CC BY
79
продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев
2. Наиболее устойчивы к вытаптыванию крупные поверхностно обитающие формы коллембол (Lepidocyrtus lignorum и Tomocerus vulgaris). Плотность популяций первого вида при минимальной нагрузке даже возрастала.
3. Рекреационное воздействие приводило к изменению пространственного размещения коллембол. Агрегированность популяций отдельных видов, как правило, увеличивалась. При максимальной и средней нагрузках процент особей в скоплениях увеличивался, кроме Tomocerus vulgaris (средняя нагрузка), при минимальной нагрузке происходило его снижение. Агрегированность общей численности возрастала, но процент особей коллембол в скоплениях снижался.
4. При слабых рекреационных нагрузках восстановление населения коллембол возможно за счет миграции с ближайших ненарушенных участков.
Автор глубоко признателен д.б.н. Азовскому А.И. за бесценные консультации и помощь в работе.
Библиографический список
1. Казанская, Н.С. Рекреационные леса (состояние, охрана, перспективы использования) / Н.С. Казанская, В.В. Ланина, Н.Н. Марфенин. - М.: Лесная пром-сть, 1977. - 96 с.
2. Жигарев, И.А. Лесные биологические сообщества в условиях рекреационных нарушений / И.А. Жигарев // Антропогенная динамика экосистем, под ред. Н.М.Черновой. Научные труды МНЭПУ серия «Реймерсовские чтения». - М.: МНЭПУ, 2002. - С. 71-96.
3. Кузнецова, Н.А. Организация почвенных сообществ и ее роль в биоиндикации / Н.А. Кузнецова // Антропогенная динамика экосистем: Материалы IX конф. - М.: МНЭПУ, 2003. - С. 39-92.
4. Кузнецова, Н.А. Организация сообществ почвообитающих коллембол / Н.А. Кузнецова. - М.: ГНО «Прометей» МИГУ, 2005. - 244 с.
5. Кузнецова, Н.А. Коллемболы как модельная группа в биоценотических исследованиях / Н.А. Кузнецова // Чтения памяти академика М.С.Гилярова. - М.: Т-во научных изданий КМК, 2008. - С. 11-49.
6. Смуров, А.В. Основы экологической диагностики. Биологические и информационные аспекты / А.В. Смуров. - М.: Изд. «Ойкос», 2003. - 188 с.
7. Смуров, А.В. Статистические методы в исследовании пространственного размещения организмов / А.В. Смуров // Методы почвенно-зоологических исследований. Изд. «Наука». - М.: 1975. -С. 217-240.
8. Смуров, А.В. Количественные методы оценки основных популяционных показателей: статистический и динамический аспекты / А.В. Смуров, Л.В. Полищук. - М.: МГУ, 1989. - 208 с.
9. Смуров, А.В. Новый тип статистического пространственного распределения и его применение в экологических исследованиях / А.В. Смуров // Зоол. Ж. - 1975. - Т. 54. - Вып. 2. - С. 283-289.
ВЛИЯНИЕ ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ НА СВОЙСТВА ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНОЙ ПОЧВЫ ПОЧВЕННОГО СТАЦИОНАРА МГУ)
Т.В. БЕКЕЦКАЯ, асп. каф. физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.в.Ломоносова,
А.Б. УМАРОВА, доц. каф. физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.в.Ломоносова, д-р биол. наук,
С.В. ЖЕЛЕЗОВА, с. н. с. центра точного земледелия РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, канд. биол. наук
Одним из важнейших факторов формирования и функционирования почв является растительный покров [2]. В свою очередь растения в той или иной мере избирательны по отношению к свойствам и режимам почв. Вопрос взаимосвязи древесной растительности и почв давно привлекает внимание исследователей. В первой половине прошлого
beketskaya@gmail.com
столетия считалось, что лес во всех условиях произрастания оподзоливает, т.е. обедняет почвы, и что интенсивность оподзоливающе-го влияния зависит от его породного состава, уменьшаясь от еловых насаждений к широколиственным лесам [3, 7].
Впоследствии было замечено, что лес воздействует на почвы различно, в зависи-
206
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев
мости от свойств компонентов ландшафта, в которых он развивается [10]. Поэтому в одних случаях под лесом может происходить оподзоливание почвы, ухудшение некоторых ее свойств (плотности, порозности), а в других, наоборот, свойства почв могут улучшаться [8].
В смешанных насаждениях проявляется особая закономерность, которую проф. М.В. Колесниченко называет «соответствием растений друг другу при совместном произрастании» [9]. Взаимоотношения растений в смешанных насаждениях очень сложны, находятся в тесной зависимости от условий среды и проявляются в многообразных формах взаимных влияний. Степень обоюдного влияния зависит как oт способности одного растения изменять среду, так и от чувствительности другого к этим изменениям. Взаимовлияния между высаживаемыми древесными породами могут меняться с изменением лесорастительных условий. Успешность роста смешанных культур зависит от условий жизни не только надземной, но и подземной части растения [12], т.е. от почвенных условий.
Одним из главных факторов, определяющих формирование лесных почв, является структура лесного биогеоценоза. Она определяется самой природой древостоя, размерами деревьев и площадью их фитогенного поля (площадь воздействия индивидуального дерева). Неоднородности в строении древесного полога формируют горизонтальную, или парцеллярную структуру. В такой парцелле выделяется организатор (дерево), под влиянием которого на близлежащей территории формируется одинаковый почвенный покров [5].
Однако исследование влияния древесной растительности на почвенный покров осложняется естественной пространственной неоднородностью почв и длительностью жизни деревьев. Так, в средней тайге в пределах одного типа леса на одной и той же материнской породе в нескольких сантиметрах друг от друга могут сформироваться два типа профиля: четко дифференцированный на горизонты Е и В, относящийся к подзолистым почвам, и недифференцированный, который можно отнести к бурым [6].
Целью нашей работы явилось изучение влияния древесной растительности на свойства модельной почвы лесополосы Почвенного стационара МГУ!
Были поставлены следующие задачи: составление схемы посадок деревьев, определение состава пород, анализ состояния деревьев; проведение исследования физических и химических свойств верхнего горизонта почвенного покрова лесополосы; исследование изменения некоторых физических и химических свойств почв в многолетнем аспекте.
Объект исследования
В качестве объекта исследования выступил почвенный и растительный покров лесополосы, расположенной на территории МГУ Для данного объекта точно известны начальные условия и время начала эксперимента. согласно архивным данным кафедры физики и мелиорации почв, при создании лесополосы в 1962 г. был создан искусственный почвенный покров последовательным размещением горизонтов дерново-подзолистой почвы (модельная почва). В результате границы слоев почвенных горизонтов на всей территории выровнены и четко определены, минимизирована пространственная неоднородность почв. Осенью 1963 г. были проведены посадки саженцев древесных пород и сформирована лесополоса.
Методы исследования
Физические свойства определялись традиционными методами физики почв [1]. Плотность почв измерялась плотномером Ка-чинского, объемом 100 см3, плотность твердой фазы почвы определялась пикнометрическим методом. Гранулометрический анализ выполнялся методом пипетки с предварительной обработкой пирофосфатом натрия [11].
Для исследования изменений, происшедших в элементном составе исследуемых почв, был выполнен анализ содержания подвижных форм фосфора по методу Кирсанова, содержание обменного калия по Кирсанову, определение рН водной вытяжки и общее содержания углерода методом сжигания в газоанализаторе АН-8012.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
207
продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев
Исследование температурного режима почвы проводилось при помощи программируемых термодатчиков iButton, разработанных фирмой Dallas Semiconductor (USA) [13].
Обсуждение результатов
Детальное описание лесополосы с указанием состава и размещения пород было сделано осенью 2005 г. Данный массив представляет собой рядовые посадки древесных культур, всего 48 рядов по 15 деревьев. Примерно в 100 м с восточной стороны располагается Мичуринский проспект, а с запада - Ботанический сад МГУ Протяженность лесополосы в этом направлении составляет 73 м, ее ширина - 23 м. Деревья высажены в узлах регулярной квадратной сетки с шагом 1,5 м. По периметру массива высажены березы. С севера и юга они образуют по три длинных ряда, с запада - 4, с востока - 2 ряда. Внутри посадок берез деревья высажены квадратами по 9 деревьев одной породы, размер квадрата 4,5*4,5 м. Расстояние между двумя соседними деревьями в любой точке массива одинаково и составляет 1,5 м. Всего представлено 9 пород деревьев: береза, дуб, клен, ель, осина, рябина, лещина, черемуха, липа.
К настоящему времени на первых двух защитных рядах берез со стороны Ботанического сада МГУ сейчас осталось всего 6 деревьев из 30 высаженных. Однако те деревья, которые сохранились, находятся в хорошем состоянии. Скорее всего, сильное выпадение этих деревьев произошло в первые годы после посадок, т.к. никаких следов рубок обнаружено не было.
Порода
Рис. 1. Процентное содержание сохранившихся пород
В западной части лесополосы, ближе к Мичуринскому проспекту, в трех квадратах деревья не сохранились. Подняв архивные данные, определив закономерность проведенных посадок, расположения и выпадения деревьев, мы пришли к выводу, что в 1963 г. здесь была посажена черемуха.
В средней части лесополосы большинство растений сохранилось. Их состояние на момент обследования в 2005 г. характеризуется как удовлетворительное, хотя отмечается недостаточный рост в условиях загущенного древостоя.
При подсчете количества деревьев отдельных пород были обнаружены следующие закономерности (рис.1). Наиболее устойчивой оказалась липа, за 40 лет не выпало ни одного дерева, причем близость Мичуринского проспекта никак не отразилась на ее выживаемости. Сохранилось большое количество деревьев клена и кустов лещины, процент выживших составил около 90 %. Из 36 посаженных деревьев осины осталось 28 шт. В посадках рябины, дуба, березы утрачено до трети деревьев. Наименее устойчивыми оказались ель и черемуха - сохранилось около 60 % деревьев.
Разные породы с возрастом по-разному увеличиваются в диаметре. Это зависит как от условий произрастания, так и от класса роста дерева. Так, деревья ели 1-го класса роста за 10 лет увеличиваются в диаметре примерно на 5 см, а ели 3-го класса роста - примерно на 2,5 см [4]. Литературные данные о размерах диаметров стволов деревьев разного возраста касаются в основном трех основных пород нашей зоны: ели, осины и березы. По состоянию этих деревьев можно судить и о состоянии всех древесных посадок лесополосы.
В 2005 г. средний диаметр деревьев ели на изучаемом участке составлял 4,7 см, что для данной породы такого возраста крайне мало. С учетом времени, прошедшего с момента посадки, их можно отнести только к 3-му классу роста. Для берез и осин лесополосы средний диаметр около 16 см, что для данных пород такого возраста соответствует 2-му классу роста.
Повторное измерение диаметров деревьев в 2009 г. показало низкие значения прироста для всех древесных пород объекта.
208
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев
Максимальный прирост у дуба и осины - 1,02 и 1,11 см соответственно, а минимальный - у ели (0,3 см).
Проведенные исследования диаметра стволов показали, что ель в данном массиве в условиях высокой густоты посадок чувствует себя крайне угнетенно, а лиственные деревья находятся в удовлетворительном состоянии.
Таким образом, сформированная лесополоса включает породы деревьев южнотаежной зоны с преобладанием лиственных пород деревьев. Она имеет отчетливую структуру посадок и, несмотря на то, что деревья располагаются очень близко друг к другу, посадки в пределах квадрата площадью 20,25 м2 деревьев одной породы, позволяет исследовать влияние видового состава деревьев на трансформацию свойств почв.
Для изучения почвенных свойств и определения степени воздействия 9 пород деревьев на первом этапе изучались свойства верхнего гумусового горизонта как наиболее подверженного влиянию внешних условий. Была заложена сетка опробования с шагом 4,5 м, отбор образцов производился в середине каждого квадрата из деревьев одной породы. В точках опробования определялись следующие свойства почвы: мощность гумусового горизонта, его плотность, влажность и процентное содержание углерода.
На исследуемом участке мощность морфологически выделяемого гумусового горизонта варьирует от 3 до 10 см, причем как максимальные, так и минимальные значения отмечены под березой в защитных полосах. Отметим, что максимальный разброс значений, за исключением березы защитных полос, наблюдается для участков под липой и елью. Минимальная вариация - под черемухой. На всех участках с этой породой мощность гумусового горизонта составляет 7 см.
выяснено, что на исследуемой территории плотность почвы верхнего горизонта имеет низкие значения - менее 1 г/см3 , незначительно различаясь под разными породам (рис. 3). Наибольшие медианные значения имеет почва под лещиной, липой и максимум наблюдается под черемухой, где значения значимо отличаются от большинства остальных пород. Максимальный разброс значений
плотности почвы наблюдается под березами, что связано в том числе и с краевым эффектом. Однако по квартальным значениям выделяется почва под лещиной, плотность которой меняется от 0,7 до 1,05 г/см3. Наиболее однородной почвой по плотности является почва под кленом (варьирование значений чрезвычайно низкое: от 0,81 до 0,83 г/см3) и под черемухой (от 0,91 до 0,97 г/см3).
Определение содержания углерода в почве лесополосы показало, что верхний горизонт является гумусированным, содержание углерода высокое и в среднем составляет 4,5 %.
При анализе пространственного распределения содержания углерода в верхнем горизонте было выяснено, что наблюдается весьма пестрая картина: концентрация углерода варьирует в пределах от 1,6 до 5,6 % (рис.4).
Сопоставление данных о содержании гумуса с видовым составом деревьев не выявило отчетливой закономерности, хотя несколько заниженные показатели наблюдаются в почвах под черемухой и лещиной, средние значения которых составили 4,1 % и 3,9 % соответственно. При статистической обработке максимальный разброс значений наблюдается для участков под елью и лещиной, а минимальный - под кленом и черемухой (рис. 4).
Таким образом, полученные данные не выявили статистической значимой отчетливой взаимосвязи между размещением пород деревьев и пространственной неоднородностью таких почвенных свойств, как плотность, мощность верхнего горизонта и содержание углерода. По-видимому, это связано с сильным взаимовлиянием разных пород деревьев, вызванным высокой частотой посадки и их близким расположением.
20 и
□ 2005 ■ 2009
Л
ель
дуб береза липа осина Порода
Рис. 2. Изменение медианных значений диаметров различных пород с 2005 по 2009 гг.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
209
продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
Box & Whisker Plot
□ ~г
□
п _ ° _ □ JUJL-j. □ □
—
□ Median I I 25 %-75 % Min-Max
береза ель лещина осина черемуха
дуб клен липа рябина
Рис. 3. Медиана, минимальные и максимальные значения плотности для различных пород
Возможно, изучение только верхнего горизонта является недостаточно информативным для обнаружения влияния отдельных пород на почвенный покров. Поэтому нами были проведены исследования нижних горизонтов почв в ключевых точках под двумя наиболее контрастными породами: хвойной (ель) и широколиственной (клен).
Были заложены разрезы под кленом и под елью. Требовалось выяснить, оказывает ли влияние характер пород на почвенный профиль, и выявить особенности почвообразующих процессов под хвойной и широколиственной растительностью. Для этого в близких друг от друга квадратах с елью и кленом были заложены почвенные разрезы, отобраны образцы и выполнены режимные наблюдения.
Плотность верхних горизонтов в точке под елью составила 0,92 - 0,94 г/см3, а под кленом ее значения выше - 0,96 - 1,16 г/см3. Ниже по профилю эти показатели у разных видов деревьев различаются незначительно, только на глубине 30 см наблюдается увеличение плотности на 0,2 г/см3 под елью.
Плотность твердой фазы почвы является одной из наиболее стабильных характеристик почвы. Однако в результате функционирования почв под действием растительного покрова наблюдаются некоторые изменения ее величины. в верхнем гумусовом горизонте почвы под елью она составила 2,40 г/см3, а под кленом - 2,34 г/см3. С глубиной эти различия увеличиваются, доходя в нижних горизонтах до 2,78 г/см3 под елью и до 2,55 под кленом.
210
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
продукционный процесс и структура деревьев, древесин и древостоев
Агрохимические исследования почв в двух ключевых точках показали, что верхний горизонт является в значительной степени обеспеченным минеральным питанием даже для травянистой растительности. Для выращивания лесных культур удобрения не требуются, если в почве содержится более 8-10 мг/100 г почвы подвижного фосфора и более 6-8 мг/100 г почвы подвижного калия [9]. Почва является полностью обеспеченной фосфором и до 30 см - калием. Различия между точками наблюдаются только в нижних горизонтах.
Что же касается величин рН, то в настоящее время здесь происходит подкисление всего почвенного профиля, причем под елью оно выше, что связано с более кислым опадом хвойных пород. Хотя в гумусовых горизонтах наблюдаются очень близкие значения рН, наибольшая разница между двумя вариантами наблюдается на глубине 20-30 см. Здесь к настоящему времени рН составляет 6,12 под кленом и 5,82 под елью. А с 40 см значения рН снова становятся близкими.
Содержание углерода в двух исследуемых точках различно. Причем, если в поверхностном горизонте оно составило 4,34 % под елью и 4,88 % под кленом, то на глубине 20 см разница в значениях достигает уже 1 % (1,75 % под елью и 0,74 % под кленом).
Исследования гранулометрического состава показали, что в распределении по профилю илистой фракции в обоих разрезах наблюдаются максимумы, но под елью он находится ниже, чем под кленом. Отметим, что под елью наблюдается облегчение гранулометрического состава на глубине 20 см, т.е. аналитически обнаруживается формирование подзолистого горизонта, хотя морфологически он не выделяется. По-видимому, это связано с различиями в почвообразовательных процессах, которые наблюдаются под разными деревьями. На этом основании можно сделать вывод о возможной направленности преобладания под елью подзолистого процесса, а под кленом - процесса буроземообразования.
Данную гипотезу подтверждают результаты режимных наблюдений за температурой почвы, проведенных в 2005-2006 гг.
Температура измерялась с помощью программируемых термодатчиков iButton восемь раз в сутки с октября по июль.
Известно, что на температурный режим почв в первую очередь оказывает влияние влажность почв, гранулометрический состав, плотность и содержание углерода. Под кленом температура почвы фиксировалась на глубине 5, 15 и 50 см. Минимальная температура на глубине 5 и 15 см составляла -0,5°С, а на глубине 50 см 0,8°С, т.е. ниже 50 см почва не промерзает. Ниже нуля температура в верхних слоях почвы опустилась только в начале февраля. Этот же месяц можно назвать и самым холодным за весь период наблюдения для всего профиля. Резкое увеличение температуры началось 10 апреля. В период с октября по июль почва на глубине 50 см максимально прогрелась до 14°С , на глубине 15 см - до 15°С, а на глубине 5 см - до 19,5°С.
Под елью температура фиксировалась на глубине 5 и 15 см. отрицательных величин температура здесь достигла уже в январе. Минимальные значения на глубине 15 см составляли -1°С, а на глубине 5 см -1,5°С. За рассматриваемый период почва под елью на глубине 15 см прогрелась до 16°С, а на глубине 5 см - до 18°С.
Таким образом, температурные условия в верхних слоях почвы под елью более контрастны по сравнению с почвой под кленом. Так, до глубины 15 см почва под елью в зимние месяцы промерзает сильнее, а летом нагревается до более высоких значений температуры.
все это говорит о более высокой температуропроводности под елью, что характерно для горизонтов с облегченным гранулометрическим составом.
Выводы
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Преобладающей породой в данном насаждении является береза (в 1963 г. было высажено 342, выжило 298 экземпляров), а меньше всего посадок черемухи (сохранилось 11 экземпляров из 36 первоначально высаженных). Максимальное количество деревьев (до 100 %) сохранилось у тех пород,
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
211
