CC BY
20
ГЕНЕЗИС И ГЕОГРАФИЯ ПОЧВ
УДК 631.44
ОСОБЕННОСТИ МОРФОГЕНЕЗА ДЕТРНТОПРОФИЛЕЙ МАЛОИЗУЧЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ ПРИОХОТЬЯ*
Л.Г. Богатырёв, М.С. Малинина, В.П. Самсонова,
М.М. Акишина, Д.В. Добрынин, А.И. Бенедиктова
Впервые проведена группировка детритопрофилей на основе детального анализа строения более чем 500 разрезов и использования статистических методов. Предложено новое понятие детритопрофиля, позволяющее рассматривать собственно подстилки, торфянистые и торфяные образования в единой системе координат. Широкое разнообразие строения детритопрофилей объясняется спецификой их формирования в условиях мерзлоты и горного рельефа. Установлено, что перегнойные и гумусовые горизонты в силу большего возраста по сравнению с верхними горизонтами инвариантны и не коррелируют с другими подгори-зонтами, тем самым обнаруживая свою самостоятельность. Показана взаимосвязь типов де-тритопрофилей с типами леса и особенностями преобразования органического вещества.
Ключевые слова: детритопрофиль, Приохотье, органическое вещество.
Введение
Структурно-системный подход к изучению почв как особого типа сложных иерархических и многоуровневых систем — один из наиболее перспективных методов исследования в современном почвоведении. В последние десятилетия он с неизменным успехом применяется при изучении закономерностей организации почв на различных уровнях, начиная с почвенных ареалов и заканчивая вещественно-фазовым уровнем, основными объектами которого являются компоненты индивидуальных почвенных фаз [6—8, 12, 13, 16]. Каждый структурный уровень при этом содержит вполне определенную информацию о почве и должен исследоваться специальными, подходящими для этой цели методами и средствами, в числе которых сравнительно-географический и профильный, макро- и микроморфологический анализ, физико-химические, химические, физические и др. Как вертикальная, так и горизонтальная неоднородность свойств почвенной массы (а значит и собственно формирование почвы и почвенного покрова территории в целом) в конечном итоге обусловлены процессами превращения и перемещения вещества вследствие почвообразования и геохимической миграции. Как отмечал Б.Г. Розанов [14], главными факторами образования почвенного профиля, т.е. дифференциации почвообразующей породы на генетические горизонты, являются вертикальные (нисходящие и восходящие) потоки вещества и энергии и вертикальное распределение живого органического вещества. Органопрофиль — неотъемлемая часть почвенного профиля, имеющая доста-
точно сложную организацию, что отражается в его морфогенезе.
Восточная Сибирь — это регион, в котором запасы почвенного органического вещества (углерода) чрезвычайно велики главным образом за счет мощного подстилкообразования. Изучение поведения углерода в почвах ландшафтов весьма актуально и проводится в разных аспектах — от разработки общей теории гумусообразования и моделирования его цикла до картографического отображения содержания и типов гумуса, или карт, отражающих характер потенциального поведения этого элемента в зависимости от особенностей важнейших факторов [1, 2, 4, 15, 17—21].
Отдельное, но не менее важное место принадлежит работам морфогенетического характера, в числе которых таковые по генезису и классификации подстилок и строению и специфике органопрофи-лей. Вместе с тем обширных и массовых исследований в данном направлении на основе реальных почвенных описаний в научной литературе не так уж много. Особенно это касается малоизученных в отношении детализации районов Восточной Сибири, включая Приохотье. Изучению строения органопро-филей некоторых районов этого обширного края и посвящена настоящая работа.
Объекты и методы исследования
Ландшафты побережья Охотского моря имеют сложную организацию. Территория расположена на пересечении четырех границ. Во-первых, ее участок пересекает граница распространения сплошной крио-литозоны. На севере — сплошная вечная мерзлота,
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 13-05-20-542, № 13-04-01-577а).
в долинах и на побережье — многолетнемерзлые породы, талики и островная мерзлота, на юге — островная вечная мерзлота. По долине р. Уды проходит зона разломов, отделяющая молодые горные массивы Джугджура и Токинский становик от сравнительно сглаженных процессами денудации хребтов Тыльский, Тайканский, Джагда и др. По району проходит граница смены материковых восточносибирской и приморской фаций растительности. Рельеф формируют мощные горные сооружения с абсолютными отметками до 2000 м, сложенные осадочными, метаморфизированными и изверженными вулканогенными породами с полным набором поясов вертикальной зональности. Здесь же выровненные обширные пространства в долинах р. Уды и ее крупнейших притоков с целой серией пойменных, надпойменных и морских террас, сложенных целым комплексом рыхлых аллювиально-ледниковых и морских отложений различного состава. Почвообразу-ющие породы представляют собой сложное чередование горных пород разного возраста и генезиса. Разнообразие орографии на участке «Чумикан» (р. Уда) сильно сказывается на усложнении почвенного покрова: здесь присутствуют почвы всех исследованных типов в разном сочетании. Вершины плоских водоразделов, крутые склоны и аккумулятивные долины практически идентичны по набору компонентов в составе почвенных контуров. На переходных участках — шлейфах склонов, пологих склонах и разных по своему генезису террасах — наблюдается сочетание как автоморфных, так и гидроморфных почв. Все это разнообразие в первую очередь оказывает влияние на специфику формирования детрито-профиля в целом [11].
Таким образом, была изучена довольно сложная как в отношении рельефа, так и разнообразия растительного покрова территория. Последний представлен элементами тундровой и темнохвойными и свет-лохвойными типами лесной растительности.
Непосредственными источниками информации для анализа строения и специфики детритопрофи-лей послужили описания 500 разрезов, заложенных в пределах довольно широкой полосы Приохотья. Одна из характерных черт исследуемых территорий — преимущественно горный рельеф в сочетании с мно-голетнемерзлыми породами, что в значительной степени обусловливает широкое распространение здесь торфянистых и торфяных типов органопрофилей. Следует отметить, что одной из задач работы было установление основных экологических закономерностей в системе тип леса — тип органопрофиля в целях создания репрезентативной группировки ор-ганопрофилей. Представленные в литературе данные, в том числе и наши [3, 5], не позволяли детализировать их строение в силу неразработанности критериев. Поэтому мы даем новый вариант группировки, основанный исключительно на имеющихся реальных описаниях почв.
В общих рамках процесса детритогенеза, по М.А. Глазовской [9], — совокупности процессов накопления большого числа недоокисленных органических соединений — мы предлагаем новое понятие — детритопрофиль, под которым понимается совокупность органогенных горизонтов, сформированных в результате последовательного преобразования наземного детрита и образующих единый генетический профиль in situ. Во-первых, тем самым мы не занимаем термин «органопрофиль», введенный Л.А. Гришиной [10], который характеризует весь профиль почвы, включая закономерности распределения органического вещества в минеральной толще. Во-вторых, остаемся в рамках общей теории подстилкообразо-вания как части более обширного процесса детритогенеза, что дает нам возможность рассматривать в единой системе собственно подстилки, в том числе маломощные (деструктивные, ферментативные и гумифицированные типы) и торфянистые и торфяные типы. Это приобретает особую значимость в зоне многолетнемерзлых пород, где последние широко распространены. Опираясь исключительно на анализ реально существующих профилей, мы детализировали ранее разработанную классификацию лесных подстилок [3], особенно торфянистых и торфяных типов, и предложили следующую группировку детритопро-филей (полное название образуется при использовании «торфянисто-» или «торфяно-» с последующим прибавлением номенклатуры подгруппы в соответствии со строением профиля).
Группа торфянистых профилей. Для профиля характерно строение Оч—Т1—Т2, при котором очес сменяется одним или двумя горизонтами слабо- и среднеразложенного торфа светлого или темноватого тона, однако с хорошо сохранившимися растительными остатками мхов, среди которых легко диагностируется опад прошлых лет деревьев или другой растительности.
Группа торфяных профилей отличается от предыдущей мощностью профиля в целом, причем общий характер строения и совокупность горизонтов полностью идентичны торфянистым детритопрофилям.
Группа торфянисто-консервированных профилей. Для них характерна система горизонтов Оч—Т1— Т2—Т3, нижняя часть которых представлена хорошо разложившимся детритом, обычно называемым сильноразложившимся торфом.
Аналогичное строение и торфяно-консервирован-ных детритопрофилей.
Несколько другой вариант — детритопрофили, имеющие строение Оч—Т1—Т2—Ат, названные нами торфянисто- или (при большой мощности) торфя-но-перегнойными. У них непосредственно под слоем очеса и относительно преобразованной торфяной массой находится перегнойный гор. Ат, у которого, в отличие от сильноразложишегося торфа (Т3), органо-минеральный характер, что приближает его к гуму-сово-аккумулятивному горизонту.
Разнообразие строения детритопрофилей этим не ограничивается. Довольно широко распространены детритопрофили со сложным строением, имеющим не только горизонт сильноразложившегося торфа, но и перегнойный. Такие детритопрофили имеют строение типа Оч—Т1—Т2—Т3—Ат и названы нами торфянисто- или торфяно-перегнойно-консервиро-ванными.
Таким образом, общее число подгрупп в группе торфянистых и торфяных подстилок — восемь; их выделение позволило провести группировку описанных детритопрофилей для всего указанного района.
Результаты и их обсуждение
Существует координация типов леса и типов растительности. Они хорошо соотносятся. Фактически формируется три группы сообществ (табл. 1). Первая имеет довольно незначительное разнообразие в отношении типологии детритопрофилей и подразделяется на две подгруппы, различающиеся по условиям дренированности. В подгруппу с относительно хорошо дренированными местообитаниями входят сосновые экосистемы с минимальным разнообразием: в них обнаруживаются лишь деструктивные и ферментативные детритопрофили, причем первые преобладают. В подгруппу менее дренированных входят
темнохвойные леса, в условиях которых идет формирование перегнойных и ферментативных детритопро-филей, что хорошо коррелирует с богатством опада в этих экосистемах. Невелико разнообразие в тундровых экосистемах, где ведущая роль принадлежит деструктивным детритопрофилям, с одной стороны, и перегнойным и торфянисто-консервированным — с другой. Разнообразие строения детритопрофилей увеличивается в условиях ольховых стлаников, однако и в них, как и в тундровых экосистемах, преобладают деструктивные и перегнойные детритопро-фили. Несколько большее разнообразие обнаруживается в кедровом стланике, но здесь, в отличие от ольхового, возрастает вклад торфянистых и торфяных разностей.
Вторая группа — лесные экосистемы с широким диапазоном строения детритопрофилей. В этом отношении первое место принадлежит лиственничникам, которым присущи детритопрофили, отражающие разные экологические условия, — от деструктивных, ферментативных и гумифицированных до разностей торфянистой и торфяных групп. Ельникам также свойственно высокое разнообразие детритопро-филей, но с относительным увеличением перегнойных разностей, на которые приходится около 60%. Смешанные елово-лиственничные насаждения также имеют довольно разное строение детритопрофилей
Таблица 1
Встречаемость типов детритопрофилей в разных типах экосистем, % (и = 500)
Тип детритопрофиля Хвойные Лиственные Интразональные
темнохвойный лес* сосняк ельник лиственничник елово-лиственничник кедровый стланик березняк ольховый стланик пойма болото, марь тундра
Деструктивный 17 75 9 9 5 12 21 31 63 38
Ферментативный 33 25 4 10 3 4 19 4
Гумифицированный 2 3 7 6 4
Перегнойный 42 21 15 14 32 19 38 9 2 25
Сухоторфянистый 1 4 2
Торфянистый 9 18 8 20 12 6 6 2
Торфяной 8 4 5 5 33
Торфянисто-консервированный 5 6 3 7 6 2 25
Торфянисто-перегнойный 38 10 32 8 5 3
Торфянисто-перегнойно-консервированный 7 2 5 4
Торфяно-консервированный 2 15 16 12 7 6 5 53 13
Торфяно-перегнойный 4 6 4 6 2
Торфяно-перегнойно-консервированный 1 8
*Под темнохвойным понимается лес, в котором преобладают теневыносливые виды хвойных деревьев (ель, пихта).
и неплохо коррелируют в этом отношении с чистыми лиственничниками. Интересно, что вторичные леса, в первую очередь березняки, обладают хорошими условиями для процессов преобразования органического вещества. По крайней мере около 50% детритопрофилей приходится на деструктивные, ферментативные и гумифицированные типы.
Третья группа — собственно пойменные ландшафты с высокой скоростью оборота органического вещества и периодическим паводковым режимом, которые создают предпосылки для развития преимущественно деструктивных детритопрофилей (табл. 1) при слабом участии торфянистых и торфяных групп.
Особое место занимают болотные экосистемы с преимущественным и вполне закономерным для них формированием торфяных и торфяно-консерви-рованных детритопрофилей.
Важная экологическая характеристика условий формирования детритопрофилей — наличие мерзлоты. Имеющиеся данные показывают, что наиболее часто она обнаруживается в лиственничниках и болотных экосистемах, тогда как в темнохвойных лесах ее присутствие не установлено (табл. 2). Возможно, это связано со спецификой почвообразующих пород и горным рельефом.
Таблица 2
Частота встречаемости мерзлоты и признаков пирогенности в различных типах экосистем, %
Тип экосистемы Встречаемость мерзлоты Встречаемость признаков пирогенности
Темнохвойный лес нет 17
Сосняк 25 50
Ельник 11 45
Лиственничник 79 53
Елово-лиственничник 32 46
Кедровый стланик 19 42
Березняк 10 64
Ольховый стланик 19 25
Пойма 10 16
Болото, марь 64 13
Тундра 38 50
Следы пирогенеза обнаруживаются в почвах во многих типах леса: в меньшей степени — в темно-хвойных лесах, болотах и поймах, максимально — в березовых лесах, что вполне закономерно, так как эта экосистема в таежной зоне обычно возникает как одна из стадий послепожарных сукцессий. Сопоставление частоты встречаемости мерзлоты и пи-рогенности показывает, что, если исключить крайние варианты (пойма, болота и березняки), наблюдается довольно хорошая связь между этими двумя
параметрами. Это говорит о более высокой сохранности следов пирогенеза при наличии мерзлоты, что вполне закономерно.
Типы детритопрофилей и частота встречаемости в них мерзлоты довольно хорошо соотносятся между собой:
торфяно-консервированный — 72%;
торфяно-перегнойно-консервированный — 71%;
торфяной — 56%;
торфяно-перегнойный — 42%;
торфянисто-консервированный — 33%;
торфянисто-перегнойно-консервированный — 18%;
торфянисто-перегнойный — 17%;
перегнойный — 13%;
торфянистый — 13%;
ферментативный — 7%;
гумифицированный — 6%;
деструктивный — 3%.
Закономерно, что по мере усложнения строения детритопрофилей и увеличения количества законсервированного органического вещества мерзлота обнаруживается более чем в 50 случаях. Особенно это заметно при переходе к детритопрофилям торфяного характера.
Вне сомнения, что мерзлота — ведущий фактор, обусловливающий усложнение строения детри-топрофиля вследствие того, что она не только тормозит процессы разложения, но и препятствует оттоку вновь образующихся продуктов.
При строгом подходе к зоне максимального преобразования органического вещества должны быть отнесены только собственно гумусово-аккумулятив-ные горизонты. В описываемых условиях, вероятно, можно говорить преимущественно о горизонтах переходных типов, которые и были обозначены нами как АтА1. Их мощность варьирует в значительных пределах: от 7 (деструктивные типы детритопрофи-лей) до 0,2 см (торфяно-консервированные разности). Максимальная мощность перегнойных горизонтов (Ат) составляет 9,3 см и обнаруживается в торфя-но-перегнойно-консервированных детритопрофилях, причем общий диапазон ее колебаний в этих горизонтах весьма незначителен, что хорошо видно из приводимых ниже данных (табл. 3).
Таблица 3
Средняя мощность горизонтов с интенсивным преобразованием органического вещества в разных типах детритопрофиля, см
Тип детритопрофиля 03 Т3 Ат АтА1 Всего
Деструктивный (01) 7,2 7,2
Ферментативный (01—02—02') 5,5 5,5
Гумифицированный (01—02—03) 3,7 2,7 6,4
Перегнойный (01—02—...Ат) 8,1 3,4 11,5
Торфянистый 1,8 1,8
Торфянисто-консервированный 5,9 2,3 8,2
Окончание табл. 3
Тип детритопрофиля 03 Т3 Ат АтА1 Всего
Торфянисто-перегнойный 6,5 7,3 13,8
Торфянисто-перегнойно-консер-вированный 6,0 7,9 0,6 14,5
Торфяной 0,6 0,6
Торфяно-перегнойный 9,3 0,2 9,5
Торфяно-консервированный 18,6 0,2 18,8
Торфяно-перегнойно-консерви-рованный 12,6 9,6 22,2
Следует отметить характерную деталь — по мере движения от экосистем с относительно хорошими условиями разложения к менее благоприятным наблюдается закономерное уменьшение доли, приходящейся на гумусово-аккумулятивные горизонты с постепенным их замещением на перегнойные и консервированные.
Заключение
Впервые на основе использования новой структурной единицы — детритопрофиль — удалось детально описать особенности превращения органического вещества в разных типах экосистем малоисследованных районов Приохотья. Основная дифференциация детритопрофилей при слабом накоплении гумуса в почве происходит в пределах собственно торфяной массы, что обусловлено спецификой гидротермических условий на фоне мерзлоты и горного рельефа. Показано, что предложенные типологические единицы детритопрофилей служат хорошей основой для дифференциации разных экосистем. Это позволяет предположить, что разработанные классификационные подходы к диагностике и группировке детритопрофилей могут успешно использоваться для других, близких к изученным в почвенно-географи-ческом отношении районов и быть полезными при изучении почвенного покрова, включая картографию, типизацию экосистем и поведение углерода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акишина М.М., Богатырёв Л.Г. Особенности географического распространения лесных подстилок. Saarbrucken, 2011.
2. Алябина И.О., Лапаева О.Н. Картографический анализ пространственного распространения органогенный и органо-минеральных горизонтов и их связи с растительным покровом // Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно преобразованных экосистем (Мат-лы II Межждунар. науч.-практ. конф.). Иркутск, 2006.
3. Богатырёв Л.Г. О классификации лесных подстилок // Почвоведение. 1990. № 3.
4. Богатырёв Л.Г, Алябина И.О. Поведение органического углерода в почвах // Национальный атлас почв Российской Федерации / Под ред. С.А. Шобы. М., 2011.
5. Богатырёв Л.Г, Алябина И. О., Маречек М. С. и др. Подстилка и гумусообразование в лесныгх формациях Камчатки // Лесоведение. 2008. № 3.
6. Бондарь В.И, Строганова М.Н. Разнокачественность морфонов и микронеоднородность почвенного покрова // Генезис и экология почв Центрально-лесного государственного заповедника. М., 1979.
7. Воронин А.Д. Методологические принципы и методическое значение концепции иерархии уровней структурной организации почвы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1979. № 1.
8. Герасимова М.И, Губин С.В., Шоба С.А. Микроморфология почв природных зон СССР. Пущино, 1992.
9. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенный ландшафтов. М., 2007.
10. Гришина Л.А. Гумусообразование и гумусное состояние почв. М., 1986.
11. Малинина М.С., Караванова Е.И. Иерархические уровни и показатели неоднородности химического состава и свойств лесныгх почв северо-таежныгх ландшафтов // Почвоведение. 2002. № 8.
12. Мотузова Г.В. Природа буферности почв к внешним химическим воздействиям // Почвоведение. 1994. № 4.
13. Мотузова Г.В. Соединения микроэлементов в почвах: системная организация, экологическое значение, мониторинг. М., 1999.
14. Розанов Б.Г. Морфология почв. М., 1983.
15. Рыжова И.М, Подвезенная М.А. Пространственная вариабелыносты содержания и запасов углерода в почвах лесных биогеоценозов разной степени увлажнения // Тр. Звенигород. биостанции. № 5. М., 2011.
16. Фридланд В.М. Структура почвенного покрова. М., 1972.
17. Austin A.T, Bailaré C.L. Dual role oflignin in plant litter decomposition in terrestrial ecosystems // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. Vol. 107, Iss. 10.
18. Jenkinson D.S., Adams D.E, Wild A. Global warming and soil organic matter // Nature. 1991. N 351.
19. Lützow M. von, Kogel-Knabner I. Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition — what do we know? // Biol. and Fertil. of Soils. 2009. Vol. 46, Iss. 1.
20. Tewksbury C.E., Miegroet H. van. Soil organic carbon dynamics along a climatic gradient in a Southern Appalachian spruce-fir forest // Can. J. Forest Res. 2007. Vol. 37, Iss. 7.
21. Waldrop M.P., Harden J.W. Interactive effects of wildfire and permafrost on microbial communities and soil processes in an Alaskan black spruce forest // Global Change Biol. 2008, Vol. 14, Iss. 11.
Поступила в редакцию 22.01.2012
SOME FEATURES OF ORGANOPROFILEY'S MORPHOGENY IN INSUFFICIENTLY EXPLORED ECOSYSTEMS OF THE COAST OF THE SEA OF OKHOTSK
L.G. Bogatyrev, M.S. Malinina, V.P. Samsonova, M.M. Akishina, D.V. Dobrynin, A.I. Benediktova
The features of detritus profile's formation of some ecosystems of the coast of the Sea of Okhotsk are discussed. First detritus profile's grouping based on a detailed analysis of the structure of more than 500 soil profiles and the using of statistical methods was conducted. A new concept of detrito-profile is proposed. It allows us to consider litter, peat and peat formation in the same frame. It is shown that a wide variety of detritus profile's structure caused by specific conditions of their formation in permafrost and mountain terrain. It is found that humus and humic horizons due to their great age are invariant towards upper horizons and do not correlate with other subhorizons thus discovering their independence. The interrelation of detritoprofiley's types with forest types and characteristics of organic matter transformation was shown.
Key words: detritoprofile, the coast of the Sea of Okhotsk, organic matter.
Сведения об авторах
Богатырёв Лев Георгиевич, канд. биол. наук, доцент каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-39-80; e-mail: bogatyrev.l.g@yandex.ru, bogatyrev@ps.msu.ru. Малинина Мария Сергеевна, канд. биол. наук, вед. науч. сотр. каф. химии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-45-89; e-mail: malininams@mail.ru. Самсонова Вера Петровна, докт. биол. наук, доцент каф. общего земледелия и агроэкологии ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-35-24; e-mail: vkbun@mail.ru. Акишина Мария Михайловна, аспирант каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: voronmari6@gmail.com. Добрынин Дмитрий Владимирович, вед. эксперт ИТЦ «СКАНЭКС», науч. сотр. каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: press@scanex.ru. Бенедиктова Анна Игоревна, канд. биол. наук, инженер каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-39-80; e-mail: bogatyrev.l.g@yandex.ru.
