CC BY
10
УДК 581.5*631.41
ОСОБЕННОСТИ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЧВ В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ БОЛЬШИХ ЛИЗИМЕТРОВ ПОЧВЕННОГО СТАЦИОНАРА МГУ
Л. Г. Богатырев*, Н. И. Жилин, М. М. Карпухин, Т. В. Прокофьева, А. И. Бенедиктова, Ф. И. Земсков, А. Н. Вартанов, Г. Р. Глазман, И. О. Плеханова, А. А. Шнырев, А. К. Кубарев, В. В. Демин
МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12 *E-mail: bogatyrev.l.g@yandex.ru
Основные особенности функционирования стационарных почвенных лизиметров обусловлены площадной и вертикальной ограниченностью почвенной массы. Площадная пространственная ограниченность и непосредственный контакт фитоценозов в пределах Больших лизиметров Почвенного стационара МГУ обусловливает дополнительный перенос растительного опада за счет ветра, тогда как вертикальная исключает роль грунтовых вод и их влияние на почвообразование. Отсутствие латеральной внутрипоч-венной миграции, обычной для естественных ландшафтов, и повышенное поступление щелочноземельных элементов с атмосферными осадками и пылью снижает проявление элювиально-иллювиального процесса. Сравнение состава лизиметрических вод 1967-1968 гг. и 2014-2015 гг. показало существенное увеличение во времени концентраций таких элементов как кальций, натрий, магний и калий, а среди анионов — хлорид и сульфат-ионов. Локальная пространственная контрастность лизиметрических вод, обусловленная влиянием противогололедных реагентов, тем не менее не изменяет относительную миграционную способность элементов. По уровню биогеохимического накопления элементов в почве макроэлементы образуют ряд Са > K > Na > Mg, а микроэлементы — Zn > Sr > Ba > Cu , что сохраняется во всех типах лизиметров. Возрастание концентрирования кальция в почве происходит в ряду широколиственные > смешанный > ельник > чистый пар. Повышенное накопление элементов в профиле почв ельников коррелирует с формирующимся здесь типом гумуса, близкого к типу модер, что обусловлено сочетанием хвойного и лиственного опада.
Ключевые слова: биогеохимия, первичное почвообразование, макроэлементы, микроэлементы, противогололедные реагенты, атмосферные выпадения.
Введение
История лизиметрических наблюдений насчитывает уже более 300 лет, но прецизионная лизиметрия стала развиваться в последние 50 лет [30]. Литературные обзоры по лизиметрическим исследованиям были проведены российскими специалистами в начале 1970-х [22] и позднее в конце 1990-х гг. [12]. К настоящему времени сложилось несколько направлений использования лизиметров. Первое направление касается методологии использования лизиметров в почвоведении и экологических исследованиях [23]. Второе направление — это разработка моделей массопереноса, исследование кинетики почвенных процессов [13], моделирования температурного режима [2]. Третье направление включает в себя лизиметрические исследования почвенных свойств в различных природных условиях [3, 15]. Все три направления исследований представлены в работах, проводящихся с 1961 г. на Больших лизиметрах Почвенного стационара МГУ [2, 7, 8, 10, 14, 21 и др.].
Основная черта насыпных лизиметров МГУ — это ограничение в вертикальном и площадном отношениях. Площадная ограниченность при близко расположенных между собой типах фитоценозов (в пределах 1 м) обусловливает активный межбио-геоценотический обмен растительным опадом, существующий и в естественных фитоценозах. Существенной чертой вертикальной ограниченности и строения лизиметров является исключение грунтовых вод из активного влияния на процессы почвообразования в результате нарушения взаимодействия капиллярно-подпертой и капиллярно-подвешенной влаги — явлений, обычных для зоны гумидного почвообразования. Изначальное горизонтальное положение лизиметров исключает полноценный латеральный внутрипочвенный сток, роль которого в формировании почвы по элювиально-иллювиальному типу была подчеркнута Н.П. Ремезовым [17], который писал: «обращает на себя внимание значительная величина внутрипоч-венного горизонтального стока под лесом», который в условиях распространения дерново-подзолистых
суглинистых почв может на склонах в 7,5 раз превышать вертикальный сток. Этот тип миграции рассмотрен в геохимии ландшафта на региональном и локальном уровнях. Показана целесоообразность использования магнитных частиц [9] и коллоидов меченых дейтерием и ДНК для изучения миграции в условиях наклонных лизиметров и естественных ландшафтов для понимания процессов переноса [25] через водосборные ландшафты.
Функционирование лизиметров в условиях города осуществляется на фоне повышенной роли пыли [27] и тяжелых металлов [14, 26, 28] при их нередком сочетании с полициклическими углеводородами [29].
Цель настоящей работы состояла в освещении некоторых новых сторон современных биогеохимических процессов, происходящих в лизиметрах в городских условиях, в том числе закономерностей поступления опада, установления скоростей круговорота, особенностей миграции макро- и микроэлементов в условиях современного загрязнения противогололедными реагентами и атмосферной пылью.
Статья посвящается памяти Александра Петровича Лобутева, одного из первых исследователей функционирования Больших лизиметров Почвенного стационара МГУ.
Материалы и методы
Объектами исследований послужили Большие лизиметры Почвенного стационара МГУ. Лизиметры были заполнены покровным суглинком из Подольского карьера Московской обл. Общая мощность лизиметров достигает 1,75 м [7]. Каждому лизиметру, кроме чистого пара, соответствует свой тип фитоценоза: ельник, смешанный лес, широколиственный лес, травяно-кустарничковая и травяная залежи — площадью по 8 м2 (рис. 1). В нижней части лизиметров устроены приемники для лизиметрических растворов. Поступление лизиметрических вод постоянно контролировалось в течение года с ежемесячным отбором проб воды. Для сопоставления состава лизиметрических вод с природными объектами в пределах ландшафтов, характерных для хвойно-широколиственной зоны, на территории Учебно-опытного почвенно-экологического центра (УОПЭЦ) «Чашниково» в Московской обл. проводилось изучение снегового покрова и природных вод. Снеговой покров изучался в течение 2013-2019 гг. на примере геохимического ландшафта, последовательно охватывающего элювиальный, транзитный, транзитно-аккумулятивный и супераквальный ландшафт р. Клязьмы (56.052541, 37.178749) с 50-кратным измерением высоты снежного покрова в каждом ландшафте. Посезонное изучение природных вод в те же периоды проводилось в системе родники — ручьи — пруды — р. Клязьма в тех же географических условиях. Материалы по снеговому покрову и природным водам опубликованы ранее
[6]. В настоящей работе использованы средние многолетние данные по составу природных вод. Изучение снегового покрова на площадках Больших лизиметров МГУ включало в себя измерение его высоты — не менее 5-10-кратного определения на каждом лизиметре с последующим определением плотности снегового покрова.
При изучении динамики опада в качестве основного устройства применяли круглые опадо-уловители (ОУ) диаметром 36 см, высотой около 30-40 см, представляющие собой проволочный каркас, в который установлен съемный мешок, закрепленный прищепками. Для лиственных фитоце-нозов использовали мешки из териленовой сетки с размером ячейки около 1,3 мм. Для фитоценозов, где с опадом поступает заметное количество мелкой хвои, использовали опадоуловители из нетканого полимерного полотна (спанбонда). С 29 июня 2015 г. по настоящее время используются ОУ диаметром 36 см, по одному на каждом из 20 лизиметров. Периоды накопления опада примерно соответствуют вегетационным сезонам: отбор обычно проводится перед началом листопадного периода (конец сентября — начало октября), затем по окончании листопадного периода (конец ноября — начало декабря), сразу после таяния снега (март — апрель), после распускания листьев (начало июня). Большой ОУ занимает 1,23% площади лизиметра. Постоянный отбор опада начали проводить с октября 2013 г. Таким образом, в настоящей работе приводятся результаты шестилетних наблюдений за опадом за период 2013-2019 гг.
Подстилки отбирались послойно с площади 25 х 20 см, но не более двух площадок с одного лизиметра в целях минимального воздействия на почвенный покров лизиметров. Отбор подстилок проводился в осенний период 2020 г. после полного листопада в целях использования для расчетов запасов подстилки опада текущего года. Определение запасов подстилки в летний период нецелесообразно в связи с тем, что в этом случае запасы могут быть минимальными, так как в этот период исследователи имеют дело с прошлогодним частично разложившимся опадом. Подстилки разделялись на следующие подгоризонты: О1 — опад, О2 — ферментативный, представляющий собой опад прошлых лет, частично разложившийся, но сохраняющий свою структуру, и О3 — гумифици-рованный горизонт, как правило, темных тонов, представляющий собой хорошо разложившиеся растительные остатки. Затем подстилки разбирались по фракционному составу и при необходимости просеивались через сито. Если в детрите, в самых нижних горизонтах подстилки обнаруживались органоминеральные фракции, фактически относящиеся к минеральным примесям, то эта часть горизонта подстилки не использовалась при расчетах подстилочно-опадного коэффициента.
30 Пар
Пар
29*
32 I I 34 Еловый
36 I I 30 Смешанный
40 I I 42 Широколист.
44 Залежь
Травяно-кустарн.
46 I I 48 Залежь
-1 I-
Травяная
л >
2,9 м
1,5 м
Автомобильная дорога
Рис. 1. Схема расположения лизиметров с их номерами и видами фитоценозов (* — лизиметры, находящиеся в зоне поступления противогололедных реагентов)
33
35
39
41*
43*
45*
47*
Подстилки классифицировались по авторской методике [5]. Изучение пыли, поступающей на поверхность почв лизиметров, проводилось в июле — сентябре 2015 г. методом экспонирования в течение 40 дней специальных пластиковых контейнеров с фиксированной массой и площадью 7,8 • 10-3 м2 в количестве 25 штук на плоской поверхности, расположенной на высоте 80-100 см над землей. Крупные фрагменты растительного опада из контейнеров были перед взвешиванием удалены. Расчет пылевой нагрузки (г/м2 в год) осуществляется по формуле: Pn = P0 /(S • t), где P0 — вес, г; S — площадь контейнера, м2; t — количество суток эксперимента.
Полученные образцы пылевых выпадений морфологически исследовались при помощи бинокулярной лупы при увеличении х32-х56. Субмикроморфологический анализ и анализ элементного состава образцов проводился в Институте географии РАН на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JEOL 6610 LV с энергодисперсионным микроанализатором INCA XACT (оператор-микроскопист канд. биол. наук В.А. Шишков). Подобные системы сбора атмосферного пылеаэрозоля с последующим изучением морфологии частиц и их состава применяются как на безлесных территориях, так и в таежной зоне [20, 24].
Атмосферные осадки собирали в полиэтиленовые емкости диаметром 15 см и высотой 25 см, которые устанавливались на поверхность снегового покрова с периодическим отбором проб и последующим таянием. Такие же емкости устанавливались на территории УОПЭЦ «Чашниково».
В связи с тем, что Большие лизиметры МГУ расположены в 1,5 метрах от проезжей дороги (рис. 1), в зимние периоды на 50% их площади, непосредственно контактирующей с дорогой, поступали противогололедные реагенты (ПГР), разбрасываемые веерным способом грузовыми машинами. Другая часть лизиметров функционировала вне зоны поступления ПГР. Последующее таяние снега и жидкие атмосферные осадки обусловливали растворение ПГР и их поступление в лизиметрические воды. В настоящее время лизиметрические площад-
ки ограждены листами монолитного поликарбоната высотой 80 см, что исключает поступление ПГР на поверхность лизиметров.
Макро- и микроэлементы в лизиметрических и природных водах, а также в водных вытяжках из ПГР при соотношении образец-вода 1 : 5 [1] определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре AAS-3, в случае низких концентраций — методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на спектрометре Agilent 7500a ICP-MS, анионы — на ионном хроматографе Dionex 2000. При определении валового содержания макро- и микроэлементов в почве использовалась методика, изложенная в работе А.И. Обухова и И.О. Плехановой [16].
Для оценки степени преобразованности покровного суглинка в процессе почвообразования были вычислены коэффициенты биогеохимической аккумуляции, которые рассчитывались путем соотношения содержания макро- и микроэлементов в верхних минеральных горизонтах почв (0-10 см) под различными фитоценозами и содержания этих элементов на глубине 1 м почвы под паром, принятого условно за контроль.
Результаты
Разложение и накопление опада. Исследования показали, что для условий чистого пара поступление среднегодового опада, преимущественно листьев, привнесенных из пределов смежных фитоценозов годичного опада, составляет 31 г/м2. Средняя многолетняя величина поступления опада постепенно возрастает в ряду залежь травяная — залежь травя-но-кустарниковая — ельник смешанный — широколиственный лес, в последнем случае достигая максимальной величины 633 г/м2 (табл. 1). Наименьшее варьирование среднегодовых величин поступления опада характеризует широколиственные фитоцено-зы, затем следуют смешанные фитоценозы, залежь и пар. Наибольший размах среднегодовых величин поступления опада установлен для ельника, где варьирование этого показателя составляет от 31 до 76%.
Обращает на себя внимание высокая доля в опа-де активных фракций, варьирующая от 70 до 90%.
Сезонная контрастность поступления опада охарактеризована его долей, поступающей в листопадный период (табл. 1). Как и следовало ожидать, наименьшая контрастность свойственна широколиственным фитоценозам и почвам лизиметров под залежью.
Минимальные величины контрастности характерны для еловых фитоценозов, так как опад хвои происходит в течение года и не строго приурочен к листопадному периоду. Отметим, что в силу близкого контакта пара и елового фитоценоза для его условий поступление опада также не связано с листопадным периодом. Относительная контрастность фитоценозов по ежегодно поступающему опаду, принимая его поступление в широколиственном лесу за единицу, образует последовательный ряд широколиственный лес — залежь травяно-кустар-никовая — смешанный лес — ельник — залежь травяная — пар 1 : 0,8 : 0,7 : 0,7 : 0,3.
Результаты исследования межбиогеоценоти-ческого обмена опадом показали, что в чистых ельниках доля лиственного опада составляет в среднем 20%, тогда как доля елового опада в широколиственных насаждениях, напротив, довольно
низка и не превышает 3% от общего поступления годичного опада. В условиях травяной залежи при-внос листвы достигает 40%. Изучение морфологии подстилок показало, что для ельников характерны деструктивные, ферментативные и гумифициро-ванные типы подстилок, для широколиственных и смешанных фитоценозов — ферментативные и гумифицированые типы. Общие запасы подстилок составили: в ельнике — 2831 г/м2, в смешанном фитоценозе — 3913 г/м2, в широколиственном фитоценозе — 2926 г/м2. Вместе с тем для каждого фитоценоза варьирование запасов подстилки колеблется в пределах 700-800 г/м2. Расчет подстилочно-опадных коэффициентов на основе использования средних запасов органического вещества, сосредоточенного в подстилках по отношению к опаду, показал, что эти величины меняются в пределах 6-8, что позволяет оценить скорость круговорота по классификации Л.Е. Родина и Н.И. Базилевич [18] как заторможенную и сильнозаторможенную. Сравнение среднегодовых величин опада за период 2013-2019 гг. с данными по опаду, полученными для 1999 г. [8], показало, что они вполне сопоставимы.
Таблица 1
Основные параметры поступления опада на лизиметрах Почвенного стационара МГУ (2013-2019). N = 596
Фитоценоз № лизиметра Среднегодовое поступление опада, г/м2-год ± коэф. вариации V (п = 6), % Активные фракции**, % от среднегодового Поступление за листопадные периоды (октябрь — ноябрь)
Среднее, г/м2 ± коэф. вариации V (п = 6), % Доля от среднегодового
Пар 29 26,3 ± 54 * 31,1 99,7 73,9 16,8 ± 67 13,6 0,64 0,46
30 35,8 ± 59 48,0 10,4 ± 24 0,29
Ельник 31 169,4 ± 76 332,2 81,8 90,1 88,9 ± 113 166,0 0,53 0,51
32 410,0 ± 50 94,9 185,1 ± 85 0,45
33 304,5 ± 31 89,3 189,6 ± 44 0,62
34 445,0 ± 49 94,3 200,5 ± 86 0,45
Смешанный лес 35 391,1 ± 36 436,4 96,6 89,1 221,9 ± 38 278,1 0,57 0,64
36 500,4 ± 43 83,9 291,2 ± 71 0,58
37 430,4 ± 26 87,0 299,7 ± 38 0,70
38 423,7 ± 20 89,0 299,6 ± 27 0,71
Широколиственный лес 39 498,1 ± 33 633,4 92,8 89,1 385,5 ± 44 504,2 0,77 0,79
40 576,7 ± 13 91,7 459,4 ± 15 0,80
41 714,8 ± 18 85,9 561,6 ± 22 0,79
42 744,0 ± 30 85,8 610,2 ± 38 0,82
Залежь травяно-кустарниковая 43 501,5 ± 48 533,1 94,6 92,5 396,5 ± 47 435,1 0,79 0,82
44 564,7 ± 39 90,4 473,7 ± 30 0,84
Залежь травяная 45 234,4 ± 48 206,8 99,3 99,3 197,3 ± 24 175,3 0,84 0,85
46 268,1 ± 33 98,6 217,0 ± 35 0,81
47 168,1 ± 69 99,1 152,8 ± 75 0,91
48 156,5 ± 45 100,0 134,1 ± 51 0,86
* в объединённых ячейках — среднее значение основной величины по группе лизиметров; ** — листья, хвоя, семена и т. п.
Таблица 2
Средний состав лизиметрических вод 2014-2015 /1967-1968 гг., мг/л, п = 138
Тип лизиметра Са+ МЕ+ №+ К+ С1- so42- нсо3- N РО43- А1 Fe-
Чёрный пар 7,21 2,11 4,66 0,57 3,94 37,98 35,99 0,16 0,02 1,46 0,27
(п = 20) 28,09 7,33 9,86 2,56 10,44 119,18 31,52 Сл.* Сл. Сл. Сл.
Ельник 62,54 14,22 19,58 8,53 111,38 69,27 65,58 0,34 Сл. Сл. Сл.
(п = 16) 20,99 5,67 8,57 1,09 9,99 105,19 29,89 Сл. Сл. Сл. Сл.
Смешанный 88,78 20,79 34,46 23,72 165,89 169,79 59,48 0,91 0,20 Сл. Сл.
(п = 7) 21,43 4,60 8,30 0,80 8,55 105,12 25,10 Сл. Сл. Сл. Сл.
Широко-лист- 95,21 24,57 22,72 4,26 80,66 38,48 51,51 0,32 0,14 0,57 0,13
венный (п = 31) 18,39 5,14 8,07 0,59 8,08 112,74 23,58 Сл. Сл. Сл. Сл.
Залежь 23,86 6,12 10,31 6,30 56,90 22,99 57,78 0,37 0,47 3,24 1,26
(п = 64) 14,69 4,00 8,79 0,69 8,86 108,24 21,51 Сл. Сл. Сл. Сл.
Среднее 55,52 13,56 18,35 8,68 83,76 67,70 54,07 0,42 0,17 1,76 0,33
20,72 5,35 8,72 1,15 9,18 110,10 26,32 Сл. Сл. Сл. Сл.
* — следовые количества.
Химический состав лизиметрических вод.
Особенности химического состава лизиметров детерминируются несколькими факторами. Во-первых, изменение во времени обусловлено увеличивающимся объемом элементов, участвующих в круговороте, что связано с общим ростом фитомассы. Сравнение состава лизиметрических вод 2014-2015 гг. с периодом 1967-1968 гг. показало существенное возрастание их минерализации (табл. 2).
Особенно обращает на себя внимание произошедшее за этот период существенное увеличение во всех лизиметрических водах калия, кальция и магния, а среди анионов — хлорид-иона с тенденцией к увеличению миграции фосфат-иона. Общий ряд по увеличению концентрации водорастворимых компонентов в среднем для лизиметрических вод всех фитоценозов в настоящий период по сравнению с периодом 1967-1968 гг. имеет вид С118 > К6 > Са2 = Mg2 > Ыа1,7. В этом отношении особенное увеличение основных компонентов обнаруживается в современных лизиметрических водах смешанных и широколиственных фитоценозов, за которыми следует ельник.
Статистический анализ показал, что в многолетнем плане содержание макро- и микроэлементов в лизиметрических водах в незагрязненных фито-ценозах характеризуется в целом довольно высокой вариабельностью. Это объясняется не только различием фитоценозов, но и условиями года.
Вместе с тем оказалось, что наименьшей вариабельностью состава при минимальных величинах концентрации элементов характеризуются лизиметрические воды под паром, где средний коэффициент вариации для таких ведущих элементов, как натрий, магний, калий и кальций, составляет 43%. В лизиметрических водах под смешанными и ши-
роколиственными лесами эта величина возрастает до 70%, для условий залежи этот показатель увеличивается до 90%, и такого же уровня варьирование характерно для лизиметрических вод под еловыми фитоценозами.
Aбиотические особенности условий функционирования Больших лизиметров МГУ. Одной из особенностей современного функционирования Больших лизиметров МГУ в условиях города является дополнительное поступление биофильных элементов с атмосферными осадками. Это подтверждается сопоставлением снеговых вод УОПЭЦ «Чашниково» и снеговых вод Больших лизиметров МГУ. Так, если в снеговой воде в «Чашниково» среднее содержание кальция составляет 2,7 мг/л, а в условиях Ботанического сада МГУ — 4,5 мг/л, то для Больших лизиметров МГУ эта величина возрастает до 8,5 мг/л.
Это положение хорошо коррелирует с составом выпадающих атмосферных осадков. Показано, что в условиях города выпадающие твердые зимние осадки существенно обогащены кальцием, магнием, натрием и калием по сравнению с осадками относительно незагрязненных ландшафтов Подмосковья. Более подробно это было показано в одной из наших публикаций [6].
Дополнительные исследования показали, что ежегодное поступление пыли в условиях Больших лизиметров МГУ оценивается до 37 г/м2, что соответствует низкому уровню загрязнения, и одного порядка с данными, полученными ранее, в 1989 г. [10], что свидетельствует о долговременном и постоянном уровне поступления пыли. Микроморфологические исследования показали, что в атмосферных выпадениях кроме силикатных зерен содержатся минеральные зерна, скрепленные в черные микроагрегаты, с характерным маслянистым
Рис. 2. СЭМ-изображение летнего пылеаэрозоля, состав и количественное соотношение элементов
блеском — частицы асфальта (рис. 2). В большом количестве обнаружены белые изоморфные образования, состоящие из солей или смеси солей и силикатных частиц (застывшие строительные растворы), металлические магнитные частицы, обломки красного асфальта.
В целом независимо от состава обнаруживаются обломочные и окатанные (вероятно, перенесенные на большие расстояния) частицы. Встречаются частицы, относимые к аэропланктону: фрагменты грибного мицелия, красно-бурые водоросли, пыльца и фрагменты тел беспозвоночных, микрофрагменты растительного происхождения.
Установлено, что преобладающими элементами практически во всех образцах пыли являются C, O и Si (водород из спектров при исследовании исключается). Кроме высокого содержания кальция в пыли присутствуют такие биофильные элементы, как Mg, Fe, №, К, S, О. Отметим, что микроанализатор показывает наличие лишь элементов, содержащихся в концентрации, близкой к 1% и более. К влиянию автотранспортной нагрузки можно отнести присутствие в спектрах Zn, тогда как ТС может поступать в пылеаэрозоль из почв и пород, а также из строительных материалов и в составе техногенных магнитных частиц.
Высокое содержание Si, Fe, Mg и Al связано с тем, что основную массу пылеаэрозоля составляют почвенные и породные минеральные частицы, как поднятые с поверхности почв и грунтов, так и входящие в состав искусственных материалов (дорожные покрытия, строительные материалы и т.д.).
Другим абиотическим фактором, имеющим антропогенное происхождение [4], явилось влияние ПГР. Противогололедные препараты характеризуются высоким содержанием кальция, калия, а среди анионов — хлорид-, сульфат- и бромид-иона. Среди микроэлементов обращает на себя внимание стронций, цинк и железо (табл. 3). Последующее растворение ПГР снеговыми водами и жидкими атмосферными осадками привело к дифференциации лизиметров по составу мигрирующих вод. Сравнение состава лизиметрических вод в условиях загрязнения ПГР и для удаленных от дороги лизиметров показало, что по степени загрязнения в среднем для всех лизиметров формируется следующий ряд: NO316 > 08 > Ca5 > Mg4 > №2 = N2 = О > 0,7 > F1,4 > S040,7. Наибольшее загрязнение обнаружено по нитрат-, фосфат- и хлорид-ионам. В настоящее время лизиметры ограждены от дороги монолитным поликарбонатом, что исключает поступление ПГР на поверхность лизиметров.
Таблица 3
Содержание макро- и микроэлементов в ПГР по результатам водной вытяжки в 2013-2014 гг. (п=3)
Закономерно, что наибольшее загрязнение касается наиболее подвижных нитрат- и хлорид-ионов, входящих в состав ПГР. Расчеты коэффициентов водной миграции для лизиметрических вод показали, что наибольшая относительная миграционная способность элементов в условиях, относительно удаленных от источника загрязнения, характерна для кальция, магния и натрия, а среди анионов ведущее место принадлежит сульфатам. В условиях фитоценозов, загрязненных ПГР, миграционная
способность кальция и магния остается в среднем на том же уровне, как и в условиях фитоценозов, расположенных вне активной зоны загрязнения.
Биогеохимия макро- и микроэлементов в почвах Больших лизиметров МГУ. Расчеты коэффициентов биогеохимической аккумуляции (КБА) позволили оценить современный тренд в характере изменения самых верхних минеральных горизонтов почв, формирующихся под различными фитоцено-зами (рис. 3).
Показано, что для всех почв под различными фитоценозами сохраняется однотипный характер (рис. 3) геохимических спектров, включая изученные макроэлементы, элементы семейства железа, цинк и стронций. Однако размах коэффициентов достаточно велик. Так, для верхних горизонтов почв в условиях пара характерно слабое выщелачивание преобладающей части изученных макро- и микроэлементов (КБА 0,8-1), включая железо, исключение составляют цинк (КБА 2,5) и ртуть (КБА 3,4). Для почв под древесными насаждениями, напротив, обнаруживается хорошо выраженная тенденция аккумуляции макроэлементов, среди которых обращает на себя внимание кальций (КБА 2,6-6,2), а среди микроэлементов особенно характерно накопление цинка (КБА 9,5-15) и в меньшей степени стронция, бария и свинца.
Обсуждение
Время биогеохимических процессов можно отсчитывать с момента дифференциации лизиметров по типам фитоценозов, что обусловило формирование определенного типа опада, а со временем и типа подстилки. Согласно М.А. Глазовской [11], детритогенез, как биогеохимический процесс, представляет собой накопление в ландшафтах недо-окисленного органического материала, в том числе опада и подстилки.
Компонент Содержание, мг/кг
Р Следы
К 1088,6
Са 66 076,9
Т1 Следы
Мп Следы
Бе 35,8
N1 7,0
Си 10,5
2п 31,3
Л8 Следы
8г 153,3
РЬ Следы
Б (-) Следы
С1 (-) 472 484,0
Вг (-) 674,7
N03 (-) 25,3
804 (2-) 9964,8
16 14 12 10 8 6 4 2 0
I || || || II II I
II
лИЬ^]™ 1тп ■
№ Mg K Ca V а Mn Fe ^ N ^ Zn As Sr Cd Ba Hg Pb □ Пар □ Ельник □ Смешанный лес □ Широколиственный лес
Рис. 3. Коэффициенты биогеохимической аккумуляции (КБА) макро- и микроэлементов в верхних горизонтах почв под различными типами лизиметров
Установленный межбиогеоценозный перенос лиственного опада в еловые экосистемы приводит к частичной нейтрализации поступающих кислых продуктов опада, играющих роль так называемых «горячих точек», обусловливающих более интенсивное разложение опада. Это явление приводит к сближению формирующихся типов лесного гумуса в ряду ельник — широколиственные насаждения, который определялся [19] как близкий к модеру. Это соответствует описанной выше типологии подстилок. Особенно обращают на себя внимание сложные по строению подстилки под широколиственными насаждениями, тогда как для подобных фитоценозов в пределах зоны хвойно-широколи-ственных лесов обычно характерны деструктивные подстилки, как правило недифференцированные на подгоризонты и представляющие собой опад прошлых лет. Довольно сниженные скорости круговорота, представленные выше, не вызывают сомнений при рассмотрении ельника и смешанных насаждений, но в отношении широколиственных насаждений это звучит несколько неожиданно. В чем же заключается механизм заторможенности круговорота в широколиственных насаждениях в условиях лизиметра? Причина состоит в том, что опад, поступающий в условиях широколиственных фитоценозов, ограничивается бетонными стенками лизиметров, возвышающимися над поверхностью почвы, и формируются подстилки мощностью до 10-15 см с характерной хорошо выраженной слоистостью. Застой влаги, слабое проветривание приводят к увеличенной мощности подстилки и к снижению скорости круговорота. Напротив, для широколиственных насаждений Ботанического сада МГУ характерны маломощные и, как правило, деструктивные подстилки. Отсюда следует, что устройство Больших лизиметров МГУ, изначально определяющее особенности разложения опада, происходящего в условиях бетонных бортиков, относится к специфическим условиям. Это характерно исключительно для описываемых объектов и не может быть отнесено в полной мере к естественным фитоценозам, однако может характеризовать антропогенно созданные, например при озеленении городов. Становление фитоценозов, сопровождаемое дивергенцией подстилок, последовательно привело к дифференциации современных лизиметрических вод по химическому составу. Два важнейших фактора определяют современную специфику лизиметрических вод. Первый заключается в поступлении ряда элементов вместе с пылью и атмосферным осадками, которые оказывают эвтрофицирующее действие на почвы, тогда как второй — противогололедные препараты — обеспечивает поступление хлорид-иона и других анионов и катионов в лизиметрические воды.
Длительное выщелачивание покровного суглинка в условиях пара и даже залежи, функци-
онирование которых длительное время проходит без активного биологического круговорота, протекающего под пологом леса, в последнем случае приводит к заметному увеличению концентрации основных составляющих лизиметрических вод при минимальных изменениях в условиях пара и залежи. Кроме того, минимальное варьирование состава лизиметрических вод под паром закономерно увеличивается под древесной растительностью, что обусловлено как неравномерным погодичным поступлением опада, так и его межбиогеоценозным переносом. Особенности фитоценозов закономерно находят свое отражение в характере накопления элементов в почве. Слабое накопление элементов, характерное для верхних горизонтов в условиях пара, сочетается с высоким накоплением элементов в почвах, формирующихся под растительностью. В частности, относительно высокий уровень накопления кальция в почвах под широколиственными насаждениями вполне закономерен и может тривиально объясняться характером биогеохимического круговорота. Накопление цинка, по нашему мнению, объясняется не только его привносом с пылью и атмосферными осадками, но и, в частности, тем, что лизиметрическая площадка длительное время находилась под оцинкованной сеткой, которая могла служить источниками дополнительного накопления этого элемента на поверхности формирующихся почв. Следовательно, эвтрофицирующее почву аэральное загрязнение лизиметров в условиях города служит дополнительным фактором, определяющим особенности биогеохимических процессов.
В интегральном отношении общий баланс элементов и органического вещества в условиях обсуждаемых лизиметров обусловливается преимущественно вертикальным выносом при минимальной латеральной составляющей. Подобная ситуация может складываться и в естественных условиях в случае обширных выровненных территорий и при глубоком залегании грунтовых вод.
Заключение
Таким образом, различия в скоростях биогеохимических процессов в условиях Больших лизиметров Почвенного стационара МГУ обусловлены типом фитоценозов, которые частично снижаются межбиогеоценотическим обменом опада вследствие близкого расположения лизиметров. Поступление ПГР на поверхность почв ряда лизиметров ведет к однотипной повышенной концентрации в составе лизиметрических вод щелочных и щелочно-земель-ных элементов, а среди анионов — хлорид-иона. Основной современный тренд изменения состава лизиметрических вод по сравнению с 1960-ми гг. заключается в усилении биогеохимической активности миграционных процессов таких элементов, как кальций, магний, фосфор и калий. Под древесными
насаждениями установлено активное накопление кальция и цинка в верхних горизонтах почв, в отличие от почв в условиях пара. Накопление макро- и микроэлементов в почвах под еловыми фитоцено-зами подтверждает гипотезу одного из блестящих исследователей лесных почв Л.О. Карпачевского о дуалистическом характере еловых насаждений, которые при благоприятном почвенном фоне улучшают его и, напротив, усиливают оподзоливание при изначально бедном минералогическом составе почвообразующих пород.
Слабое обезжелезнение верхних горизонтов почв (КБА 0,8-1,0) подтверждает предыдущее исследование [19], что почвы в условиях Больших лизиметров Почвенного стационара МГУ развиваются по буроземному типу со слабыми признаками лессиважа. Отсутствие латерального стока и грунтовых вод следует отнести к одной из причин слабой выраженности элювиально-иллювиальной дифференциации почв лизиметров с постоянным аэральным привносом кальция и сопровождающих его элементов.
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»). Обработка данных по исследованию аэральных выпадений выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 1905-50093), 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 ин тересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970.
2. Архангельская Т.А., Умарова А.Б. Температуропроводность и температурный режим почв в больших лизиметрах Почвенного стационара МГУ // Почвоведение. 2008. № 3.
3. Арчегова И.Б. Некоторые особенности почв восточноевропейской тундры по лизиметрическим данным // Почвоведение. 1982. № 8.
4. Ачкасов А.И., Башаркевич И.Л., Варава К.В. и др. Загрязнение снегового покрова под влиянием противогололедных реагентов // Разведка и охрана недр. 2006. № 9-10.
5. Богатырев Л.Г. О классификации лесных подстилок // Почвоведение. 1990. № 3.
6. Богатырев Л.Г., Жилин Н.И., Самсонова В.П. и др. Многолетний мониторинг снежного покрова в условиях природных и урбанизированных ландшафтов Москвы и Подмосковья // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2018. № 2.
7. Винник М.А., Болышев Н.Н. Первые итоги наблюдений в открытом лизиметре // Почвоведение. 1972. № 4.
8. Владыченский А.С., Ульянова Т.Ю., Золотарев Г.В. Некоторые показатели биологического круговорота в модельных растительных сообществах почвенных лизиметров // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2000. № 3.
9. Геннадиев А.Н., Кошовский Т.С., Жидкин А.П. и др. Латеральная миграция твердофазного вещества почв в пределах ландшафтно-геохимической арены (метод магнитного трассера) // Почвоведение. 2013. № 10.
10. Герасимова Л.В., Первова Н.Е., Лобутев А.П. О почвообразовании под различной растительностью на покровном суглинке в условиях 20-летнего лизиметрического опыта // Почвоведение. 1989. № 1.
11. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР: учеб. пособие для студ. геогр. спец. вузов. М., 1988.
12. Карпачевский Л.О., Яшин И.М. Итоги первой Всероссийской конференции «Лизиметрические исследования почв» // Почвоведение. 1999. № 10.
13. Морозов А.И., Грачева Р.Г. Анализ кинетики почвенных процессов на основе лизиметрических исследований // Почвоведение. 1997. № 6.
14. Плеханова И.О., Абросимова Г.В. Особенности формирования микроэлементного состава и свойств почв модельных фитоценозов почвенных лизиметров // Почвоведение. 2016. № 4.
15. ПономареваВ.В. К вопросу о кислотно-основных свойствах лизиметрических вод в подзолистых почвах // Почвоведение. 1973. № 5.
16. Обухов А.И., Плеханова И.О. Атомно-абсорбци-онный анализ в почвенно-биологических исследованиях. М., 1991.
17. Ремезов Н.П. Химия и генезис почв. М., 1989.
18. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности Земного шара. М., 1965.
19. Савельев Д.В. Почвообразование в модельных экосистемах почвенных лизиметров: автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2001.
20. Тентюков М.П. Способ и устройство для экспонирования контейнеров для сбора аэрозолей на безлесных территориях. Описание изобретения к патенту. 2013.
21. Умарова А.Б. Преимущественные потоки влаги в почвах: закономерности формирования и значение в функционировании почв. М., 2011.
22. Шилова Е.И. Второе междуведомственное совещание по вопросам применения лизиметрических методов // Почвоведение. 1972. № 10.
23. Шишов Л.Л., Кауричев И.С., Большаков В.А. и др. Лизиметры в почвенных исследованиях / Под ред. Л.Л. Шишова. М., 1998.
24. Язиков Е.Г., Шатилов А.Ю. Состав техногенных составляющих в снеговом покрове по данным микро-
рентгеноспектрального анализа // Вестник ТГУ. Проблемы геологии и географии Сибири. 2003. № 3.
25. Wang C., McNew C.P., Lyon S.W. et al. Particle tracer transport in a sloping soil lysimeter under periodic, steady state conditions // Journal of Hydrology. 2019. Vol. 569.
26. De Silva S., Ball A.S., Indrapala D.V. et al. Review of the interactions between vehicular emitted potentially toxic elements, roadside soils, and associated biota // Chemosphere. 2021. Vol. 263.
27. Dehbandi R., Aftabi A. Geochemical provenance of soils in Kerman urban areas, Iran: Implications for the influx of aeolian dust // Aeolian Research. 2016. Vol. 21.
28. Foti L., Dubs F., Gignoux J. et al. Trace element concentrations along a gradient of urban pressure in forest and
lawn soils of the Paris region (France) // Science of the Total Environment. 2017. Vol. 598.
29. Islam N., Saikia B.K. Atmospheric particulate matter and potentially hazardous compounds around residential/ road side soil in an urban area // Chemosphere. 2020. Vol. 259.
30. Howell T.A., Schneider A.D., Jensen M.E. History of Lysimeter Design and Use for Evapotranspiration Measurements // Proceedings of the International Symposium on Lysimetry: Lysimeters for evapotranspiration and environmental measurements, July 23-25, 1991, Honolulu, Hawaii. ASCE, 1991.
Поступила в редакцию 11.02.2021 После доработки 26.05.2021 Принята к публикации 15.06.2021
FEATURES OF BIOGEOCHEMICAL PROCESSES OF SOILS IN URBAN CONDITIONS BASED ON THE STUDY OF ECOSYSTEMS OF LARGE LYSIMETERS OF THE SOIL STATIONARY OF MSU
L. G. Bogatyrev, N. I. Zhilin, M. M. Karpukhin, T. V. Prokofieva, A. I. Benediktova, Ph. I. Zemskov, A. N. Vartanov, G.R. Glazman, I.O. Plekhanova, A.A. Shnyrev, E.N. Kubarev, V.V. Demin
The functioning of stationary soil lysimeters is determined by a limited volume of soil in both horizontal and vertical directions. The areal spatial limitation and the proximity of phytocenoses to each other in the large lysimeters at the Moscow State University Soil Station determines the interbiogeocenotic exchange of plant litter, while the vertical one excludes the role of groundwater and their influence on soil formation. The absence of lateral runoff, which is common in natural landscapes, and the increased supply of alkaline earth elements with atmospheric precipitation and dust, reduces the manifestation of the eluvial-illuvial process. Comparison of lysimetric waters in 1967-1968 and 2014-2015 showed a significant increase over time in the concentration of elements such as calcium, sodium, magnesium and potassium, and among the anions chloride and sulfate ions. The local spatial geochemical contrast of lysimetric waters caused by the effect of anti-icing agents, however, does not change the relative migration ability of elements. According to the level of biogeochemical accumulation of elements in the soil, macroelements form a series of Ca > K > Al > Mg > Na, and trace elements — Zn > Sr > Cu > Ba, while maintaining the same type on all types of lysimeters. An increase in the concentration of elements in the soil occurs in the following order: broad leaf > spruce > mixed > pure fallow. The increased accumulation of elements in the soil profile of spruce forests in comparison with mixed plantations correlates with the type of humus forming here, which is close to the moder type, which is due to the combination of coniferous and deciduous litter.
Key words: biogeochemistry, primary soil formation, macroelements, microelements, deicing agents, atmospheric precipitation.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Богатырев Лев Георгиевич, канд. биол. наук., доцент каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: bogatyrev.l.g@yandex.ru
Жилин Николай Ильич, инженер каф. общего почвоведения
ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: zhilinnik@yandex.ru
Карпухин Михаил Михайлович, канд. биол. наук., науч. сотр. каф. химии почв ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: kmm82@yandex.ru
Прокофьева Татьяна Вадимовна, канд. биол. наук., доцент каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: tatianaprokofieva@yandex.ru
Бенедиктова Анна Игоревна, канд. биол. наук., науч. сотр. каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: beneanna@yandex.ru
Земсков Филипп Иванович, инженер каф. общего почвоведения
ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: philzemskov@mail.ru
Вартанов Александр Николаевич, аспирант каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: anvbox93@mail.ru
Глазман Глеб Русланович, аспирант каф. общего почвоведения
ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: glazman.gleb@gmail.com
Плеханова Ирина Овакимовна, докт. биол. наук, вед. науч. сотр. каф. земельных ресурсов и оценки почв ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: irinaoplekhanova@mail.ru
Шнырев Николай Андреевич, канд. биол. наук, науч. сотр. каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: shnyrevn@list.ru
Кубарев Евгений Никитич, канд. биол. наук., науч. сотр. лаборатории почвенно-экологического мониторинга УОПЭЦ МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: kubarevmsu@mail.ru
Демин Владимир Владимирович, канд. биол. наук, вед. науч. сотр. каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: vvdmsu@gmail.ru
