CC BY
101
УДК 631.48
Е. В. Абакумов, Д. Ю. Власов, Г. А. Горбунов, И. А. Козерецкая, В. А. Крыленков,
В. Е. Лагун, В. В. Лукин, Е. В. Сафронова
СОДЕРЖАНИЕ И СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ЛИТОЗЕМОВ ОСТРОВА КИНГ-ДЖОРЖ, ЗАПАДНАЯ АНТАРКТИКА
Введение. Природа Антарктики привлекает особое внимание естествоиспытателей, поскольку этот регион является наименее нарушенным, характеризуется экстремальностью существования почв и биоты, отличается очень низкой изученностью основных экосистемных, биогенно-аккумулятивных и геохимических процессов. Почвы некоторых частей Антарктического континента исследованы в различных направлениях, среди которых следует отметить изучение морфологии и физических свойств криосолей [24], наблюдение за свойствами криосолей в случае разливов углеводородов [17], изучение выветривания пород и минералогии почв [6, 29, 30]. Гораздо больше работ посвящено биогенной аккумуляции веществ растительного происхождения в почвах [4, 16, 18, 19, 26] и орнитогенным почвам [14, 31]. Классификация Антарктических почв рассматривается в работах [3, 27, 31], имеются данные о почвах различных районов Восточной и Западной Антарктики [3, 4, 9, 10, 21-23]. В наибольшей степени изучены почвы о-ва Кинг-Джордж, входящего в состав Антарктического п-ова. Подробное исследование почв здесь проведено Ф. Н. Б. Симасом и соавторами [32]; в ходе этих работ все почвы острова были разделены на 4 группы: почвы на базальтах и андезитах с маловыраженным гумусовым горизонтом (доминируют на возвышенностях острова), сульфатнокислые почвы на суль-фидсодрежащих андезитах (распространены локально), слаборазвитые орнитогенные почвы на дериватах базальтов и андезитов в участках скопления перелетных птиц (почвы встречаются периодически на всех возвышенных участках, свободных ото льда) и орнито-генные типичные почвы, формирующиеся под скоплениями гуано пингвинов, в основном в прибрежной части. Массовые анализы показали достоверное накопление органического вещества в орнитогенных типах почв, минимальное содержание органического углерода в литоземах на базальтах и андезитах. В другой работе этих же авторов [31] было показано резкое увеличение обогащенности органического вещества азотом в орнитогенных почвах. Аналогичные данные об уровнях накопления органического вещества и обогащенности гумуса азотом в почвах под лишайниками и орнитогенных почвах были приведены в статье [32]. Известно, что органическое вещество почв Антарктики слабо гумифицировано, в нем преобладают фульвокислоты и детритные формы неразложившегося гумуса [4]. В органическом веществе литоземов Антарктики содержится существенная доля водорастворимых компонентов [16]. В целом упомянутые особенности связаны с низкой биологической активностью антарктических почв. Здесь зафиксирована невысокая численность почвенных микроорганизмов [5]. Вместе с тем биологическое разнообразие литобионтных сообществ во многом определяет динамику и степень накопления органического вещества в литоземах. Доминирующими компонентами таких сообществ выступают лишайники,
© Е. В. Абакумов, Д. Ю. Власов, Г. А. Горбунов и др., 2009
мхи, а также литобионтные микроскопические грибы (микромицеты) и водоросли. Важно отметить, что на обнажениях и обломках горных пород зафиксировано присутствие микроскопических грибов, способных к активному участию в процессах трансформации субстратов [5]. Прежде всего, речь идет о быстрорастущих мицелиальных грибах из родов Trichoderma и Penicillium, а также темноокрашенных дрожжеподобных грибах, характеризующихся повышенной устойчивостью к экстремальным внешним воздействиям. Наиболее богатыми по составу микробиоты являются почвы в местах концентрации колоний птиц или морских млекопитающих [14]. Здесь формируются специфические «орнитофильные» микробные сообщества, характеризующиеся высокой насыщенностью и разнообразием дрожжевых и мицелиальных грибов. Известно также, что в местах обильного развития мхов разнообразие и численность микромицетов существенно возрастают, а биологическая активность почвы заметно повышается [33].
Для циркумполярных зон вообще характерны замедленные темпы гумификации органического вещества, что связано с низкой продолжительностью биологического периода, а также невысокими величинами поступления опада в почву. Отмечено формирование значительных запасов органического вещества в почвах прибрежных зон Антарктиды, сопоставимое с таковым в почвах аналогичных районов Арктики [3, 4]. Это связано в первую очередь с орнитогенным и литоральным (под воздействием водорослей) накоплением в почвах органического вещества. Временные сроки поступления опада в почвы Антарктики лимитированы короткими периодами вегетации, а продолжительность периодов разложения опада лимитируется температурными условиями. Таким образом, исходя из современных представлений о процессе гумификации [1, 11], в почвах Антарктического континента такой процесс не может осуществляться активно.
Замедленность процессов гумификации и минерализации органического вещества, связанная с климатическими условиями, а также с низкой активностью микобиоты, [4] приводит к своеобразной консервации растительных остатков и соответствующему аккумулятивному типу гумусообразования в органогенных горизонтах слаборазвитых литогенных почв.
На морфологическую организацию профилей литоземов, их микроморфологические характеристики и вещественный состав существенное влияние оказывает состав растительного опада, поступающего в почву. Так в почвах, где фитоценотический компонент представлен мхами, процессы гниения и трансформации органического вещества выражены минимально [26], что авторы данной статьи для почв Западной Антарктики связывают ингибирующим влиянием лишайников на микрофлору почв [4]. При появлении в составе опада компонентов трав процессы гумификации усиливаются, что обычно обусловлено изменением состава опада и усилением активности почвенной фауны [26]. Максимальная степень выраженности процессов гумификации и биогенной оструктуренности была характерна для почв, формирующихся под куртинами Deshampsia antarctica — единственного представителя травянистых растений, обитающего на побережьях Антарктики [26]. Авторами вышеуказанной работы отмечено накопление фитолитов (микродисперсного кальцита), а также сходство обнаруженных горизонтов L-F-H литоземов Антарктики с таковыми горизонтами горных почв Болгарии. Таким образом, для Болгарской станции Ливингстон было впервые показано, что интенсивность биогенно-аккумулятивных процессов (дифференциации органопрофиля на горизонты, минерализации и биогенного оструктуривания) тесно связана с происхождением растительных остатков. Между тем не было показано влияния типа растительных остатков на интенсивность гумификации, состав гумуса, количество отдельных фракций гумусовых кислот, содержание и запасы гумуса и азота,
т. е. на основные параметры гумусного состояния литоземов Антарктики, что и явилось целью нашей работы для западных регионов континента. Ранее опубликованные данные
[31] о содержании гумуса в почвах под щучкой касаются только орнитогенных почв.
Хотя органическое вещество почв о-ва Кинг-Джорд изучено ранее — была проведена оценка запасов гумуса, обогащенности его азотом, характеристика структурных фрагментов методами пиролизной масс-спектрометрии и ядерного магнитного резонанса [20], но до сих пор не было выявлено отличий в количественном накоплении гумуса и азота, а также групп гуминовых и фульвокислот в почвах, формирующихся под куртинками низших (лишайников) и высших (щучка) растений в условиях субантарктического климата.
В связи с целью работы были поставлены следующие задачи:
• морфологическое изучение профилей литоземов, выделение горизонтов, анализ морфологических форм гумуса;
• определение химического состава растительных остатков основных гумусо-образователей;
• определение основных параметров гумусного состояния литоземов [7, 11];
• сравнительная характеристика гумусного состояния литоземов, сформированных под лишайниками [4], а также литоземов под куртинками Deshampsia antarctica.
Объекты и методы исследования. Перед описанием собственно объектов исследования следует остановиться на характеристике природных условий гумусообразования на о-ве Кинг-Джордж. При изучении почв и различных видов вечной мерзлоты выделяется три экоклиматических региона Антарктики [21]: Антарктический п-ов и острова, береговая часть Антарктики, континентальная Антарктида, наиболее характерно представленная Трансантарктическими горами, а также многочисленными нунатаками и вулканическими возвышенностями. Остров Кинг-Джордж относится к первому экоклиматическому району, т. е. Антарктическому п-ову, и именно той его части, которая расположена севернее изотермы среднегодовых температур -1 °С. Эта часть Антарктического континента соответствует субантарктической тундре. Согласно работе [31], средневзвешенное значение температуры воздуха на о-ве Кинг-Джордж составляет -6,4 °С в июле и +2,3 °С в феврале, среднегодовое количество осадков — 336,7 мм. Максимальное количество жидких осадков выпадает с ноября по март, в этот период большая часть п-ова Файлдс, не занятая ледником, освобождается от снега. Летом здесь обнажаются от снега значительные площади грунта, но почвообразование осуществляется только на вершинах холмов и останцов, раньше всего освобождающихся от снега, и в прибрежных районах, также характеризующихся более мягким климатом.
Объектами исследования являются литоземы, описанные на ст. Беллинсгаузен, (о. Кинг-Джордж), а также растительные остатки щучки антарктической, отобранные на островах Ургувай, Пингвин Поинт (Аргентинские о-ва). Материал для исследования был собран в периоды экспедиционных работ (2003-2007) в Антарктике Д. Ю. Власовым, Г. А. Горбуновым, В. А. Крыленковым, В. Е. Лагуном, И. А. Козерецкой и передан для исследования в БНИи СПбГУ.
Весной 2006 г. были отобраны образцы 4 профилей литоземов для учета пространственной структуры гумусонакопления, а также получения данных о запасе и составе гумуса в литоземах.
Два профиля литоземов отобраны с места произрастания Deshampsia antarctica и Colobanthus quitensis, высота над уровнем моря 2 м. Еще в 1979 г. эта территория была покрыта ледником. Площадка находится к северо-востоку от ледника (берег пролива
Дрейка), рельеф ровный, плоская поверхность небольшого по высоте, но большого по территории холма. Иногда локалитет посещают пингвины. Общее проективное покрытие растительности 56 %. На площадке 3 х 3 м2 обнаружено 42 куртины Deshampsia antarctica и 27 куртин Colobanthus quitensis. Два других профиля были заложены на площадке 006, с тем же типом растительности, на небольшой скале между морем и пресным озером на высоте 2 м над уровнем моря. Общее проективное покрытие растительности достигает 63 %, для Deshampsia antarctica покрытие равно 30 %, для Colobanthus quitensis — 3 %, для мхов — 30 %. Лишайники встречаются на голых фрагментах скал и ценотически инертны. На площади 3x3 м2 встречено 16 куртин Deshampsia antarctica и 128 куртин Colobanthus quitensis. Эти почвы находятся в микропонижениях и испытывают дополнительное увлажнение по сравнению с первыми двумя разрезами. В 200 м к востоку от холмов, где расположены разрезы под куртинками щучки, ранее был изучен литозем под лишайником, данные о котором опубликованы [14] и используются в дальнейшем для сравнительной характеристики гумусового состояния почв. Ранее опубликованные данные касались ли-тозема, развивавшегося под лишайником Usnea aurantiaco-atra (Jacq.) Bory., в настоящей работе две пары профилей представляют собой почвы, формирующиеся под высшим травянистым растением, и поэтому представляют особенный объект исследования.
Таким образом, в данном исследовании проводится сравнение двух разрезов, находящихся в условиях автоморфного режима и двух разрезов, находящихся в микропонижениях, испытывающих дополнительное увлажнение.
Все изученные литоземы под щучкой являются молодыми почвами — их возраст около 27 лет. Вероятно, и почвы под лишайником того же возраста, поскольку находятся вблизи от мест заложения разрезов под щучкой. О различном возрасте почв можно было бы говорить, если бы проводилось сравнение почв различных частей п-ова Файлдс.
В образцах почв определяли:
1) содержание углерода органических соединений по И. В. Тюрину [2];
2) содержание валового азота фотометрически с реактивом Несслера [2] и молекулярное отношение C/N [8];
3) фракционный и групповой состав гумуса по В. В. Пономаревой и Т. А. Плотниковой [12];
4) содержание фракций хемодеструкционного фракционирования органического вещества почв [13];
5) содержание углерода водорастворимых органических веществ (ВОВ). В связи с чрезвычайным разнообразием методических рекомендаций по определению ВОВ (в англоязычной литературе DOC) мы остановились на следующей комбинации аналитических процедур: навеску почвы или опада, растертую до размера менее 0,25 мм, заливали десятикратным количеством воды, подогретой до 70 ОС, и через три часа в аликвоте фильтрата определяли содержание углерода фотометрически при помощи косвенного бихроматного метода [15];
6) измеряли скорость минерализации органического вещества при температуре инкубирования 20 °С, влажности — 60 % от наименьшей влагоемкости [27], доля минерализовавшегося углерода измерялась каждую неделю по эмиссии углекислого газа, время инкубации — 4 недели, после чего вычисляли среднюю скорость минерализации органического вещества за месяц;
7) определяли элементный состав растительных остатков на C-H-N-анализаторе с последующим вычислением теплоты сгорания органического вещества по формуле Д. М. Менделеева [8];
8) по полученным данным, характеризовали гумусное состояние изученных почв согласно рекомендация Л. А. Гришиной и Д. С. Орлова [7].
Нужно отметить, что перед химическими анализами образцы почв весом около 300 г каждый разделяли методом сухого просеивания для дробного анализа на содержание органического углерода. Остальные показатели определяли для мелкозема (<1 мм).
Результаты исследования и их обсуждение. Общая характеристика почв. В табл. 1 приведены морфологические характеристики двух литоземов, изученных на о-ве Кинг-Джордж (ст. Беллинсгаузен) в 2006 г. Один из изученных профилей расположен на ровной автоморфной позиции, сложенной щебнистыми элювиями коренных пород (разрез повторно обозначен как разрез 2). Другой разрез заложен в мезопонижении около 50 см, что способствует дополнительному притоку влаги (в таблицах разрезы 3 и 4). Поверхность коренных пород (базальтов и андезито-базальтов) покрыта маломощным чехлом элювия, межглыбовые пространства также заполнены грубообломочным элювием. Окраска элювия — серая, местами темно-серая, что придает почве темные тона окраски. Изученные профили состоят из нескольких горизонтов: подстилки, гумусового горизонта (он разделяется на два подгоризонта — сверху горизонт плотно пронизанный корнями, ниже — слой накопления органического вещества, ассоциированного с мелкоземом) и слоя щебнистого грубообломочного делювия. Гумусовый горизонт почвы в мезопонижении отличается более темными тонами серой окраски по сравнению с аналогичным горизонтом почвы в автоморфной позиции.
Проанализированные литоземы отличаются по морфологическим особенностям от литоземов, изученных ранее [4]. Дело в том, что литоземы, изученные ранее, были сформированы под лишайником Usnea aurantiaco-atra, который локально доминирует в напочвенном покрове о-ва Кинг-Джордж, гораздо реже встречаются куртинки щучки (рисунок).
Перед рассмотрением конкретных характеристик органического вещества необходимо особое внимание уделить содержанию в почвах мелкозема (см. табл. 2). Дело в том, что гумусонакопление в почвах циркумполярных областей осуществляется в массе щебнистого материала, содержащей незначительную долю мелкозема. Данные сухого просеивания показали, что содержание мелкозема максимально в дерновых горизонтах, что
Поверхность почвы с куртинками Deshampsia antarctica и Usma antarctico-arta
Морфологические показатели почв
Горизонт Глубина Окраска Вещественный состав Гранулометрический состав мелкозема Сложение Структура
Разрез 1, Литозем дерновый светлогумусовый, автоморфные позиции, площадка 016, Беллинсгаузен
ОА 0-1 Желто-бурый Ветошь из тканей щучки, примесь песчаных зерен и обломков массивно-кристаллических пород - Рыхлый -
А 1-3 Темно-серый с буроватым оттенком Горизонт переплетен корнями щучки, встречаются угловатые обломки камней Легкий суглинок Рыхлый Мелкзернистая
А 3-7 Буровато-серый Мелкозем хорошо переплетен корнями, много камней размером до 3 см Легкий суглинок Уплотнен Зернисто- мелкокомковатый
АС 7-15 Серый Состоит в основном из камней, между которыми аккумулируется мелкозем с проникающими иногда корнями Легкий суглинок Уплотнен Мелкокомковато- пылеватый
С 15-30 Светло-серый Камни с минимальным количеством мелкозема Супесь Плотный -
Разрез 3, Литозем дерновый светлогумусовый, испытывает небольшое дополнительное увлажнение, площадка 006, Беллинсгаузен
ОА 0-2 Темно-бурый Ветошь щучки, примесь песчаных зерен и обломков массивнокристаллических пород - Рыхлый -
А 2-6 Темно-бурый Слаборазложившиеся остатки щучки с примесью мелкозема Легкий суглинок Уплотнен Мелкозернистый
А 6-12 Темно-серый Хорошо пронизан корнями Супесь Уплотнен Крупнокомковатый
АС 8-12 Серый Каменистый субсрат с примесью мелкозема, детритного гумуса и корней Супесь Уплотнен Пылеватый
С 12-25 Светло-серый Каменистый субстрат с примесью мелкозема песчаного состава Супесь Плотный -
связано с его накоплением за счет органического вещества, в том числе и его детритных слаборазложившихся форм. Содержание мелкозема в горизонтах изученных почв весьма изменчиво — от 22 до 55 %. Основные аналитические данные, приведенные ниже, относятся как раз к этой части почвы, т. е. мелкозему. При этом не выявляется четких закономерностей распределения песчаных фракций мелкозема по профилю. Примечательно, что среди фракций скелета преобладают частицы размером 1-2 мм, т. е. частицы, которые представляют собой самую крупную фракцию во фракции мелкозема < 2 мм, как это принято в зарубежном почвоведении.
Изученные литоземы под куртинками щучки очень слабо отличаются по составу мелкозема от ранее изученных литоземов под лишайниками [4]. Итак, изученные почвы относятся в высокощебнистым, с невысоким или средним содержанием минерального мелкозема, а следовательно, характеризуются высокой водопроницаемостью и низкой «концентрацией» мелкозема и в особенности тонкодисперсных его фракций как базиса для органо-минеральных взаимодействий.
Элементный состав растений гумусообразователей. Элементный состав растительных остатков, который отражает специфику антарктических растений как гуму-сообразователей, приведен в табл. 3. Свежие растительные остатки щучки и лишайника сходны по элементному составу. Они характеризуются невысоким содержанием углерода и кислорода на фоне повышенного содержания водорода. Степень обогащенности этих растительных остатков азотом — низкая, при этом содержание азота относительно углерода в органическом веществе щучки примерно в два раза больше, чем в лишайнике. Таким образом, щучка как травянистое растение, при попадании в почву должна в большей степени обогащать ее азотом.
Свежие растительные остатки отличаются низкой калорийностью и положительной величиной степени окисленности. Перегнившие растительные остатки изучены в микропонижении для горизонта ОА. В процессе постмортальной трансформации органический материал щучки существенно изменяется: происходит некоторое увеличение содержания органического углерода, резко снижается содержание кислорода и существенно увеличивается обогащенность органического материала азотом. Это свидетельствует о постепенной
Таблица 2
Содержание фракций скелета и мелкозема в почвах
Фракции, мм >7 7-5 5-3 3-2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 <0,25
Разрез 1
А 24 9 5 5 15 6 19 17
А 27 7 10 12 21 6 1 16
АС 15 5 8 9 34 4 1 24
Разрез 2
А 15 9 17 9 19 7 2 10
А 16 10 16 13 18 5 2 20
АС 13 11 14 14 26 3 1 18
Разрез 3
А 3 3 2 0 61 7 12 12
АС 10 2 3 4 48 11 20 2
Разрез 4
А 6 4 5 9 21 16 16 23
АС 3 3 6 8 39 15 20 6
Элементный состав растительных остатков
С Н N О С Н N О Н/С О/С С/Ы Q, ккал/кг ю
Массовые % Атомные %
Usnea. ant с Беллинсгаузен, свежий материал
41,67 5,90 1,30 51,13 27,34 46,72 0,70 25,21 1,71 0,92 39,05 3816 +0,140
Deshampsia antarctica с Беллинсгаузен, свежий материал
31,50 5,05 1,91 41,54 25,19 48,56 1,34 24,90 1,93 0,99 18,80 2986 +0,049
Deshampsia antarctica c Галиндез, свежие отмершие растительные остатки
34,45 5,20 4,17 31,13 27,72 50,53 2,90 18,84 1,82 0,68 9,55 3451 -0,463
Deshampsia antarctica c Галиндез, растительные остатки из дернины
37,80 5,18 3,35 33,67 29,36 48,46 2,23 19,94 1,65 0,68 13,17 3741 -0,292
Примечание. ю — расчетная степень окисления — восстановления органического вещества
и медленной гумификации в растительных остатках в полугидроморфных условиях, отличной от быстрых процессов окисления и дегидрогенизации, характерных для евразийских почв в субаэральных условиях. Калорийность растительных остатков в процессе трансформации увеличивается за счет увеличения содержания углерода в молекулах и снижения доли кислородсодержащих групп. Косвенно это может свидетельствовать об увеличении степени ароматичности (бензоидности) органического вещества отмерших растительных остатков в составе антарктического детрита дерновых горизонтов.
Содержание органического углерода, общего азота и углерода водорастворимой фракции органического вещества в литоземах. Содержание органического углерода в изученных литоземах — невысокое (табл. 4). Исключение составляют фрагментарные горизонты накопления маломощной подстилки или ветоши, формирующиеся под куртинка-ми щучки. Эти горизонты, обозначенные в описаниях как ОА, характеризуются величиной потери при прокаливании около 25-30 %, такое низкое содержание органического вещества в органогенных по морфологии горизонтах связано с накоплением зольных элементов в тканях щучки, а также существенной долей примесного мелкозема, что хорошо заметно после сухого озоления. При таких величинах потери при прокаливании содержание углерода около 7 % в органогенных горизонтах вполне возможно, т. е. это примерно те же 30-40 % углерода, которые обнаруживаются при элементном анализе «чистых» растительных остатков. Заметно, что мелкозем дернин почв, находящихся в мезопонижении (разрезы 3 и 4), в целом в большей степени обогащен органическим веществом, чем в почвах автоморфной позиции. Степень обогащености органического вещества азотом в изученных почвах относится к категориям средней и низкой, как и в литоземе, формирующемся под лишайником [4]. Таким образом, большее содержание азота в составе растительных остатков щучки по сравнению с лишайником (см. табл. 3) не приводит к накоплению азота в минеральных горизонтах. Между тем органическое вещество органогенных горизонтов в большей степени обогащено азотом по сравнению с почвами под лишайником.
По сравнению с ранее изученными почвами под щучкой [30], в почвах под щучкой отношение С^ гораздо (в два раза) шире, что связано с отсутствием влияния орнитокопоргенного процесса. Содержание органического вещества в гумусовых горизонтах изученных почв под щучкой несколько выше, чем в аналогичных почвах (без уточнения растения-гумусообразователя, но без влияния колоний птиц), описанных на базальтах и андезито-базальтах о-ва Кинг-Джордж [32]. Мы связываем это не с особенностями
Содержание органического углерода и азота в литоземах
Образец С N С^ % к фракции <1,00 мм
% к фракции < 0,25 мм
Разрез 1
ОА 7,22 0,20 42,24 7,22
А 0,77 0,08 11,26 0,81
А 0,69 0,08 10,10 0,71
АС 0,72 0,08 10,53 0,46
Разрез 2
ОА 6,62 0,49 15,81 6,62
А 1,40 0,18 9,10 1,28
А 0,99 0,11 10,53 0,74
АС 0,06 - - 0,25
Разрез 3
А 3,92 0,15 30,58 3,92
АС 0,33 - - 0,29
Разрез 4
ОА 7,16 0,58 14,44 7,16
А 0,59 0,08 8,62 0,39
АС 0,36 - - 0,23
почв, а с особенностями анализа, поскольку в зарубежных работах данные анализа приводятся к фракции с эффективным диаметром частиц менее 2 мм нами определение проводилось во фракции размером меньше 1 мм. Условный пересчет полученных данных на фракцию менее 2 мм, свидетельствует о том, что наши данные о содержании органического углерода под щучкой и лишайником не имеют достоверных отличий от тех, что приведены Ф. Н. Б. Симасом и соавторами
[32], хотя это сравнение вряд ли может иметь основания, поскольку ошибка среднего в данных [31] в 1,5 раза превышает само среднее значение, что связано с очень большой выборкой данных. Между тем наши данные о содержании органического углерода в почвах существенно отличаются в меньшую сторону от таковых для орнитогенных почв, описанных ранее [31].
Содержание органического углерода водорастворимых соединений в изученных почвах очень сильно изменяется в различных профилях и горизонтах (табл. 5). Минимальное содержание этой фракции наблюдается в растительных остатках, только что попавших на поверхность почвы. В органо-минеральных горизонтах содержание водорастворимого органического углерода существенно увеличивается, и в большинстве изученных почв оно максимально в самом нижнем горизонте, что является, вероятно, следствием миграции
Таблица 5
Содержание углерода водорастворимых органических веществ в мелкоземе почв
Горизонт С водорастворимый, % к почве С водорастворимый, в % к Собщ
Разрез 1
ОА 0,08 1,1
А 0,06 7,8
А 0,02 2,9
Разрез 2
А 0,11 11,1
А 0,04 66,8
Разрез 3
О 0,11 2,8
А 0,15 45,4
Разрез 4
О 0,04 0,6
А 0,05 8,5
А 0,05 13,9
органического вещества. Высокое содержание водорастворимых фракций органического вещества в составе гумуса свидетельствует, с одной стороны, об активных процессах разложения растительных остатков в почве, а другой — о замедленной гумификации и минерализации органического вещества, в противном случае водорастворимая фракция не содержалась бы в количествах целых или десятков процентов от общего углерода.
Скорость минерализации органического вещества. Изученные почвы (автоморф-ная и почва в мезопонижении) отличаются друг от друга по скорости минерализации органического вещества. Так, для горизонта ОА автоморфной почвы характерна скорость минерализации 29 мг СО2/100 г почвы в день, для того же горизонта из разреза 3 эта величина составляет 9 мг. В дернине и гумусовом горизонте скорость минерализации органического вещества составляет 24-29 и 12-15 мг для автоморфной почвы и почвы понижения соответственно. Из приведенных данных следует, что органическое вещество почвы понижения более устойчиво к минерализации, чем гумус автоморфной почвы. Это связано с вероятной консервацией органического вещества литозема в более влажных условиях.
Оценка устойчивости гумуса по данным хемодеструкционного фракционирования. Хемодеструкционное фракционирование органического вещества показало, что в его составе минимально содержание среднеокисляемой фракции. Лекгоокисляемое органическое вещество доминирует в дернине и самом нижнем горизонте — переходном к породе. Это хорошо согласуется с максимальным содержанием водорастворимого органического вещества в этих же горизонтах. Приведенные данные свидетельствуют о невысокой устойчивости гумуса изученных почв к окислению, а следовательно, и к минерализации (табл. 6).
Фракционно-групповой состав гумуса литоземов. Данные фракционно-группового анализа состава гумуса, приведенные в табл. 7, однозначно свидетельствуют о более глубокой гумификации растительных остатков в почве микропонижения. Здесь гумус характеризуется гуматно-фульватным составом в отличие от фульватного кислого гумуса литоземов первого и второго разрезов. Кроме того, в разрезе 3 заметно накопление фракции гуминовых кислот, связанных с кальцием. Это явление можно гипотетически связать с замкнутостью понижения, т. е. с тем, что оно представляет собой аккумулятивную форму микрорельефа, где могут накапливаться дополнительные количества щелочных и щелочноземельных элементов, возможно попадающих в почву в составе кальциевых фитолитов [26]. Примечательно, что содержание негидролизуемого остатка в почве микропонижения ниже, чем в разрезах 1 и 2. Необходимо помнить, что в почвах литоземного типа с преобладанием накопления органического вещества в органогенных и органо-минеральных горизонтах негидролизуемый остаток представлен не столько формами гумуса, прочно связанными
Таблица 6
Результаты хемодеструкционного фракционирования органического вещества литозема
(разрез 1), содержание органического вещества фракций в % к общему содержанию
органического углерода
Горизонт Лекгоокисляемое Среднеокисляемое Трудноокисляемое
ОА 39,3 10,9 49,7
А 72,7 5,2 22,1
А 37,7 7,2 55,1
АС 77,8 5,6 16,7
под лишаиником
горизонтах оторфованноИ подстилки,
а
3
химическими особенностями растений-гумусообразователеИ; повышенное содержание азота в опаде щучки не приводит к накоплению азота в мелкоземе почв, но способствует увеличению обогащенности гумуса азотом в органогенных горизонтах по сравнению с почвами, формирующимися под лишаИником;
с минеральной частью почвы, но в большей степени слабо разложившимися детритными формами, которые и преобладают, по всеИ видимости, в почвах автоморфных позиций. При ^ рассмотрении особенностеИ фракционного состава гумуса можно заметить, что в почве разреза 3 с минеральной частью почв ассоциированы в основном гуминовые кислоты, в то время как в автоморфных почвах именно фракции группы ^
фульвокислот наиболее представлены в качестве |
компонентов гумуса, ассоциированных с минеральной частью почвы. *
Рассматривая полученные данные в рамках 8
кинетической теории гумификации Д. С. Орлова я
[11], необходимо учесть, что длительность пе- «
риода биологической активности приблизительно ■&
должна быть одинакова для изученных почв, един- §
ственное отличие возможно по влажности почв. 2
Действительно, увеличение этого показателя ^
может способствовать в определенных границах увеличению глубины гумификации органическо- £
го вещества в почвах микропонижений. ^
Гумусное состояние литоземов под щуч- §
кой. В табл. 8 приведены данные, полученные как |
на основе опубликованных в настоящей статье, §
так и полученные ранее [4]. При анализе таблицы ^
выявляются следующие отличия гумусного со- &
стояния почв под щучкой по сравнению с почвами ^
со я н
в почвах под лишайником основной за- о
пас гумуса формируется в органогенных > в
а
о
в то время как гумус более равномер- в
но распределен в профилях почв под ^
щучкой, при примерно одинаковом §
соотношении скелета и мелкозема в по- о
„ я
чвах под щучкой и лишайником эти и
различия можно связывать только с био- Л
©
и
-&1 и + 0,50 61,7 15 05 48 08
а и
-& и к и 6 О, 0, 2 *4 0, 0 0,
о к 1-н ГО ^,00 о т 0,57 44,5 0,05 17,24
Сумма 0,47 58,0 0,58 45,3 0,15 51,7
Фульвокислоты т 0,21 25,9 55 01 0,02 6,9
0,10 12,3 0,08 6,7 0,04 3,7
- Разрез 1 0,10 12,3 Разрез 2 0,20 15,6 Разрез 3 0,04 3,7
0,06 7,4 0,05 3,9 0,05 17,2
Гуминовые кислоты Сумма 0,03 3,7 0,13 10,1 0,09 31,0
т 0,02 2,4 0,03 2,3 52 01
0,00 0,0 0,00 0,0 0,03 10,3
- 0,01 1,2 0,10 7,8 0,01 3,4
о° ,81 0, 8 ,2 9 ,2 0,
Горизонт < < <
Таблица 8
Сравнительная характеристика гумусного состояния литоземов Западной Антарктики
Показатель Литозем автоморф-ный, под щучкой Литозем в микропонижении, под щучкой Литозем автоморф-ный, под лишайником
Содержание гумуса в органо-минеральных горизонтах Очень низкое — низкое Высокое
Примерный запас гумуса во всей почве Очень низкий (1-3 кг/м2)
Профильное распределение гумуса Мезоморфное Эктоморфное
Тип гумуса (Сгк/Сфк) Ф ГФ Ф-ГФ
Степень гумификации органического вещества Сгк/Собщ Слабая Средняя Слабая — очень слабая
Обогащенность гумуса азотом Низкая — средняя Очень низкая Высокая — средняя
Содержание ГК, свободных и связанных с подвижными полуторными окислами Очень низкое
Содержание ГК, связанных с кальцием
Содержание ГК, связанных с глинистыми минералами и малоподвижными полуторными окислами Очень низкое Среднее Очень низкое — низкое
• на изученной территории (о. Кинг-Джордж) растения щучки не изменяют коренным образом направленность гумификации (по сравнению с почвами под лишайником), при этом не было обнаружено увеличения глубины гумификации органического вещества под щучкой, как это было выявлено Р. Илиевой [26] при помощи микроморфологического метода. Интересно, что если за степень гумификации принять не величину Сгк / Собщ, а Сгк + Сфк / Собщ, то степень гумификации органического вещества почв под щучкой окажется все-таки в 1,5-2 раза выше. Только при этом гумификация рассматривается как процесс образования гумино-вых веществ (гуминовых и фульвокислот в сумме), а не как процесс образования одних лишь гуминовых кислот. В этом случае интенсивность трансформации органического вещества под щучкой оказывается выше и тип гумуса «сдвигается» от грубого до муллеподобного, если к антарктическим почвам вообще применима классификация морфологических типов гумуса бореальных почв;
• в среднем гумус литоземов под щучкой более фульватный, чем под лишайниками, однако это свидетельствует о большей интенсивности трансформационных процессов, в ходе которых формируется существенное количество ГК и ФК;
• запасы гумуса в почвах Антарктики по сравнению с полнопрофильными почвами бореального пояса — очень низкие, при этом оценка запасов связана с множеством методических проблем (неоднородность пространственного распределения скелетной и мелкоземистой фракций, неоднородность пространственного накопления органического детрита в связи с парцеллярностью фитогенных полей);
• содержание гуминовых кислот первых двух фракций очень низкое, что свидетельствует о низкой степени гумификации органического вещества, лишь в ли-тоземах микропонижения под щучкой и литоземах под лишайником несколько увеличивается доля ГК, связанных с малоподвижными полуторными окислами и глинистыми минералами;
• для всех изученных почв о-ва Кинг-Джорж характерна крайне низкая степень гумификации органического вещества, преобладание фульвокислот в составе гумуса и низкая степень ассоциированности гумуса с минеральной частью мелкозема.
Заключение. Впервые для почв о-ва Кинг-Джордж при однообразном тренде гу-мусообразования, связанном с консервацией и медленной трансформацией органического вещества выявлены и существенные различия в составе и свойствах гумуса, связанные с биохимическими особенностями и кинетикой трансформации опада высших и низших растений. Для всех литоземов характерна относительно низкая степень гумификации органического вещества, невысокая доля гумусовых кислот, связанных с минеральной частью почв, обнаружена существенная доля водорастворимых фракций органического вещества и низкая устойчивость органического вещества к окислению. В однообразных условиях (почвообразующих пород, рельефа, климата) в один и тот же временной интервал формируются почвы с различным содержанием и составом гумуса, что свидетельствует о решающей роли биохимических особенностей растительных остатков высших и низших растений в кинетике процессов аккумуляции и трансформации органического вещества в Антарктиде.
* * *
Авторы выражают благодарность участникам Российской и Украинской антарктических экспедиций за содействие в работе.
Литература
1. Александрова Л. Н. Органическое вещество почв и процессы его трансформации. Л., 1980.
2. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. 2-е изд. Учебное пособие для студентов вузов. М., 1970.
3. Бейер Л., Пингпек К., Болтер М., Шнайдер Д., Блюме Г.-П. Вариабельность запасов углерода и азота в почвах Антарктического побережья (Земля Уилкса) // Почвоведение. 1998. № 5. С. 610-613.
4. Власов Д. Ю., Абакумов Е. В. и др. Литоземы о-ва Кинг-Джордж, Западная Антарктика // Почвоведение. 2005. № 7. С.773-781.
5. ВласовД. Ю., Горбунов Г. А., Крыленков В. А., Лукин В. В., Сафронова Е. В., Сенкевич Ю. И. Ми-кромицеты из районов расположения антарктических полярных станций (Западная Антарктика) // Микология и фитопатология. 2006. Т. 40. Вып. 3. С. 202-211.
6. Глазовская М. А. Выветривание и первичное почвообразование в Антарктиде // Научные доклады высшей школы. Геолого-географические науки. 1958. № 1. С. 63-76.
7. Гришина Л. А., Орлов Д. С. Система показателей гумусного состояния почв // Проблемы почвоведения (советские почвоведы к XI Международному конгрессу в Канаде, 1978 г.). М., 1978. С. 42-47.
8. Зикеев Т. А., Корелин А. И. Анализ энергетического топлива. Государственное энергетическое издательство. М.; Л., 1948.
9. Марков К. К. Некоторые данные о перигляционных явлениях в Антарктиде (Предварительное сообщение) // Вестн. МГУ им. М. В. Ломоносова. Сер. География. № 1. 1956. С. 139-147, 148.
10. Марков К.К. Современная Антарктида — древнеледниковая область Северного Полушария // Научные доклады высшей школы. Геолого-географические науки. 1958. № 1. С. 53-62.
11. Орлов Д. С. Химия почв. М., 2005.
12. Пономарева В. В., Плотникова Т. А. Гумус и почвообразование. Л., 1980.
13. Попов А. И., Федоров Е. А. Оценка качественного состава органического вещества с помощью метода хемодеструкционного фракционирования // Гумус и почвообразование / под. ред. акад. В. Н. Ефимова. СПб., 1997. С. 153-162.
14. Сыроечкеовский Е. Е. Роль животных в образовании первичных почв в условиях припо-лярноИ области Земного шара (на примере Антарктики) // Зоол. журн. 1999. Т. XXXVIII. Вып. 12. С.1770-1775.
15. Цыплёнков В. П., Попов А. И. Колориметрическое определение органического углерода в растворах // Вестн. Ленингр. ун-та. 1979. Вып. 4, № 21. С. 112-113.
16. Abakumov E. V., Vlasov D. Yu. Content and Stocks of organic matter in lithosols of King-George Isaland, Western Antarctica // Abstracts of III International Conference “Scientific Investigations in Antarctica”, Kyiv, Ukraine, 29 May-2 June. Kyiv. 2006. P. 116
17. Balks M. R. PaetzoldR. F., Kimble J. M. Effect of hydrocarbon spills on the temperature and moisture regimes of Cryosols in the Ross sea region // Antarctic science. 2002. Vol. 14. P. 316-326.
18. Barrett J., Virginia R., Wall D. Spatial variability in soil biogeochemistry and biodiversity in perigla-cial landscapes of the McMurdo Dry Valleys, Antarctica // International Workshop on Antarctic Permafrost and Soils, November 14-18. 2004. University of Wisconsin. Madison, 2004. P. 50.
19. Beyer L., Boelter M. Geoecology of Antarctic ice-free coastal landscapes. Berlin, 2002.
20. Beyer L. Properties, formation, and geo-ecological significance of organic soils in the coastal region of East Antarctica (Wilkes Land) // Catena. 2000. Vol. 39. P. 79-93.
21. Bockheim J. G., Hall K. Permafrost, active-layer dynamics and periglacial environments of continental Antarctica // South-African J. Sc. 2002. Vol. 98. P. 82-90.
22. Bockheim J. G., Campbell I. B., McLeod M. Permafrost and active layer depth in the McMudro Dry Valleys, Antarctica // Permafrost and periglacial processes, 2008 in press.
23. Campbell I. B., Claridge G. G. C. Permafrost properties, patterns and processes in Transantarctic mountains region // Permafrost and periglacial process. 2006. Vol. 17. P. 215-232.
24. Campbell I. B., Claridge G. G. C. Antarctica: Soils, Weathering Processes and Environment. Amsterdam, 1987.
25. Elberling B. Distribution and dynamics of soil organic matter in an Antarctic dry valley // Soil Biology and Biochemistry. 2006. Vol. 38. P. 3095-3106.
26. IlievaR., Vergilov Z, Groseve M. Micromorphology of organic matter in the Antarctic soils // Bulgarian J. Egological Science. Sofia. 2003. Vol. 2, N 304. P. 52-54.
27. Cryosols // еd. by J. Kimble. Berlin, 2004.
28. Method of Soil Analysis. P. 2 SSSA Book Series. Madison, 1994.
29. Simas F. N. B., Schaefer C. E. G. R., Albuquerque Filho M. R., Pereira V. V., Guerra V. V., Gomes M. R. M., Miranda V J. M. Soil of the Admiralty Bay, King George Island: chemical, physical and mineralogical properties // International Workshop on Antarctic Permafrost and Soils, November 14-18. 2004. University of Wisconsin. Madison, 2004. P. 77.
30. Simas F. N. B., Shaefer C. E., Melo V Clay-sized minerals in permafrost soils (Cryosols) from King George Island, Antarctica // Clays and Clay Minerals. 2006. Vol. 54. P. 721-736.
31. Simas F. N. B, Shaefer C. E., Melo V Ornithogenic cryosols from Maritime Antarctica: Phosphatiza-tion as a soil forming process // Geoderma. 2007.Vol. 138. P. 191-203.
32. Simas F. N. B. Genesis, properties and classification of cryosols from Admiralty Bay maritime Antarctica // Geoderma. 2008. Vol. 144. P. 116-122.
33. Tosi S., Casado B., Gerdol R., Caretta G. Fungi isolated from Antarctic mosses // Polar Biology. 2002. Vol. 25. P. 262-268.
