CC BY
9
УДК 631.417.2
ЗАПАСЫ ПОЧВЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В МОНИТОРИНГЕ АЛАСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ЛЕНО-ВИЛЮЙСКОГО МЕЖДУРЕЧЬЯ
Александр Николаевич Пучнин
Якутская государственная сельскохозяйственная академия, 677007, Россия, г. Якутск,
ул. Красильникова, 15, ассистент кафедры прироодообустройства, тел. (411)235-78-45, e-mail: puchninsasha@rambler.ru
Михаил Владимирович Якутин
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 8/2, доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории биогеоценологии, тел. (383)363-90-25, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru; Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пла-хотного, 10, профессор кафедры экологии и природопользования
Исследование посвящено оценке запасов почвенного органического вещества в экосистемах аласов Лено-Вилюйского междуречья. Дается анализ закономерности изменения этого показателя в процессе эволюции аласных почв. Наибольшее количество гумуса сосредоточено в верхнем слое изученных почв. Во всех исследованных почвах содержание углерода не зависело от характера антропогенной нагрузки, но содержание углерода в лу-гово-черноземной и черноземно-луговой почвах в неиспользуемых аласах оказалось более высоким, чем в аналогичных почвах аласов, находящихся в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования. Это позволяет говорить о возможности изученного показателя в экологическом мониторинге степени антропогенной трансформации травяных экосистем.
Ключевые слова: алас, почва, органическое вещество, луговые экосистемы, сельскохозяйственное использование, экологический мониторинг.
STOCKS OF SOIL ORGANIC MATTER IN MONITORING OF ALAS ECOSYSTEMS IN THE LENA-VILYUI INTERFLUVE
Alexander N. Puchnin
Yakutsk State Agricultural Academy, 677007, Russia, Yakutsk, 15 Krasilnikova St., Assistant, Department of Natural Arrangement, phone: (411)235-78-45; e-mail: puchninsasha@rambler.ru
Mikhail V. Yakutin
Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, 8/2, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Associate Professor, Leading Researcher, Biogeocenology Laboratory, phone: (383)363-90-25, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru; Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia,Professor, Department of Ecology and Environmentel Management
The study is devoted to the evaluation of soil organic matter reserves in the ecosystems of alass of the Lena-Vilyui interfluve. The analysis of regularity of change of this index in the course of evolution of alass soils is given. The largest amount of humus is concentrated in the upper layer of the studied soils. In all investigated soils the carbon content did not depend on the nature of anthropogenic load, but the carbon content in meadow-chernozem and chernozem-meadow soils in unused alas was higher than in similar alas soils under intensive agricultural use. This suggests the
possibility of the studied indicator in the environmental monitoring of the degree of anthropogenic transformation of grass ecosystems.
Key words: alas, soil, organic matter, meadow ecosystems, agricultural use, environmental monitoring.
Введение
Специфику воздействия человека на компоненты биосферы определяют природные условия Севера, связанные с его высокоширотным положением, -низкие температуры, наличие многолетнемерзлых пород, небольшая продуктивность ценозов и их пониженная устойчивость к повреждающим факторам [1]. Традиционное северное природопользование в своем первозданном виде основывалось на бережном использовании природы, и благополучие северных народов полностью зависело от емкости природной среды. Извлечение природного вещества не должно было превышать допустимого, обеспечивающего будущую продуктивность уровня. Этот допустимый уровень установился опытом многих поколений людей, познавших особенности природы таежной и тундровой зон. Отсутствие технических средств производства обусловливало то, что удовлетворение потребностей достигалось огромным трудом. Отсутствие ксенобиотиков и других материалов и веществ, сопутствующих техническому прогрессу, рассредоточенность населения и скота исключали загрязнение природной среды, а отходы жизнедеятельности человека и скота легко утилизировались самой природой. Дисперсное расселение позволяло якутским скотоводам сохранять возможность естественного самовосстановления урожайности кормовых угодий, удерживать хрупкое экологическое равновесие природы Якутии в течение нескольких веков, вплоть до середины XX века [2].
В Центральной Якутии преобладает аласно-таежная форма природопользования. Пастбищно-луговое землепользование и основанное на нем хозяйство на протяжении веков являлось экологически сбалансированным и вплоть до первых десятилетий XX в. не сопровождалось острыми кризисными явлениями в состоянии земель и почв. Такие явления стали нарастать, главным образом, со второй половины XX в. в связи с процессами индустриализации экономики и существенными изменениями в системе хозяйствования [3]. Основные сенокосные и пастбищные угодья расположены на аласных и приозерных лугах. Особенно широко они представлены в Лено-Амгинском и Лено-Вилюйском междуречьях, где занимают 30-40 % всей площади и создают своеобразный таежно-аласный ландшафт. Выпас и перевыпас являются одним из ведущих видов антропогенного воздействия на растительность в условиях аласных экосистем. Влияние выпаса на травостой многостороннее и сильнее, чем сенокошение, оно проявляется на фитоценозе прямо (через отчуждение надземных частей вплоть до полного уничтожения естественного покрова) и косвенно (путем уплотнения почвы и изменения водно-воздушного и соле-
вого режимов). Известно, что ухудшение агрегированности почвы способствует сокращению объема пор, по которым происходит инфильтрация в почву и аэрация. Последнее, как известно, отрицательно сказывается на плодородии почв [3, 4].
Гумус является наиболее мощным фактором поглотительной способности почв. Его наиболее устойчивые компоненты - гумусовые вещества - содержат большое число функциональных групп, имеющих сильное сродство к ионам металлов [5]. В гумусе содержится до 98 % почвенного азота, 60 % фосфора и 80 % серы [6]. В гумусовой оболочке почв наряду с ясно выраженной биогенной аккумуляцией таких основных макроэлементов, как С, О, Н, Б, Р, К, Са, К, Бе происходит отчетливо выраженная аккумуляция микроэлементов: 7и, Си, N1, Мо, РЬ. Чем больше процент содержания гумуса в почвах, тем в большой степени накапливаются в гумусовой оболочке N1, 7и, Си [5]. Компоненты органического вещества влияют на температурный и водный режимы, увеличивают емкость катионного обмена и служат резервом питательных элементов, являются фактором образования почвенной структуры, и стимулируют рост и развитие растений [7].
Содержание гумуса возрастает от Южной тундры с глеевато-слабопод-золистыми почвами до лесостепи с черноземами оподзоленными и выщелоченными, затем идет снижение его до каштановых почв сухой степи [8]. Зональные мерзлотные палевые почвы по содержанию гумуса относятся к низкогумусным, в их тонком гумусово-аккумулятивном горизонте содержание гумуса - до 4 %. Вниз по профилю содержание гумуса резко снижается, в горизонтах В и С его количество не превышает 1,0-1,5 %. Под влиянием аласного процесса за счет деятельности первичных и остаточных термокарстовых озер идет изменение содержания и состава органического вещества в почвах аласов [9]. Содержание гумуса в почвах аласов резко возрастает. Это происходит как за счет присутствия в составе почвообразующих пород аллохтонных слоев озерного и фитогенного органогенного материала, так и в результате активного протекания дернового и гумусового процессов под различными ассоциациями луговой растительности после выхода донных отложений озер на дневную поверхность. В результате такой комбинированной озерно-почвенной аккумуляции органического материала в почвах аласов, содержание гумуса в гумусово-аккумулятивных горизонтах почв высокое. Как правило, почвы, испытавшие в своем недавнем развитии озерную фазу, в верхней части профиля содержат перегнойные или торфяные горизонты, где содержание гумуса возрастает соответственно до 20-25 и более 30 % [10].
В связи с возросшим антропогенным прессом на экосистемы Центральной Якутии все более актуальным становится детальное изучение фактического состояния природных экосистем, оценка и прогноз их дальнейшего изменения, а также разработка методов комплексного мониторинга аласных экосистем. И одним из важнейших факторов плодородия аласных почв является запас почвенного органического вещества.
Объекты и методы
Исследование проведено в междуречье рек Лена и Вилюй. Для рельефа Лено-Вилюйской (Центрально-Якутской) равнины характерно множество неглубоких аласных и мелкодолинных форм. Аласы имеют вытянутую долинооб-разную форму и состоят из чередующихся цепей ложбин, соединяющихся между собой мелкими травяными речками. Большинство из них имеют небольшие размеры и находятся в различных стадиях развития. Преобладают сапропелевые сухие и полноводные аласы [10]. В качестве объектов исследования в Горном районе республики Саха (Якутия) были выбраны наиболее типичные почвы для Центральной Якутии: зональная мерзлотная палево-бурая типичная почва и три мерзлотных почвы аласов Хоту, Элэннэх, От-урях, Май. Выбранные для исследования почвы каждого аласа находятся на одной катене: лугово-черноземная, черноземно-луговая и торфянисто-глеевая. Все исследованные экосистемы используются в качестве сенокосов.
Алас Хоту расположен в 32 км на северо-запад от поселка Асыма. Вокруг аласа растет березово-лиственнично-кустарничковый лес. Все изученные почвы расположены в аласе Хоту на его юго-юго-западном склоне на одной катене длиной около 150 м. Перепад высот от Т. 1 до Т. 4 составляет около 4 м. Алас Элэннэх расположен в 1 км к западу от села Бердигестях. Вокруг аласа растет бе-резово-лиственнично-кустарничковый лес. Все почвы, изученные в аласе Элэннэх, расположены на одной катене длиной около 60 м. Перепад высот от Т. 1 до Т. 3 составляет около 5 м. Алас От-урях расположен в 12 км к северу от села Бердигестях. Вокруг аласа растет лиственнично-кустарниково-кустарничковый лес. Все почвы, изученные в аласе От-урях, расположены на одной катене длиной около 100 м. Перепад высот от Т. 1 до Т. 4 составляет около 3 м. Алас Май расположен в 5 км к юго-юго-западу от села Бердигестях. Вокруг аласа растет березово-лиственнично-кустарничковый лес. Все почвы, изученные в аласе Май, расположены на одной катене длиной около 100 м. Перепад высот от Т. 1 до Т. 4 составляет около 3 м. В качестве примера на рисунке 1 приведена схема ландшафтного профиля аласа Хоту, а в табл. 1 приведены основные характеристики аласа.
Рис. 1. Схема ландшафтного профиля аласа Хоту (1 - точки отбора проб, 2 - лес)
Таблица 1
Основные характеристики исследованных экосистем аласа Хоту
№ п/п Геоморфологическое положение Экосистема, проективное покрытие, % / высота травостоя, см Почва Сельхоз использование
Т. 1 Граница аласа. Бровка уступа Березово-лиственничный лес Мерзлотная палево-бурая типичная
Т. 2 Пологий склон от леса к озеру (крутизна склона 10 о) Разнотравно-злаковый ос-тепненный луг, 80 / 40 Мерзлотная алас-ная лугово-черноземная Сенокос
Т. 3 Поверхность слабонаклонная к озеру Разнотравно-злаковый ме-зофитный луг, 80 / 40 Мерзлотная алас-ная черноземно-луговая Сенокос
Т. 4 В 20 м от уреза воды. Днище аласа Осоковый заболоченный луг, 100 / 55 Мерзлотная алас-ная торфянисто-глеевая -
Влажность почвы определялась общепринятым методом, определение содержания углерода в почве проводилось методом мокрого сжигания по Тюрину [11].
Результаты
Характерной особенностью всех исследованных почв является сосредоточение Сорг в верхнем горизонте и резкое уменьшение вниз по профилям почв (рис. 2). Наименьшее содержание Сорг наблюдается в палево-бурой типичной почве. При переходе от мерзлотной палево-бурой типичной почвы к аласной лугово-черноземной содержание Сорг в верхнем горизонте (0-10 см) увеличивается в 2 раза, а в горизонте 10-20 см - в 3,2 раза.
На стадии эволюции мерзлотной аласной черноземно-луговой почвы, (Т. 3) благоприятные водно-физические условия способствуют активизации комплекса деструкторов и происходит минерализация запасов торфа, оставшегося от болотной стадии, содержание Сорг в горизонте 0-10 см увеличивается в 2 раза по сравнению с лугово-черноземной почвой, но если сравнивать с торфянисто-глееватой почвой, то содержание Сорг снижается в 2,7 раза. Влияние комплексов факторов, определяемых типом и слоем почвы на Сорг, было значимым на всех стадиях эволюции почв, но особенно сильным - при переходе от «земноводной» болотной стадии к «сухопутной» луговой (рис. 3).
Во всех исследованных почвах содержание углерода не зависело от характера антропогенной нагрузки. Наибольшее содержание углерода отмечалось в аласе Хоту (жестко регулируемое пастбище). В аласах более подверженных антропогенной нагрузке, Май и Элэннэх, содержание углерода низкое, тогда как в неиспользуемом аласе От-урях содержание углерода в лугово-черноземной и черноземно-луговой почвах оказалось более высоким, чем в аналогичных почвах остальных исследованных аласов (рис. 4).
Т. 1
Т. 2
0 3 6 9 12 15 18
А1 В1 В2С1
0 3 6 9 12 15 18
А
АВса Вса В2са
Т. 3
0 3 6 9 12 15 18
Аса Ьйса Ьй2са Вса
т
Т. 4
0 3 6 9 12 15 18
Т2 Ьйдса (ЬР)Оса
НСР(5%) = 1,37
Рис. 2. Профильное распределение Сорг (%) в исследованных мерзлотных почвах: палево-бурой типичной (Т. 1), аласной лугово-черноземной (Т. 2), аласной черноземно-луговой (Т. 3) и аласной торфянисто-глеевой (Т. 4)
120 90 60 30 0
: ЙККККЙ
А В
АВ
А В АВ
А В АВ
Рис. 3. Значения Б-критерия для различных факторов, влияющих на Сорг на разных стадиях эволюции аласных почв: а - при переходе от торфянисто-глеевой почвы к черноземно-луговой; б - при переходе от черноземно-луговой почвы к лугово-черноземной; в - при переходе от лугово-черноземной почвы к палево-бурой типичной. (А - тип почвы, В - слой почвы, АВ - взаимодействие факторов; *-р<0,05, **-р<0,01, ***- р<0,001)
б ж_
в
25 20 15 10 5 0
лес
степь
луг
бол
1Хоту алас ПЭлэннэх
■ Май
□ От урях
Рис. 4. Содержание углерода (%) в почвах исследованных аласных экосистем (горизонт 0-10 см)
Обсуждение
Современные почвы аласов - это не только результат развития современных элементарных процессов почвообразования и их сложного сочетания, но и итог воздействия на них предыдущих фаз эволюции, обусловленных аласным процессом. Почвы аласов - это сложное сочетание основных факторов почвообразования и аласного седиментоза, чередование процессов аккумулирования карбонатов, оглеения, торфонакопления, сопровождающееся частой сменой восстановительных и окислительных условий, соответствующих стадиям развития аласов. Параллельно происходит формирование почв межаласных пространств, которые под влиянием более засушливых условий развиваются на повышенных, по сравнению с аласными котловинами, элементах рельефа под пологом листвен-нично-брусничной травянистой тайги в условиях надмерзлотного непромывного водного режима [12].
Сукцессия аласных экосистем Центральной Якутии от тайги через озерную и болотную стадии к луговой степи сопряжена с эволюцией почв. При переходе от зональных мерзлотных палевых таежных почв к аласной торфянисто-глеевой происходит резкое увеличение запасов органического вещества. В процессе эволюции аласных почв от болотных почв к луговым и далее к остепненным происходит уменьшение запасов Сорг. Это косвенно свидетельствует о существенных перестройках основного компонента деструкционного звена биологического круговорота - комплекса почвенных микроорганизмов - при переходе от одной стадии эволюции аласной экосистемы к другой.
На территории Центральной Якутии на протяжении последних 15 лет наблюдается устойчивая тенденция к увеличению среднемесячных температур воздуха и суммарного количества осадков в наиболее теплые месяцы года
с июля по сентябрь. При этом происходит незначительный общий рост количества осадков. При сохранении этих тенденций мы вправе ожидать увеличения скоростей деградации ледового комплекса и общую активизацию процессов, ведущих к эволюционной замене зональных палевых мерзлотных почв аласны-ми почвами [13].
Заключение
Таким образом, проведенное исследование позволило оценить запасы почвенного органического вещества в экосистемах аласов Лено-Вилюйского междуречья и проследить закономерности его изменения в процессе эволюции аласных почв. Анализ профильного распределения этого вещества продемонстрировал, что наибольшее количество Сорг сосредоточено в верхнем, 0-10 см, слое почв. Во всех исследованных почвах содержание углерода не зависело от характера антропогенной нагрузки, но содержание углерода в лугово-черноземной и черноземно-луговой почвах в неиспользуемых аласах оказалось более высоким, чем в аналогичных почвах аласов, находящихся в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования. Это позволяет говорить о возможности использования показателей запасов почвенного органического вещества в экологическом мониторинге для анализа не только стадий эволюции аласных экосистем, но и степени антропогенной трансформации травяных экосистем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Москаленко Н. Г. Антропогенная динамика растительности равнин криолитозоны России. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999. - 280 с.
2. Поисеев И. И. Устойчивое развитие Севера: эколого-экономический аспект. - Новосибирск: Сибирская издательская фирма РАН, 1999. - 280 с.
3. Саввинов Г. Н. Эколого-почвенные комплексы Якутии. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. - 312 с.
4. Миронова С. И., Гаврильева Л. Д. К проблемам сельскохозяйственной рекультивации В Центральной Якутии / Теоретические и прикладные вопросы луговедения и луговодства : сборник научных трудов. - Вып. 1. - Якутск: Якутский филиал Изд-ва СО РАН, 2002. -С. 33-38.;
5. Шихова Л. Н., Егошина Т. Л. Тяжелые металлы в почвах и растениях таежной зоны Северо-Востока Европейской России. - Киров: Зональный НИИСХ Северо-востока, 2004. -264 с.
6. Черников В. А., Милащенко Н. З., Соколов О. А. Устойчивость почв к антропогенному воздействию. - Т. 3. / Экологическая безопасность и устойчивое развитие. - Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2001. - 203 с.
7. Багаутдинова Ф. Я., Хазис Ф. Х. Состав и трансформация органического вещества почв. - Уфа: Гилем, 2000. - 197 с.
8. Кленов Б. М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2000. - 176 с.
9. Десяткин Р. В. Специфика почвообразования в аласах // Почвоведение. - 1990. -№ 12. - С. 5-15.
10. Десяткин Р.В. Почвообразование в термокарстовых котловинах - аласах криолито-зоны. - Новосибирск: Наука, 2008. - 324 с.
11. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1970. - 488 с.
12. Саввинов Д. Д., Сазонов Н. Н. Микроэлементы в северных экосистемах: на примере Республики Саха (Якутия). - Новосибирск: Наука, 2006. - 208 с.
13. Якутин М. В., Пучнин А. Н. Биомасса микроорганизмов в аласных почвах Лено-Вилюйского междуречья // Сибирский экологический журнал. - 2012. - № 5. - С. 677-683.
REFERENCES
1. Moskalenko N. D. (1999). Anthropogenic vegetation dynamics of the cryolithozone plains of Russia. Novosibirsk: Nauka press. Siberian publishing firm of RAS, 280 p. [in Russian].
2. Poiseev I. I. (1999). Sustainable development of the North: ecological and economic aspect. Novosibirsk: Siberian publishing firm of RAS, 280 p. [in Russian].
3. Savvinov G. N. (2007). Ecological and soil complexes of Yakutia. Moscow: Nedra-business center press, 312 p. [in Russian].
4. Mironov S. I., Gavrilieva L. D. (2002). To the problems of agricultural reclamation in the Central Yakutia / Theoretical and applied questions of the meadow's science and grassland farming. Collection of scientific works. Vol. 1. Yakutsk: Yakutsk branch of SB RAS, P. 33-38. [in Russian].
5. Shikhova L. N., Egoshina T. L. (2004). Heavy metals in soils and plants of the taiga zone of the northeast of European Russia. Kirov: Zonal research institute of agriculture of the northeast, 264 p. [in Russian].
6. Chernikov V. A., Malashenko N. Z., Sokolov O. A. (2001). The resistance of soils to anthropogenic impacts. Vol. 3. / Environmental safety and sustainable development. Pushchino: Publishing house of Pushchino research center of RAS, 203 p. [in Russian].
7. Bagautdinova F. J., Hasis F. H. (2000). The composition and transformation of soil organic matter. Ufa: Gilem, 197 p. [in Russian].
8. Klenov B. M. (2000). Humus stability of automorphic soils of Western Siberia. Novosibirsk: Publishing house SB RAS, branch «Geo», 176 p. [in Russian].
9. Desyatkin R. V. (1990). Specificity of soil formation in alas // Eurasian soil science, № 12, P. 5-15. [in Russian].
10. Desyatkin R. V. (2008). Soil formation in thermokarst depressions - alass of the permafrost zone. Novosibirsk: Nauka press, 324 p. [in Russian].
11. Arinushkina E. V. (1970). Manual on chemical analysis of soils. Moscow: Moscow University press, 488 p. [in Russian].
12. Savvinov D. D., Sazonov N. H. (2006). Trace elements in northern ecosystems: the example of the Republic of Sakha (Yakutia). Novosibirsk: Nauka press, 208 p. [in Russian].
13. Yakutin M. V., Puchnin A. N. (2012). Biomass of microorganisms in alas soils of the Le-na-Vilyui interfluve // Siberian ecological journal, № 5, P. 677-683. [in Russian].
© А. Н. Пучнин, М. В. Якутин, 2018
