железо, марганец и цинк. При этом содержания железа и стронция весьма близки между собой (табл. 4). Интересно отметить довольно высокие концентрации кремния, составляющие один порядок с натрием. Воды в целом можно характеризовать как слабокислые бикарбонатно-сульфатно-натриево-каль-циевые.
Расчет среднегодовых коэффициентов водной миграции (табл. 5) показал, что в группе очень сильно мигрирующих компонентов при всех условиях обработки находятся водорастворимый азот, углерод и хлорид-ион. В группе сильно мигрирующих компонентов первые три места независимо от типа обработки принадлежат натрию, кальцию и магнию, а среди анионов — фтору. Эта закономерность характерна для лизиметрических вод при обычной обработке почв. В условиях остальных типов обработки к последней группе присоединяются стронций, магний и цинк.
К группе со средней миграционной способностью относится калий, что характерно для всех типов лизиметрических вод. В дополнение к калию близкие величины коэффициентов водной миграции установлены для бария, который обнаруживает тяготение к этой группе во всех лизиметрических водах. Отмечается близкая подвижность кремния, цинка и сульфат-иона, которые можно отнести к группе со средней миграционной способностью.
Закономерно, что в группу со слабой и очень слабой миграционной способностью отнесены такие элементы, как железо, алюминий и марганец, а для некоторых вариантов вспашки принадлежность к этой группе установлена для меди.
О составе лизиметрических вод в системе лизиметров пар — травяной фитоценоз — зарастающая залежь — древесные насаждения. Совершенно иная картина характеризует лизиметрические воды в системе пар — травяной фитоценоз — зарастающая залежь - ельник — смешанный — широколиственный фитоценоз (табл. 6). Характерной особенностью в этом ряду лизиметров является
закономерное возрастание роли живого наземного покрова, о чем уже говорилось в разделе, посвященном описанию объектов. Независимо от типа насаждений лизиметрические воды характеризуются близкими величинами кислотности и электропроводности.
Общая минерализация в среднем закономерно увеличивается в ряду лизиметров пар — широколиственные насаждения, но достоверных различий этой величины в лизиметрических водах под различными насаждениями в годичном цикле установить не удалось, что обусловлено высоким варьированием этого показателя. Тем не менее отмечается увеличение степени минерализации в водах лизиметров в условиях зарастающей залежи по сравнению с водами под паром.
В широколиственном и смешанном лесу по сравнению с остальными лизиметрами значимо возрастает содержание органического углерода, азота, натрия, магния, калия, хлорид-иона, сульфат-иона. По сравнению с лизиметром под паром содержание гидрокарбонат-иона в лизиметрических водах значимо выше во всех лизиметрах под различными фитоценозами. В свою очередь, содержание алюминия, железа и кремния в лизиметрических водах под фитоценозами закономерно снижается в ряду пар — широколиственный лес, а содержание микроэлементов меди, цинка, стронция и бария имеет тенденцию к некоторому возрастанию.
Среди важнейших элементов, которым принадлежит ведущее значение в годовом цикле, отметим калий, натрий, углерод, кальций и магний. Среди анионов ведущее место по содержанию принадлежит бикарбонатному иону, за которым следуют хлорид- и сульфат-ион. Содержание нитрат-иона, наиболее подвижного среди анионов, если не считать хлорид-иона, в среднем за год не превышает 1 мг-л-1. В еще меньшей концентрации обнаружено содержание фторид-иона. Среди микроэлементов ведущее место по содержанию после кремния принадлежит алюминию, затем железу. За этими элементами со значительным снижением концентрации следуют стронций, цинк, барий, марганец и медь.
Таблица 6
Среднегодовое содержание элементов и анионов в лизиметрических водах в условиях пара, травяного фитоценоза, зарастающей залежи и древесных насаждений (еловые, смешанные, широколиственные)
за период апрель 2021 - март 2022 гг.
Компоненты Среднегодовое значение
Пар (n=11) Травяной фитоценоз (n=11) Зарастающая залежь (n=7) Еловые насаждения (n=4) Смешанные насаждения (n=5) Широколиственные насаждения (n=9) Средне годовые параметры по всем лизиметрам (П=47)
рн 6,45±0,24 6,36±0,16 6,33±0,28 6,29±0,63 6,34±0,34 6,25±0,21 6,35±0,09
Электропроводность, мСм-см-1 0,07±0,02 0,16±0,15 0,26±0,14 0,34±0,46 0,31±0,15 0,28±0,07 0,21±0,05
Минерализация, мг-л-1 169,36±39,58 149,92±47,41 329,43±147,93 290,58±368,57 556,82±226,07 388,11±100,59 281,05±53,10
Сумма элементов и ионов, мг-л-1 73,86±8,98 96,25±13,74 168,4±58,06 103,19±11,55 202,4±58,44 239,86±24,62 140,55±21,10
Макроэлементы, мг-л-1
C 1,95±0,46 3,35±0,59 5,67±1,80 3,98±1,13 16,28±4,66 16,89±6,42 7,55±2,21
N 0,32±0,14 0,28±0,05 0,59±0,19 0,87±0,72 1,03±0,33 0,79±0,25 0,57±0,11
Na 4,80±0,62 5,93±0,62 10,93±5,38 6,77±3,07 12,78±5,12 19,24±3,67 9,73±1,85
Mg 1,57±0,34 2,48±0,68 6,23±2,94 1,56±0,60 8,69±3,64 8,02±3,25 4,43±1,10
K 4,04±1,93 6,73±2,98 13,89±8,12 7,7 0±1,87 25,09±5,73 25,47±8,29 12,77±3,18
Ca 2,96±1,35 4,67±1,62 12,95±18,72 2,56±1,32 5,04±0,97 15,02±7,96 7,22±2,68
F- 0,08±0,02 0,07±0,02 0,07±0,06 0,06±0,02 0,07±0,02 0,15±0,06 0,09±0,02
Cl- 3,64±0,79 4,46±1,78 35,27±44,56 8,09±5,12 38,32±5,88 60,47±18,02 23,24±8,53
NO3- 0,47±0,59 0,09±0,10 0,51±0,57 2,1±1,62 1,39±1,25 0,72±0,39 0,67±0,26
SO42- 9,22±3,16 6,11±1,05 20,2±10,97 8,99±5,19 36,87±28,52 27,66±9,07 16,5±4,27
HCO3- 22,94±3,21 48,32±4,37 55,7±24,73 45,28±10,38 39,98±12,15 47,71±4,67 42,35±4,50
Al 3,69±1,55 2,54±0,58 1,70±1,26 2,04±2,83 1,14±1,24 1,87±1,95 2,38±0,57
Si 19,68±3,54 13,62±2,00 12,41±4,60 11,93±3,47 14,94±4,00 14,10±2,47 15,00±1,36
Fe 2,77±1,31 1,85±0,40 1,07±0,83 0,97±1,76 0,34±0,26 1,24±0,99 1,61±0,42
Микроэлементы, мкг-л-1
Mn 13,45±4,89 10,20±4,27 12,49±6,55 17,62±22,79 45,72±36,86 37,75±31,51 21,17±7,23
Cu 4,38±2,44 3,11±1,50 3,74±1,24 1,46±3,01 4,35±3,35 6,98±3,48 4,24±1,00
Zn 36,5±17,75 21,97±13,93 96,44±57,89 136,31±265,52 57,32±43,61 132,42±120,24 70,55±28,21
Sr 27,32±6,10 46,33±14,27 265,46±204,82 113,38±172,57 232,79±109,43 247,69±133,92 135,86±43,94
Ba 36,95±23,71 54,13±48,08 104,35±104,76 30,81±50,81 91,98±104,49 90,18±55,43 65,71±20,75
Расчет коэффициентов водной миграции для этой группы лизиметров обнаруживает почти такую же картину, которая была получена для лизиметрических вод, формирующихся в различных условиях обработки (табл. 7).
Если среднегодовое содержание компонентов в лизиметрических водах в условиях пара (табл. 8) принять за единицу, то в последовательном ряду травяной фитоценоз — зарастающая залежь — ельни-
ки — смешанные — широколиственные фитоценозы содержание элементов неуклонно возрастает.
Для лизиметров с различной обработкой почв были получены наиболее полные данные по составу лизиметрических вод, что послужило основой для расчетов коэффициентов корреляции в системе элементов по Спирмену (табл. 9). Из табл. 9 видно, что наиболее низкие корреляционные связи отмечены для лизиметра, который моделирует условия сверх-
Таблица 7
Среднегодовые коэффициенты водной миграции по Перельману для лизиметров в условиях различных экосистем (в системе пар — широколиственные насаждения) за период апрель 2021 — март 2022 гг.
Миграция Пар Типы экосистем
Травяной фитоценоз Зарастающая залежь Еловый лес Смешанный лес Широколиственный лес
Очень сильная 10-100 С1ш>^9>С53 С1187>С108>^04 С1622>^18>С85 С1309>^82>С101 С1456>С154>^16 С1983>С215>^18
Сильная 1-10 Zn2>4>Naц Zn1,9>Na1,8>K1,75> Са1,019>^г1,018 Znз 8>5Г3 0>К 9> ^1,5>М&Д' Zn5,o>Sr2,6>Kl,8> Nal,5 ^и>М&,05' Zn4,0>K2,8>Na2,2> Srl,9>Mgl,2>Cal,l
Средняя 0,1-1 К0,95>Р0,68> Си0,50>Мд0149> Са0,44>^0,43> ^0,37>^е0,32> Ва0,31>А10,25 М-§0,99>-^0,93> Ва0,б1>Си051> ^0,36>^е0,30> А10,24 Са0,96>Ва0,67> р0,40>Си0,30> ^0,14 р0,50>М&,45> Ва0,39>Са0,36> ^0,24>Си0,20> А10,13>Ре0,10 Са0,27>Ва0,23> ?0,21>Си0,17> Si0,11 ?0,69>Си0,43> Ва0,36>^0,14> МП0,10
Слабая и очень слабая <0,09 МП0,072 МП0,08 Ре0,09>А10,08>МП0>05 Мп0,096 Mno,o9>A1o,oз>Feo,o2 ^е0,09>А10,08
Таблица 8
Относительные коэффициенты содержания элементов и анионов в условиях различных обработок почвы и различных типов экосистем по отношению к пару (принятому за 1) за период апрель 2021 — март 2022 гг.
Электропровод-ность Мине-рали-зация C N № Mg K Ca Р а- SO42- HCO3 Al Si Mn Fe Zn Sr Ba
Лизиметры с различной обработкой почв
Обычная вспашка 1,6 0,6 1,2 10,4 2,3 1,2 0,3 2,2 1,9 2,8 34,9 2,2 0,6 <0,1 0,5 0,2 <0,1 <0,1 <0,1 1,0 0,4
Сверхглубокий плантаж по Бушинскому 0,9 0,3 1,4 5,9 1,1 0,8 0,2 2,0 1,8 0,6 18,6 1,1 0,6 <0,1 0,2 0,1 <0,1 0,3 <0,1 0,9 0,2
Мелиоративная вспашка по Мосолову 1,0 0,4 1,2 2,9 1,2 0,9 0,3 1,8 2,8 0,6 6,7 1,8 0,6 <0,1 0,4 0,4 <0,1 0,1 <0,1 1,0 0,3
Глубокая вспашка по Качинскому 1,3 0,5 1,1 9,3 1,8 1,1 0,4 2,1 2,1 1,7 30,7 1,7 0,6 <0,1 0,4 1,3 <0,1 <0,1 <0,1 1,0 0,4
Лизиметры с различными типами экосистем
Пар 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
Травяный фитоценоз 2,2 0,9 1,7 0,9 1,2 1,6 1,7 1,6 1,0 1,2 0,2 0,7 2,1 0,7 0,7 0,8 0,7 0,7 0,6 1,7 1,5
Зарастающая залежь 3,6 1,9 2,9 1,9 2,3 4,0 3,4 4,4 0,9 9,7 1,1 2,2 2,4 0,5 0,6 0,9 0,4 0,9 2,6 9,7 2,8
Еловый лес 4,8 1,7 2,0 2,7 1,4 1,0 1,9 0,9 0,8 2,2 4,5 1,0 2,0 0,6 0,6 1,3 0,3 0,3 3,7 4,1 0,8
Смешанный лес 4,3 3,3 8,3 3,2 2,7 5,5 6,2 1,7 0,9 10,5 3,0 4,0 1,7 0,3 0,8 3,4 0,1 1,0 1,6 8,5 2,5
Широколиственный лес 3,9 2,3 8,6 2,5 4,0 5,1 6,3 5,1 2,0 16,6 1,5 3,0 2,1 0,5 0,7 2,8 0,4 1,6 3,6 9,1 2,4
Примечание: Относительные коэффициенты содержания элементов и анионов являются безразмерными, так как рассчитаны как отношение величины свойства в условиях различной обработки почвы и различных типов экосистем к величине соответствующего параметра для лизиметрических вод пара.
Таблица 9
Коэффициенты корреляции (Спирмена) между параметрами, характеризующими состав лизиметрических вод в условиях различных обработок почвы и различных типов экосистем за период апрель 2021 - март 2022 гг. (п=12, р<0,05)
Параметры Обычная вспашка Сверхглубокий плантаж по Бушинскому Мелиоративная вспашка по Мосолову Глубокая вспашка по Качинскому Для всех лизиметров (n=48)
Минерализация / Сумма компонентов 0,70 0,73 0,62 0,80 0,81
Na/Mg 0,66 0,94 0,88 0,85 0,93
Na/Sr 0,57 0,84 0,90 0,91 -
Mg/Ca 0,84 0,95 0,97 0,93 0,89
Mg/Sr 0,87 0,84 0,99 0,92 0,66
Mg/Ba 0,75 0,80 0,97 0,87 0,94
Ca/Sr 0,84 0,85 0,97 0,90 0,82
Ca/Ba 0,59 0,88 0,91 0,78 0,84
F-/Cl- 0,58 - 0,98 0,87 -
F7SO42- 0,62 0,91 0,94 0,70 -
F-/Al 0,83 0,57 0,66 0,69 0,64
F-/Si 0,91 0,95 0,96 0,97 0,78
F-/Fe 0,83 0,60 0,66 0,69 0,63
F-/Sr 0,82 0,64 0,99 0,97 0,70
F-/Ba 0,80 0,61 0,94 0,87 -
Cl-/SO42- 0,90 - 0,73 0,78 0,71
ClVAl 0,66 - 0,79 0,71 -
Cl'/Si 0,69 - 0,68 0,62 0,63
ClVFe 0,66 - 0,80 0,71 -
Cl'/Ba 0,66 0,66 0,70 0,69 0,86
NO3/N 0,97 1,00 0,57 0,97 0,97
SO42-/Al 0,70 - 0,73 0,63 -
SO42-/Si 0,78 0,92 0,93 0,80 0,82
SO42-/Fe 0,70 - 0,72 0,63 -
SO42-/Sr 0,60 0,66 0,93 0,73 -
SO42-/Ba 0,74 - 0,92 0,85 0,81
Al/Si 0,84 - 0,77 0,73 -
Al/Fe 1,00 0,97 0,99 1,00 0,99
Al/Sr 0,66 - 0,73 0,67 -
Al/Ba 0,73 - 0,79 0,63 -
Si/Fe 0,84 0,57 0,75 0,73 -
Si/Sr 0,80 0,67 0,97 0,94 0,74
Si/Ba 0,90 - 0,97 0,90 0,83
Fe/Sr 0,66 - 0,72 0,67 -
Fe/Ba 0,73 - 0,80 0,63 -
Sr/Ba 0,86 0,71 0,94 0,89 0,66
Мода 0,66 - 0,97 0,63 0,81
Примечание: «-» — коэффициент корреляции <0,5. Для микроэлементов это положение касается стронция, цинка и марганца, в меньшей степени — других элементов. Среднегодовые величины содержания компонентов в лизиметрических водах позволяют отнести воды к бикарбонатно-хлоридно-калиево-натриевому классу.
глубокого плантажа по Бушинскому. Показатель моды коэффициента корреляции для пар элементов и ионов в водах лизиметров, конструкция которых имитирует обычную и глубокую вспашку по Ка-чинскому, также невелика. Наиболее тесная связь между выбранными парами характерна для вод лизиметров с мелиоративной вспашкой по Мосолову. Конструктивной особенностью этого лизиметра является более близкое залегание к поверхности иллювиального горизонта, что приводит к более полному выщелачиванию и обусловливает такой тесный характер связи между элементами и ионами в лизиметрических водах.
Обсуждение
Сравнение двух групп принципиально различных насыпных лизиметров, одна из которых характеризуется разными приемами обработки земли, тогда как для другой свойственна нарастающая интенсивность биологического круговорота в ряду: пар — травяной фитоценоз — зарастающая залежь — древесные насаждения, позволило определить закономерности, обусловливающие сходство и различие сравниваемых групп.
Для обеих сравниваемых групп важнейшим фактором, обусловливающим функционирование лизиметров, является однотипность минеральной матрицы — покровный суглинок, на котором происходит почвообразование в пределах сравниваемых групп лизиметров. На этом фоне существенно отличается система лизиметров с различной обработкой почвы. Так, если в условиях последовательного ряда лизиметров пар — травяной фитоценоз — зарастающая залежь — ельник — смешанный — широколиственный тип леса почвообразование происходит на однородной минеральной матрице, то для ряда лизиметров с различной обработкой почв изначально использована специализированная конструкция, предусматривающая различное положение элювиальных и иллювиальных горизонтов. Отсюда совершенно понятно, что формально в эволюционном отношении почвообразование в условиях различной обработки почв представляет собой вариант, для которого теоретически мы имеем более далеко зашедшую стадию почвообразования по сравнению с лизиметрами под растительностью, где подобных горизонтов, в первую очередь, элювиальных, за исключением признаков слабого оподзолива-ния, и тем более серии иллювиальных горизонтов не наблюдается. Этим объясняется существенное различие лизиметрических вод двух групп лизиметров, которое было установлено при проведении кластерного анализа. Подчеркнем, что в кластерном анализе использовались данные за период, в течение которого для всех лизиметров была отмечена миграция лизиметрических вод. В связи с этим приводим таблицу, в которой рассчитаны средние
величины компонентов лизиметрических вод за период, в который проводился кластерный анализ (табл. 10).
Дендрограмма кластерного анализа химического состава вод изучаемых насыпных почвенных лизиметров представлена на рис. 1. Единую подгруппу по химическому составу образовали лизиметрические воды для условий пара, зарастающей залежи и травяного фитоценоза. Одновременно лизиметрический состав вод под древесными насаждениями, в свою очередь, образовал другую подгруппу, что вполне логично, так как в этом случае группы разделяются по типу круговорота, одна из них тяготеет к травяным экосистемам, тогда как вторая полностью принадлежит к лесным экосистемам. Группировка, характеризующая различные виды вспашки, обусловлена степенью изменения строения почвенного профиля, при которой отдельную подгруппу образуют, с одной стороны, лизиметрические воды при глубоком плантаже по Бушинскому, для которого характерно включение в пахотный слой серии иллювиальных горизонтов, а с другой — аналогичные воды в лизиметрах при обычной вспашке. Отдельную подгруппу формируют лизиметрические воды, сходные по составу, — в лизиметрах при глубокой вспашке по Качинскому и мелиоративной вспашке по Мосолову.
В связи с тем, что почвообразование для обеих групп лизиметров независимо от устройства и строения почвенного профиля разворачивается на фоне гумидного климата, характерного для условий хвойно-широколиственных лесов, и происходит на едином покровном суглинке, установлена однотипность коэффициентов водной миграции, при которых углерод и азот в обеих группах, в том числе хлорид-ион, отнесены к наиболее мигрирующим компонентам. Закономерно, что одно- и двухвалентные ионы, в том числе цинк, вошли в группу сильно
Метод объединения - Метод Уорда (Варда) Мера расстояния - Евклидово расстояние
Обычная вспашка Мелиоративная вспашка по Мосолову Глубокая вспашка по Качинскому Сверхглубокий плантаж по Бушинскому Пар
Зарастающая залежь Травяный фитоценоз Еловый лес Смешанный лес Широколиственный лес
О 4000 8000 12000 16000 2000 6000 10000 14000
Расстояние связи
Рис. 1. Дендрограмма кластерного анализа химического состава вод насыпных почвенных лизиметров при различной обработке почвы и под различными экосистемами
о\ о
Таблица 10
Характеристика лизиметрических вод в различных почвенно-растительных условиях за период январь - апрель
Компоненты Среднегодовое значение
Пар (п = 4) Обычная вспашка (п = 4) Сверхглубокий плантаж по Бушинскому (п = 4) Мелиоративная вспашка по Мосолову (п = 4) Глубокая вспашка по Качинскому (п = 4) Травяной фитоценоз (п = 4) Зарастающая залежь (п = 4) Еловые насаждения (п = 4) Смешанные насаждения (п = 4) Широколиственные насаждения (п = 4)
рН 6,33±0,46 6,80±0,13 6,78±0,30 6,83±0,15 6,83±0,15 6,33±0,35 6,19±0,21 6,29±0,63 6,40±0,43 6,29±0,36
Электропроводность, мСм-см1 0,09±0,04 0,11±0,01 0,07±0,01 0,07±0,01 0,09±0,01 0,09±0,04 0,23±0,29 0,34±0,46 0,31±0,23 0,28±0,17
Минерализация, мг-л1 220,83±104,40 95,30±9,36 58,90±14,46 63,10±20,32 84,40±17,95 209,88±137,00 374,83±280,78 290,58±368,57 627,18±168,42 476,15±245,68
Сумма элементов и ионов, мг-л1 68,54±18,63 92,03±6,53 53,27±7,59 62,51±2,47 83,06±6,34 104,86±12,52 135,46±30,39 103,49±4 4,55 185,03±48,84 224,30±33,07
Макроэлементы, мг-л1
С 1,62±0,33 2,29±0,83 3,02±0,16 2,52±0,48 2,67±1,05 3,50±0,77 6,41+1,44 3,98±1,13 14,74±2,7 14,86±4,01
N 0,34±0,13 1,99±0,62 0,84±0,16 0,77±0,36 2,46±0,42 0,37±0,06 0,69±0,13 0,87±0,72 0,95±0,39 0,90±0,41
Ыа 5,68±1,22 10,39±0,74 5,64±0,59 5,59±0,50 9,00±0,89 6,39±0,99 8,28±2,99 6,77±3,07 11,93±6,71 18,96±4,54
м8 1,06±0,48 1,93±0,13 1,28±0,28 1,41±0,06 1,68±0,19 2,15±0,60 6,31±0,94 1,56±0,60 7,46±1,82 10,48±8,07
К 6,71±1,12 0,62±0,25 1,07±0,32 0,84±0,21 1,25±0,83 9,27±1,28 17,54±16,41 7,70±1,87 24,06±7,34 29,37±9,81
Са 1,05±0,42 6,62±0,41 5,39±1,27 5,36±0,39 5,94±0,68 2,71±0,16 3,83±0,37 2,56±1,32 4,75±0,80 9,30±2,38
Б" 0,06±0,04 0,14±0,05 0,15±0,01 0,20±0,05 0,16±0,08 0,06±0,06 0,03±0,05 0,06±0,02 0,08±0,03 0,10±0,04
С1 3,72±1,77 12,51±2,10 2,08±0,67 2,87±0,41 8,05±1,46 7,24±3,89 14,92±10,70 8,09±5,12 38,80±8,48 55,40±12,21
N0,- 0,30±0,34 7,94±1,03 1,98±0,96 1,85±0,85 9,94±1,94 0,05±0,06 0,42±0,11 2,10±1,62 0,99±0,82 0,79±0,33
8042- 5,85±2,89 22,42±1,71 11,59±2,13 17,82±0,59 17,06±0,99 6,59±2,82 14,62±5,64 8,99±5,19 27,75±19,50 21,70±12,59
нсо3- 21,35±10,02 13,83±2,80 14,35±2,82 13,6±2,35 14,65±3,91 47,78±8,61 45,37±9,11 45,28±10,38 37,83±15,64 48,05±15,00
А1 2,51±2,42 0,08±0,13 0,13±0,02 0,07±0,08 0,07±0,09 2,31±1,92 1,61±3,00 2,04±2,83 1,06±1,80 0,34±0,27
1,64±0,81 1,12±0,27 0,56±0,14 0,95±0,16 1,00±0,25 1,46±0,42 1,39±1,09 1,19±0,35 1,39±0,42 1,29±0,39
Бе 0,17±0,20 Сл. 0,01±0,01 Сл. Сл. 0,17±0,15 0,13±0,13 0,10±0,18 0,03±0,03 0,04±0,03
Микроэлементы, мкг-л1
Мп 10,67±9,47 5,43±6,78 0,9±0,18 5,53±9,98 33,19±94,4 12,76±16,66 14,07±22,23 17,62±22,79 54,20±41,97 70,54±69,26
Си 2,05±2,49 Сл. 1,34±0,39 Сл. 0,25±0,80 3,56±6,15 3,90±3,47 1,46±3,01 4,58±4,86 5,10±6,25
Хп 28,53±29,38 4,56±1,97 0,14±0,44 0,96±1,77 3,08±6,62 33,55±44,82 124,23±142,69 136,31±265,52 67,80±48,06 178,08±356,94
вг 33,06±11,72 28,21±2,12 26,94±7,13 25,75±1,85 27,04±3,81 59,89±39,68 315,43±664,72 113,38±172,57 202,99±105,98 338,00±232,57
Ва 35,24±49,64 16,78±3,40 8,71±2,25 10,73±0,53 15,03±4,03 57,91±100,79 110,06±288,50 30,81±50,81 114,98±122,40 140,88±129,74
и средне мигрирующих компонентов. В группе со слабой миграционной способностью для обеих сравниваемых групп лизиметров оказались классические элементы, такие как марганец, железо и алюминий. Во-первых, это положение подчеркивает однотипность поведения компонентов в процессах миграции как на фоне возрастающей интенсивности биологического круговорота, так и в случае ее минимального проявления, что вполне закономерно. Во-вторых, по мере возрастания интенсивности биологического круговорота в лизиметрических водах лизиметров под различной растительностью закономерно увеличивается содержание таких важнейших биофильных элементов, как натрий, углерод, калий, кальций. Показано, что в годичном цикле превышение в лизиметрических водах под различной растительностью по сравнению с аналогичными водами в лизиметрах с различной обработкой касается таких важных биофильных элементов, как калий, натрий и кальций, а среди анионов — хлорид- и сульфат-иона и бикарбонат-ного иона, при некотором снижении содержания нитрат-иона. В современной научной литературе традиционно проводится сравнение состава лизиметрических вод для различных условий [Мотузова и др., 2009], в том числе и на основе использования методов кластерного анализа [Павлова и др., 2020], включая сравнение различных методов [Dabrowska et al., 2022], нередко используется моделирование [Francaviglia, Capri, 2000].
Заключение
Итак, на основании компонентного состава лизиметрических вод под естественной растительностью в рамках кластерного анализа формируется отдельная совокупность (рис. 1), отличная от группы лизиметров с различной обработкой почв.
На фоне единой конструкции лизиметров первой группы, под различной естественной растительностью, в них ярко проявляется роль растительного покрова, которая выражается в повышенном содержании важнейших биофильных элементов, мигрирующих в лизиметрических водах, особенно это касается калия, магния и кальция. При этом внутри данной группы лизиметров различия связаны с последовательным возрастанием интенсивности биологического круговорота, что и определяет образование-подгрупп по типу фитоценоза: пар, травяной фитоценоз, хвойные и лиственные насаж дения.
Напротив, при однотипном травяном покрове, который свойственен группам лизиметров с различной обработкой почв, важным фактором, обусловливающим состав лизиметрических вод, является строение минеральной матрицы почв. Это приводит к выделению подгруппы лизиметров, по химическому составу мигрирующих вод, в условиях сверхглубокого плантажа по Бушинскому, тогда
как другие типы лизиметров более сходны в этом отношении.
Отметим, что в сравниваемых группах лизиметров, несмотря на различную конструкцию и интенсивность биологического круговорота, сохраняются сходные коэффициенты миграции. Вместе с тем установлен более высокий уровень концентраций однотипно мигрирующих компонентов в лизиметрических водах под лесными экосистемами, что подтверждает общую роль растительности как важнейшего фактора почвообразования.
Информация о финансировании работы
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 121040800321-4 «Индикаторы трансформации биогеохимических циклов биогенных элементов в природных и антропогенных экосистемах»), а также в рамках Программы развития Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды».
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Архангельская Т.А., Умарова А.Б. Температуропроводность и температурный режим почв в больших лизиметрах Почвенного стационара МГУ // Почвоведение. 2008. № 3.
2. Балкизов А.Б., Сасиков А.С. Лизиметрический метод исследования водного баланса почвенных и грунтовых вод // Известия Кабардино-Балкарского аграрного государственного ун-та им. В.М. Кокова. 2021. № 3.
3. Бараков П.Ф. Лизиметры и их роль в изучении свойств почвы, обусловливающих ее плодородие // Почвоведение. 1908. № 3.
4. Бердников A.M., Патыка Н.В., Патыка Т.И. Лизиметрические исследования круговорота питательных элементов в агроэкосистемах // Плодородие. 2007. № 4.
5. Богатырев Л.Г., Жилин Н.И., Карпухин М.М. и др. Особенности биогеохимических процессов почв в городских условиях на основе изучения экосистем больших (изолированных) лизиметров почвенного стационара // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2021. № 3.
6. Зезин Н.Н., Огородников Л.Д., Постников П.А. и др. Лизиметрические исследования на Среднем Урале. Екатеринбург, 2020.
7. Кулик А.К., Манаенков А.С., Власенко М.В. Лизиметры, осадки и сток. Волгоград, 2016.
8. Мотузова Г.В., Барсова Н.Ю., Карпова Е.А. и др. Состав лизиметрических вод почв Верхневолжских ландшафтов // Почвоведение. 2009. № 2.
9. Муромцев Н.А., Семенов H.A., Бушуев H.H. и др. Лизиметры в почвенно-экологических и мелиоративных исследованиях. М., 2009.
10. Никонов В.В., Горбачева Т.Т., Лукина Н.В. Гравитационные лизиметры с ненарушенными почвенными монолитами // Агрохимический вестник. 2003. № 2.
11. Ниценко А.А. Об изучении экологической структуры растительного покрова // Ботанический журнал. 1969. Т. 54, № 7.
12. Павлова О.Ю., Литвинович А.В., Лаврищев А.В. и др. Сравнительное изучение интенсивности миграции кальция при неравномерном внесении мелиоранта при известковании (модельный опыт) // Агрофизика. 2020. № 1.
13. Савельев Д.В. Почвообразование в модельных экосистемах почвенных лизиметров: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2001.
14. Сметанин В.И., Стрельников А.К. Лизиметрические исследования водного баланса применительно к свалочным грунтам полигонов твердых бытовых отходов // Природообустройство. 2015. № 2.
15. Стойко Е.В. Интенсивность разложения лесной подстилки (экспериментальное исследование) // Сб. материалов Международной конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный-2016», посвященной Году образования в Содружестве Независимых Государств. Красноярск, Сибирский федеральный университет, 15-25 апреля 2016 г.
16. Умарова А.Б. Преимущественные потоки влаги в почвах: закономерности формирования и значение в функционировании почв. М., 2011.
17. Шабаев А.И., Мишинев Ю.А., Тюков А.П. и др. Установка для моделирования снеготаяния и эрозии почв. М., 1985.
18. Шеин Е.В., Початкова Т.Н., Умарова А.Б. Поч-венно-экологические исследования на станции изолированных лизиметров Московского университета // Почвоведение. 1994. № 11.
19. Шилова Е.И. Применение лизиметрических методов в почвоведении, агрохимии и ландшафтоведении. Л., 1972.
20. Шишкин К.В., Белик А.А., Кокорева А.А. и др. Оценка адекватности модели стока и температуры в Больших лизиметрах почвенного стационара МГУ // Бюлл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2019. № 99.
21. Шпигун О.А., Золотов Ю.А. Ионная хроматография и ее применение в анализе вод. М., 1990.
22. Dabrowska D., Nowak A., Wasilkowski D. In situ lysimeter experiment of leaching pollutants from municipal waste with physicochemical status and microbiome condition // Journal of Hydrology. 2022. № 1.
23. Dalyn M. McCauely, Lloyd L. Nackley. Development of mini-lysimeter system for use in irrigation automation of container-grown crops // Hardware. 2022. Vol. 11.
24. Francaviglia R., Capri E. Lysimeter experiments with metolachlor in Tor Mancina (Italy) // Agricultural Water Management. 2000. Vol. 44.
25. ICP-MS. Inductively Coupled Plasma Mass Spec-trometry. A Primer. Agilent Technologies. Inc. 2005. Publication number 5989-3526EN.
26. Kohfahl C., Saaltink M.W. Comparing precision ly-simeter rainfall measurements against rain gauges in a coastal dune belt, Spain // Journal of Hydrology. 2020. Vol. 591.
27. Li W., Franssen H.-J.H., Wang W. The role of soil texture on diurnal and seasonal cycles of potential evaporation over saturated bare soils - Lysimeter studies // Journal of Hydrology. 2022. Vol. 613.
28. López-UrreaR., SánchezJ.M., ChávezJ.L. Evapotranspiration and crop coefficients from lysimeter measurements for sprinkler-irrigated canola // Agricultural Water Management. 2020. Vol. 239.
29. Muniruzzaman M., Karlsson T., Rolle M. Weathering of unsaturated waste rocks from Kevitsa and Hitura mines: Pilot-scale lysimeter experiments and reactive transport modeling // Applied Geochemistry. 2021. Vol. 130.
Поступила в редакцию 15.12.2022 После доработки 31.01.2023 Принята к публикации 07.04.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
ON THE COMPARATIVE ANALYSIS OF THE COMPOSITION OF LYSIMETRIC WATER UNDER CONDITIONS OF DIFFERENT SOIL TREATMENT AND UNDER PHYTOCENOSES
L. G. Bogatyrev, V. A. Kuznetsov, A. I. Benediktova, M. M. Karpukhin, V. M. Telesnina, S. A. Borisova, M. S. Kadulin, G. R. Glazman, Z. S. Ezhelev, N. A. Shnyrev, S. A. Bibulatov, V. V. Demin
A comparative analysis of the composition of lysimetric waters for 2021-2022 was carried out. for two groups of stationary soil lysimeters in the city. The first group of lysimeters is formed by the system: fallow — grass phytocenosis — overgrown fallow — spruce forest — mixed and broad-leaved plantation, developing on the same type of mantle loam. The second group of lysimeters represents soils with different types of tillage: conventional plowing, extra-deep planting according to Bushinsky, plowing according to Mosolov, deep plowing according to Kachinsky.
For both groups, the same type of migration of components is shown, in which the most migrating elements are carbon, mono- and divalent cations, and chloride ion, with minimal migration of iron, manganese, and aluminum.
In the group of lysimeters under various types of vegetation, as the tree canopy develops and, accordingly, the intensity of the biological cycle increases in migrating waters, the concentration of such important biophilic elements as magnesium, calcium, potassium, and carbon increases significantly, and among anions, chloride and sulfate ions. This determines, within the framework of the cluster analysis, two different subgroups in terms of the composition of natural waters: the first one is formed by the fallow-grass phytocenosis — overgrown fallow system, and the second one combines tree plantations.
In the group of lysimeters with different tillage, a cluster characterizes the composition of water in lysimeters with reclamation plowing according to Mosolov and deep plowing according to Kachinsky. At the same time, individual aggregates form lysimeters with conventional plowing and ultra-deep planting according to Bushinsky. This is explained by the fact that in this group of lysimeters, the initially created soil profile design is transformed, which is characterized by the placement of eluvial and illuvial soil horizons in various combinations and at different depths depending on the type of plowing.
Key words: lysimeters, migration of elements, tillage, phytocenoses, biological cycle.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Богатырев Лев Георгиевич, канд. биол. наук, доцент кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: bogatyrev.l.g@yandex.ru
Кузнецов Василий Андреевич, канд. биол. наук, доцент кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: kuznetsovvvasiliy@gmail.com
Бенедиктова Анна Игоревна, канд. биол. наук, науч. сотр. кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: beneanna@yandex.ru
Карпухин Михаил Михайлович, канд. биол. наук, науч. сотр. кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: kmm82@yandex.ru
Телеснина Валерия Михайловна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: vtelesnina@mail.ru
© Bogatyrev L. G., Kuznetsov V. A., Benediktova A. I., Karpukhin M. M., Telesnina V. M., Borisova S. A., Kadulin M. S., Glazman G. R., Ezhelev Z. S., Shnyrev N. A., Bibulatov S. A., Demin V. V., 2023
Борисова Софья Алексеевна, студент магистратуры кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: filosofia2001@mail.ru
Кадулин Максим Сергеевич, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: tubmaxxl@mail.ru
Глазман Глеб Русланович, аспирант кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова, e-mail: glazman.gleb@gmail.com
Ежелев Захар Сергеевич, канд. биол. наук., науч. сотр. лаборатории физики и технологии почв кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, е^ай: еjеlеvsоil@gmаil.соm
Шнырев Николай Андреевич, канд. биол. наук., науч. сотр. кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: shnyrevn@list.ru
Бибулатов Салавди Алаудинович, инженер кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: еjеlеvsоil@gmаil.соm
Демин Владимир Владимирович, канд. биол. наук, вед. науч. сотр. лаборатории экологического почвоведения кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: vvdmsu@gmail.ru
