Влияние палеокриогенного микрорельефа на свойства современных чернозёмов заказника «Каменная степь»

Гугалинская Л.А.; Иванникова Л.А.; Кондрашин А.Г.; Попов Д.А.; Алифанов В.М.

УДК 551.34 + 631.48

ВЛИЯНИЕ ПАЛЕОКРИОГЕННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА СВОЙСТВА СОВРЕМЕННЫХ ЧЕРНОЗЁМОВ ЗАКАЗНИКА

«КАМЕННАЯ СТЕПЬ»*

Д. А. Попов2, В.М. Алифанов1'2.

1 Пущинский государственный университет

2 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Факторный анализ свойств чернозёмов заказника «Каменная степь» показал, что актуальные процессы почвообразования находятся под воздействием последовательного ряда следующих показателей: биологического, состава почвенного поглощающего комплекса, микрорельефа.

Ключевые слова: черноземы, заказник, почвообразование

Известно, что почва является гетерогенной средой, свойства которой могут существенно изменяться под влиянием различных факторов как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Изучение закономерностей формирования почвенных свойств необходимо для понимания и оценки биосферной функции почвенного покрова [2]. Физико-химические и биологические свойства и их пространственная неоднородность чаще всего определяется микрорельефом, который влияет на распределение педо-генетических градиентов, продуктивность растительности, количество поступающего в почву органического вещества и другие биофильные функции [8].

Целью работы является изучение распределения в почвенном профиле чернозема под лесополосой, целиной и пашней физико-химических и биологических свойств в зависимости от микрорельефа и выявление наиболее существенных показателей, влияющих на современное формирование свойств почвенного профиля.

Объекты и методы. Исследования проводились на территории заказника

Гугалинская Любовь Анатольевна, доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник. E-mail: gugali@/ambler.ru Иванникова Людмила Алексеевна, кандидат биологических наук, доцент, старший научный сотрудник. E-mail: laiva ab@mail.ru Кондрашин Александр Геннадьевич, аспирант Попов Дмитрий Алексеевич, аспирант Алифанов Валерий Михайлович, доктор биологических наук, профессор, проректор. E-mail: ali-fanov_v@mail.ru

«Каменная степь», расположенного на юго-востоке Воронежской области. Детальные исследования, проведенные В.М. Алифано-вым с соавторами [1, 2] показали, что данная территория имеет четко выраженный палео-криогенный микрорельеф, сформированный позднеледниковыми (17-15 тыс. л.н.) палео-криогенными процессами. Палеокриогенный микрорельеф представляет собой систему блоковых повышений (блоков) и межблочных понижений (межблочий) с относительными превышениями блоков над межблочь-ями 20-40 см. Размеры блоков на водоразделах составляют 15-20 м. Исследованы три ключевых участка: на пашне, целине и лесополосе. На наиболее выраженных элементах системы палеокриогенного микрорельефа (блок - межблочье) закладывались почвенные разрезы глубиной 2-3 м или траншеи, вскрывающие почву от середины блока до середины межблочья.

Анализ физико-химических характеристик проводился с использованием традиционных методов в химико-аналитической группе ИФХиБПП РАН (рук. к. с-х. н. ИИ. Скрипниченко). Биологическую активность (БА) определяли по результатам инкубации в специальных камерах, обеспечивающих равновесие внутреннего и внешнего давления газовой фазы с постоянным учетом выделяющегося СО2 в течении 50 суток при температуре 22С и влажности 60% от полной капиллярной влагоёмкости [3, 4].

Результаты морфогенетического исследования. Анализ результатов морфо-

генетического исследования разрезов, заложенных на каждом элементе палеокриоген-ного микрорельефа в системе блок-межблочье на исследуемых ключевых участках позволил выделить ряд особенностей:

- самые значительные изменения, связанные с микрорельефом, происходят с гумусовой частью профиля почвы. Суммарная мощность гумусовых горизонтов на блочном повышении составляет около 100см, в межблочном понижении - около 50 см. Гумусовый горизонт почв блочного повышения более светлый по сравнению с гумусовым горизонтом почв в межблочном понижении;

- в почвах присутствует отчетливо выраженный второй гумусовый горизонт (ВГГ) мощностью около 40 см;

- в межблочном понижении ВГГ перекрывается охристым железисто-иллювиальным горизонтом, то есть БГ присутствует только в межблочных понижениях;

- окремневшие карбонатные конкреции на блоке приурочены к верхней части погребенной почвы, в межблочном понижении верхняя граница ареала конкреций опускается в нижнюю часть погребенной почвы;

- горизонты В2са и В3са существенно (в 1,5 раза) увеличивают свою мощность в межблочном понижении.

Погребенная почва (1111) залегает на глубине 1,5-2 м практически горизонтально, независимо от микрорельефа на поверхности. Отличительная особенность погребенной почвы - её сильный криоморфизм: языками-клиньями, выполненными светлым лёссовидным материалом вышележащего гор. В3са, она разбита на отдельные вытянутые по вертикали заклинки. В местах скопления языков-клиньев в результате перераспределения материала современная дневная поверхность оказалась опущенной на несколько десятков сантиметров с образованием межблочного понижения.

Результаты физико-химических исследований. На ключевом участке, заложенном на целине, содержание и распределение СогЭ по профилю почвы блока и меж-блочья различаются заметно. Снижение содержания СоГЙ с глубиной на блоке более плавное по сравнению с межблочьем, где содержание СоГЙ (в верхних 3-5 см) более чем в 1,5 раза превышает таковое в почве на блоке, однако уже на глубине около 20 см содержание Сог§ в почве межблочного понижения

становится меньше, чем в почве на блоке (рис 1).

В черноземе под лесополосой и на пашне количество и распределение Сощ в гумусовом горизонте в межблочье сходное. Распределение Сощ, на блоках под лесополосой отличается от такового на блоках на других ключевых участках более низким его содержанием в верхних 50 см (в среднем 2,8%) и более плавным уменьшением до глубины около 1 м (0,7%). По сравнению с целинным черноземом, чернозем на пашне характеризуется меньшим содержанием Сощ в верхних горизонтах почвы (около 4%) и более постепенным снижением его содержания с глубиной.

Результаты исследования биологической активности почв. Распределение БА по профилям чернозема пашни, целины и лесополосы в системе блок-межблочье представлено на рис 2. Показано, что вместе с Сощ вниз по профилю почв происходит снижение биологической активности, что согласуется с литературными данными [6]. Количество продуцируемого С-СО2 в верхних горизонтах составляло 20-30, 70-80, 90-100 мг/100 г почвы для пахотного, целинного и чернозема лесополосы соответственно.

Гумусовый горизонт чернозема меж-блочья в лесополосе отличается большей скоростью продукции С-СО2. При этом происходит более быстрое ее уменьшение и в течение инкубации, и с глубиной. Уменьшение скорости выделения СО2 со временем инкубации связано с исчерпанием энергетически доступного органического материала, что отмечается и в других исследованиях [7]. В нашем эксперименте уменьшение скорости выделения СО2 обусловлено утилизацией отмершей в результате эффекта высушивания микробной биомассы [8]. В целом характер изменения БА соответствует содержанию в профилях органического вещества. Однако следует отметить, что в лесополосе в нижней части профиля чернозема на блоке количество Сощ существенно ниже (0.05-0,07%), чем в соответствующих горизонтах чернозема в межблочье (0,2-0,3%), при том, что по количеству образующегося СО2 эта часть профиля на разных элементах микрорельефа различается в значительно меньшей степени. Возможно, что в лесополосе в нижней части профиля образование СО2 обусловлено не только биологическими процессами.

С ог§, %

0 5 10 15

С ог§, %

0 5 10 15

Рис. 1. Распределение по профилю черноземов общего органического углерода (Согй)

БА мг/100г за 50 сут

0 30 60 90 120

БА мг/100г за 50 сут

0 30 60 90 120

Рис. 2. Изменение биологической активности в профиле черноземов, суммарная за 50 суток.

Результаты факторного анализа. Для

изучения влияния микрорельефа на современные свойства почв как наиболее представительный был выбран ключевой участок в лесополосе. Нагрузка на первый фактор составляет на блоке около 75%, в межблочье -65%, а на второй фактор 18 и 21% соответственно. На рис. 3 показана ориентация различных показателей по двум факторам. На блочном повышении под влиянием первого фактора (по горизонтали) группируются, с одной стороны, такие показатели как значение рН и содержание карбонатов, с другой

стороны содержание органического углерода, обменного калия и продуцирование СО2. Таким образом, на блоке по первому фактору распределены свойства, имеющие ярко выраженную дифференциацию по профилю почвы. При этом значения одних свойств увеличиваются с глубиной, а других -уменьшаются. По вертикали под влиянием второго фактора, имеющего меньший вес, находятся обменные основания (кальций, магний, натрий), то есть, второй фактор определяет свойства, имеющие отношение к почвенному поглощающему комплексу.

Примерно так же выглядит структура взаимосвязи различных показателей в профиле чернозема в межблочье, за исключением более выраженной дифференциации по профилю

0,5

(S -

о «

ь-

-0,5

АСа2+

■ Corg

■ С-СО2

C02(carb)

рн Щ

■ Prof.

Na+ ▲ Mg2+

-1 -0,5 0 0,5

Factor 1: 75,44%

кальция. При включении в анализ параметра микрорельефа количество выявленных значимых факторов увеличивается до 3 (рис. 4).

I - B

Ч= 0,5

в4

о\

ТГ

сч

д 0

и

a

и Л

^ -0,5

A Mg2

А Na+

■ I

С-СО2

Eos_

-Са2

рн

C02(carb) ®

Prof.

-0,5 0 0,5

Factor 1: 64,75%

Рис. 3. Структура взаимосвязи свойств черноземов на блочном повышении (В) и межблочном понижении (I - В). (Факторный анализ методом главных компонент: ■ - ориентированные по фактору 1, ▲- ориентированные по фактору 2).

А

SO 0,5

<S * 0

-

О CJ

я

1^-0,5

-1

▲ Са2+

1КС-СО2 М-Р п w Prof. РН О Q □

СОЩ CО2(carb)

Na+

Н-1- AAMg2+ -1-1-

-1 -0,5 0 0,5

Factor 1: 48,96%

0,5

-

o «

^-0,5

-1

рН#

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

CО2(carb) О

■ К+ СаMg2+ Na+Д

■ С-СО2 Prof.®

■ Corg

М-Р •

-0,5 0 0,5

Factor 1: 48,96%

Рис. 4. Влияние микрорельефа на структуру взаимосвязи различных свойств черноземов. (Распределение показателей (А) по первому - ■ и второму - ▲ фактору, (В) - по первому - I и третьему - • фактору. Закрашенные маркеры имеют достоверную связь).

В

1

0

1

B

1

Основная нагрузка приходится на первый фактор и составляет примерно 49%. На второй и третий фактор нагрузка распределилась более равномерно (23 и 17% соответственно). Суммарная нагрузка на основные факторы составила 89%. На рис. 4 показана группировка свойств по первому и второму фактору (А) и по первому и третьему фактору (В). Из рисунка следует, что первый фактор, характеризующий дифференциацию свойств по профилю, имеет наибольший вес и к нему приурочены свойства, непосредственно связанные с биологическими процессами (Сог§, С-СО2 и К+), поэтому показатели

свойств уменьшаются с глубиной. Второй фактор оказывает влияние в основном на содержание в профиле обменных оснований (кальция, магния и натрия), мы определили его как ответственный за состав почвенно-поглощающего комплекса. При расположении свойств почв в соответствии с первым и третьим факторами, где третий фактор связан с влиянием микрорельефа, было определено, что от микрорельефа зависит реакция почвенной среды, т.е. величина рН, и очень близко с ней связанное содержание СО2карбонатов.

Выводы: в работе приведена количественная оценка влияния отдельных факторов анализа на педогенетическую дифференциацию различных современных свойств черноземов на разных элементах микрорельефа. Статистически найдено, что в пределах одинаковых климатических условий, на одних и тех же почвообразующих породах 90% свойств почвенного профиля под лесополосой определяется следующими факторами:

- биологическим, непосредственно связанным с растительностью и определяющим наиболее дифференцированные по профилю свойства почвы (Согй, БА, К+). Этот фактор наиболее весом, на него приходится около 50% факторной нагрузки;

- почвенным поглощающим комплексом, определяемым составом обменных оснований, на который приходится около 23% факторной нагрузки;

- микрорельефом, определяющим, по-видимому, условия протекания современных физико-химических процессов, составляющих примерно 17% факторной нагрузки, которые находят отражение в таких показателях как реакция среды и содержание карбонатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Алифанов, В.М. Палеогидроморфизм, палео-криогенез и морфолитопедогенез черноземов / В.М. Алифанов, Л.А. Гугалинская // Почвоведение. - 2005. - № 3. - С. 309-315.

2. Алифанов, В.М. Палеокриогенные особенности морфогенеза черноземов Каменной степи / В.М. Алифанов, Л.А. Гугалинская, Р.А. Ан-тошечкина, Е.А. Черепьянова // Почвоведение. - 2001. - № 8. - С. 909-917.

3. Добровольский, Г.В. Значение почв в сохранении биоразнообразия // Почвоведение. -1996. - № 6. - С. 694-698.

4. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука, 2004. - 348 с.

5. Иванникова, Л.А. Способ определения минерализации органических веществ в почве по количеству продуцируемого СО2 // Методы исследований органического вещества почв. Владимир. - 2005. - С. 376-385.

6. Fang, C. The dependence of soil CO2 efflux on temperature / C. Fang, J.B. Moncrieff // Soil Biology and Biochemistry. - 2001. - V. 33. - P. 155-165.

7. Stenrod, M. Spatial variability of glyphosate mineralization and soil microbial characteristics in two Norwegian sandy loam soils as affected by surface topographical features / M. Stenrod, M.-P. Charnay, P. Benoit, O.M. Eklo // Soil Biology and Biochemistry. - 2006. - V. 38. - P. 962-971.

8. Wu, J. The proportional mineralisation of mi-crobial biomass and organic matter caused by air-drying and rewetting of a grassland soil / J. Wu, P. C. Brookes // Soil Biology and Biochemistry. - 2005. - V. 37. - P. 507-515.

*

Работа выполнена при финансовой поддержке

РФФИ (08-04-00331), Программы Президиума РАН

(№15), Программы «Научный потенциал высшей

школы» (код 1109) и Тематического плана Рособра-

зования (1.3.08.).

INFLUENCE OF PALEOCRYOGENIC MICRORELIEF ON PROPERTIES OF MODERN BLACK EARTH IN THE PROTECTION REGIME «KAMENNAYA STEPPE»

Factor analysis of black earth properties in the protection regime « Stone steppe » has shown, that actual processes of soil formation are under influence consecutive of some following parameters: biological, a compound of an edaphic absorbing complex, a microrelief.

Key words: black earth, protection regime, soil formation

Lyubov Gugalinskaya, Doctor of Biology, Professor, Chief Research Fellow. E-mail: gugali@rambler.ru Lyudmila Ivannikova, Candidate of Biology, Associate Professor, Senior Research Fellow. E-mail: laiva ab@mail.ru Alexander Kondrashin, Graduate Student Dmitriy Popov, Graduate Student Valeriy Alifanov, Doctor of Biology, Professor, Prorector

INFLUENCE OF PALEOCRYOGENIC MICRORELIEF ON PROPERTIES OF MODERN BLACK EARTH IN THE PROTECTION REGIME «KAMENNAYA STEPPE»

Текст научной работы на тему «Влияние палеокриогенного микрорельефа на свойства современных чернозёмов заказника «Каменная степь»»