CC BY
35
УДК 574.474
DOI: 10.24411/1728-323X-2020-14031
ДИНАМИКА НЕКОТОРЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЧВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В РАЗНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗАХ ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ
Н. Н. Харченко, д. б. н., проф.,
Воронежский государственный
лесотехнический университет
имени Г. Ф. Морозова, [email protected],
Воронеж, Россия,
Е. Н. Пилипко, к. б. н, доц.,
Вологодская государственная
молочнохозяйственная академия
им. Н. В. Верещагина, [email protected],
Вологда, Россия,
М. С. Венкова, магистрант,
Вологодская государственная
молочнохозяйственная академия
им. Н. В. Верещагина,
[email protected], Вологда, Россия
В связи с большим объемом сплошных рубок на территории Вологодской области, исследование их влияния на почвенный покров — одна из наиболее актуальных экологических проблем региона. Почвы Вологодской области относятся к подзолистому ряду, то есть обедненные органикой и многими минеральными элементами, с кислой реакцией рН, поэтому чрезвычайно уязвимы к любому антропогенному влиянию. Целью исследований являлась оценка влияния лесозаготовительной деятельности на некоторые физико-химические параметры разных по гранулометрическому составу почв. В ходе исследований применялись стандартные методы закладки пробных площадей, отбора почвенных проб с целью определения в них в лабораторных условиях содержания органического вещества (гумуса) и подвижных форм фосфора и калия.
В результате исследований была выявлена зависимость физико-химических свойств почвы от многих факторов, лимитирующими из которых являются гранулометрический состав, температура и увлажнение. Выявлено, что на более легких супесчаных почвах разложение органического вещества происходит быстрее, с более нтенсивным в дальнейшем вымыванием продуктов разложения в виде минеральных элементов — фосфора и калия вниз по профилю почвы, наблюдается менее кислая реакция по сравнению с суглинками. В суглинистых почвах процесс разложения происходил гораздо медленнее не только из-за гранулометрического состава почвы, но и из-за повышенной влажности. Таким образом, суглинистые почвы более благоприятны для дальнейшего лесовос-становления, но только при условии нормального увлажнения и дренажа.
Due to the large volume of clear-cuttings within the Vologda Region, the study of this impact on the soil cover is one of the region's environmental priorities. The Vologda Region's soils belong to the ash grey soils. So, they are depleted in organic matter and many mineral elements with acidic environment and, therefore, are extremely vulnerable to any anthropogenic impact. The research purpose was to assess the impact of logging activities on some physical and chemical characteristics of soils
Введение. Естественные и антропогенные изменения состояния одного из главных компонентов биогеоценоза — эда-фотопа или почвенной системы вызывают ответные реакции биологического, биохимического и экологического характера. Глубина, направление и степень этих воздействий вызывают поиск мер и условий сбалансированного восстановления и гомеостаза почвенной системы [10].
Лесозаготовительная деятельность является одной из наиболее жестких антропогенных факторов, оказывающих существенное влияние на эдафотоп [2, 6, 12, 14]. Восстановление экосистемы после нарушений почвенного и напочвенного покровов имеют долговременный характер от 3—5 лет до нескольких десятилетий после проведения рубок и даже в некоторых случаях могут носить необратимые последствия, то есть когда восстановление свойств почвы не происходит.
Почвы, как основной компонент, входят в состав экосистемы и далее влияют на интенсивность роста деревесно-кус-тарниковой и травянистой растительности [8].
Модели и методы. Исследования проводились на юге Вологодской области — на территории Устюженского л есничес-тва. Для оценки влияния лесозаготовительной деятельности на почвы нами были заложены пробные площади на вырубках с разными типами почв и леса — сосняк долгомошный (Сдмо) и ельник черничный (Ецер). Контролем являлись участки неповрежденного леса, смежные с вырубками.
Для оценки некоторых физико-химических свойств почвы были отобраны почвенные пробы на глубину до 50 см (по три горизонта до материнской породы) в соответствии с ГОСТ 28168—89 [4].
Лабораторный анализ почвы проводился в аккредитованной испытательной лаборатории г. Вологды.
— Определение содержания органического вещества осуществлялось в соответствии с методом И. В. Тюрина (ГОСТ 26213—91) [3].
— Определение подвижных соединений фосфора и калия проводилось по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО в соответствии с ГОСТ Р 54650—2011 [5].
with different granulometric composition. During the research, such standard methods as indicator plot establishment, soil sampling to determine the organic matter (humus) and mobile forms of phosphorus and potassium were used in laboratory setting.
As a result of the research, the dependence of the physical and chemical properties of soil on many factors was revealed, the limiting of which are the particle size distribution, temperature and moisture. It was revealed that on lighter sandy loam soils the organic matter decomposition occurs faster with a more intense further leaching of decomposition products in the form of mineral elements, phosphorus, and potassium down the soil profile; a less acidic reaction is observed as compared to loam soils. In loam soils, the decomposition process was much slower, not only due to the soil granulometric composition and also due to increased moisture. Thus, loam soils are more favourable for further forest renewal and properly watering and drained upon only.
Ключевые слова: сплошные рубки, физико-химические параметры почвы, гранулометрический состав, гумус, фосфор, калий.
Keywords: clear-cuttings, physical and chemical properties of soil, particle size distribution, humus, phosphorus, potassium.
— Водный рН определялся по ГОСТ 26423—85 [Аринуш-кина, 1970] [1].
Результаты и обсуждение. На всех исследуемых пробных площадях преобладают почвы дерново-подзолистого типа (табл. 1). Такие почвы наиболее характерны для таежно-лес-ной зоны и образуются преимущественно под хвойными лесами.
Физические свойства почвы. Динамика физических показателей почв на вырубках имеет четкую тенденцию, выраженную в зависимости от физических свойств и резко изменившихся абиотических факторов.
Существенная разница в динамике физических свойств выявлены в суглинистых почвах. Максимальная температура почвы в летний период на территории после сплошной рубки в верхнем горизонте (на глубину до 10 см) составляла 32,4—35,3 °С, а под пологом леса — 18,2—23,7 °С. Высокие показатели температуры почвы на вырубке связаны с солнечной инсоляцией открытой территории. По мере зарастания вырубки древесно-кустарниковой растительностью температурные значения постепенно снижаются и приближаются к лесным.
Уменьшение влажности почвы на сплошной вырубке также вызвано повышенным прогреванием почвы и, следовательно, более интенсивным физическим испарением и иссушением корнями густой травянистой растительности пионер -ных видов.
Лесозаготовительная д еятельность приводит к уплотнению почв или увеличение плотности сложения почвы, что приводит к недоступности питательных веществ и влаги и, как следствие, ограничивает рост деревьев, снижая естественное возобновление [11, 13]. В супесчанных почвах таких явных результатов воздействия лесозаготовительной деятельности не выявлено.
Водная килотность почвы (рН). На вырубке 12-летней давности (2008 г.) показатель водного рН в суглинистых почвах повышается в сторону кислотности (3,5—3,2) вниз по профилю (рис. 1). Почвы на вырубке сильнокислые (рН < 4,0). Кислотность рН на вырубке 2015 года, наоборот, снизилась во всех почвенных горизонтах. Почвы среднекис-лые (рН = 3,6—5,2 ед.).
Таблица 1
Краткая характеристика пробных площадей
ПП Тип леса/ тип вырубки Год рубки Почвы
Подтип по гранулометрическому составу
1 — опыт 2 — контроль осоково-дол-гомошный С. Дмо 2008 дерново-подзолистая с повышенным увлажнением среднесугли-нистая
3 — опыт 4 — контроль вейниковая Е. Чер 2015 дерново-подзолистая хорошо дренированная супесчаная, подстилаемая суглинком
ПП1 ПП2 ППЗ ПП4
Рис. 1. Динамика кислотности почвы (рН).
Примечание: ПП 1 — осоково-долгомошная вырубка 2008 года; ПП 2 — примыкающий к вырубке (ПП 1) сосняк долгомошниковый, не затронутый рубками (контроль); ПП 3 — вейниковая вырубка 2015 года; ПП 4 — примыкающий к вырубке; (ПП 3) ельник черничниковый (контроль)
Можно предположить, что большое количество кислот в почвах осоково-долгомошной вырубки 2008 года (ПП 1) связано с гранулометрическим составом почвы и повышенным увлажнением. В результате подтопления территории, перегнивание органических веществ в виде отмершего живого напочвенного покрова происходит в анаэробных условиях, вызывая процесс заболачивания и закисления почвы. На основании раннее приведенных исследований на суглинистых почвах с повышенным увлажнением только через 20—25 лет после проведения рубки молодое насаждение приобретает корневую систему, способную выполнять экологические функции в почвах.
Химический анализ почвенных проб был произведен на содержание физико-химических показателей почвы — содержание гумуса, подвижных форм фосфора (Р2О5) и калия (К2О). Исследования динамики указанных почвенных элементов осуществлялось методом сравнительной характеристики опытных результатов с контрольными.
Химические свойства почвы. Химические показатели почвы имеют определенные лимитирующие факторы, способные усиливать воздействие в условиях антропогенного прессинга (сплошной рубки леса).
Содержание гумуса. Лимитирующим фактором, влияющим на содержание органического вещества в почве (гумуса), является гранулометрический состав. В суглинистых почвах (ПП 1 и ПП 2) количество органического вещества гораздо выше, чем в супесчанных (ПП 3 и ПП 4) (рис. 2).
В почвах, отобранных на вырубке 2008 года, показатели содержания гумуса значительно превышает значения в контрольных почвах, что, возможно, связано с разложением растительного отпада и опада и постепенным вымыванием ор-
ганики из верхних горизонтов в нижние (наиболее гумусированным является горизонт на глубине 45—52 см, в котором содержание гумуса составляет 15,5 %). Низкое содержание гумуса на 5-летней вырубке связано с супесчаными почвами и небольшим количеством влаги. А для разложения органических остатков, как известно, требуется не только оптимальная температура, но и наличие определенного количества влаги. Так, при 1 ниже 0 °С процессы разложения снижают свою интенсивность, с повышением температуры повышаются микробиологические составляющие, и распад органического вещества ускоряется, но до определенной температуры, при 1 + 35 °С деятельность абсолютного большинства микроорганизмов, участвующих в минерализации органического вещества, затухает. Оптимальная влажность должна составлять 60—80 % от полной влагоемкости [7].
Подвижный фосфор (Р2О5). Лимитирующими факторами, влияющим на содержание подвижного фосфора, является не только гранулометрический состав почвы, но также кислотность и увлажнение почвы. В более тяжелых по гранулометрическому составу почвах содержание фосфора в почвах на вырубке и в лесном биогеоценозе резко различается (в среднем в четыре раза) (рис. 3).
Характер распределения фосфора в почве по горизонтам в незатронутом хозяйственной деятельностью древостое имеет классический характер — высокие показатели Р2О5 в самом верхнем горизонте с резким снижением вниз по профилю, что может быть связано с процессом оподзоливания без наложения элювиально-глее-вого процесса [9]. Снижение фосфора в верхнем горизонте на вырубке с последующим повышением в следующих горизонтах связано с механическим повреждением и перемешиванием почвенных слоев тяжелой лесозаготовительной техникой.
В супесчаных почвах содержание фосфора возрастает вниз по профилю (рис. 2), как на вырубке, так и в контрольной почве. Возможно, более легкая по гранулометрическому составу супесь быстрее восстанавливается после механического нарушения. Подвижный фосфор имеет способность хорошо растворяться в воде и промываться вниз по профилю, чем и объясняется снижение содержания Р2О5 в супеси и в верхнем горизонте среднесуглинистых почв. Также в результате исследований было замечено, что при снижении кислотности и влажности почв содержание фосфора повышается.
Как на вырубке 2008 года, так и на вырубке 2015-м распределение фосфора эллювиально-ил-
лювиальное, что может быть связано с наличием подзолистого процесса, протекающего в этих почвах, а также с вторичным насыщением почв основаниями солей.
Почвенный калий (КО). Содержание подвижного калия определяется гранулометрическим и минералогическим составом.
В почвах на обеих вырубках динамика подвижного калия идентична контрольным показателям. Максимальные значения К2О зафиксированы в верхнем горизонте, независимо от гранулометрического состава почвы и возраста вырубки. Далее в среднесуглинистых почвах содержание подвижного калия снижается вниз по профилю, в то вре-
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
14,3
12,7
0—20 20—45 45—52 Вырубка ПП1
120 100 80 60 40 20 0
99
25 25
60
0—20 20—45 45—52 Вырубка ПП1
7,8 7,7
6,3
а)
0—15 15—35 30—50 Контроль ПП2
110 I
0—15 15—35 30—50 Контроль ПП2
1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
250 200 150 100 50 0
1,5
1,2
0,2
0—2121—32 32—54 Вырубка ПП3
237
б)
0,2
0—16 16—34 34—51 Контроль ПП4
124
23 20
Ш В
0—2121—32 32—54 Вырубка ПП3
40
15 И
г)
0—16 16—34 34—51 Контроль ПП4
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
162
82
19
0—20 20—45 45—52
150
82
66
0—15 15—35 30—50
25 20 15 10 5 0
20
22
18
11
19
11
0—2121—32 32—54
0—16 16—34 34—51
9
Вырубка ПП1 Контроль ПП2 Вырубка ПП3 Контроль ПП4
д) е)
Рис. 2. Химические показатели почвы на вырубках и контроле. Примечание: по горизонтали — почвенные горизонты, см; по вертикали — числовые показатели: А, Б — содержание гумуса, %; В, Г — содержание подвижного фосфора, мг/100 г почвы; Д, Е — содержание подвижного калия, мг/100 г почвы; ПП 1 — осоково-долгомошная вырубка 2008 года; ПП 2 — примыкающий к вырубке (ПП 1) сосняк долгомош-никовый, не затронутый рубками (контроль); ПП 3 — вейниковая вырубка 2016 года; ПП 4 — примыкающий к вырбке (ПП 3) ельник черничниковый (контроль)
мя как на супесчаных, наоборот, в самом нижнем горизонте содержание К2О повышается, практически приближаясь к значениям в верхнем горизонте. Такая тенденция связана с хорошей промывной способностью супесчаных почв.
Заключение. На основании проведенных исследований было выявлено, что влияние лесозаготовительной деятельности на почвенный покров, как и на его дальнейшее восстановление, неоднозначно. Степень влияния рубок леса на эдафотоп, в частности, как и на весь биогеоценоз, в целом зависит от многих факторов. На физико-химические параметры почвы в большей степени влияет гранулометрический состав и влажность почвы, а также масштаб механического воздействия от тяжелой лесозаготовительной техники. Для восстановления рассмотренных свойств до контрольных норм супесчаным почвам понадобилось всего 5 лет, в то время как для суглинков оказалось недостаточно и 12 лет. Повышенная влажность среднесуглинистых почв способствует анаэробному разложению органического материала, вызывая процесс заболачива-
ния и даже закисления, что влияет на кислотность почвы и на содержание органического вещества (гумуса). В супесчанных почвах, наоборот, после резкого удаления древесной растительности в ходе сплошной рубки уровень грунтовых вод повысился, что положительно повлияло на процесс разложения древесного опада и отпада, но через 2—3 года уровень грунтовых вод снова снизился и в хорошо дренированной супеси разложившее -ся органическое вещество вымылось вниз по почвенному профилю.
Характер физико-химических почвенных свойств — одно из наиболее важных условий, определяющее последующее восстановление дре-весно-кустарниковой растительности. Таким образом, все компоненты биогеоценоза взаимосвязаны и зависят друг от друга. Воздействие на один компонент обязательно повлияет на все остальные, поэтому очень важно соблюдать правила заготовки древесины и руководствоваться требованиями к сохранению окружающей среды во время лесозаготовительных работ.
Библиографический список
1. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв / Е. В. Аринушкина. — М.: МГУ, 1970. — 487 с.
2. Бобровский М. В. Лесные почвы Европейской России: биотические и антропогенные факторы формирования / М. В. Бобровский. — М.: Товарищество научн. изд. КМК, 2010. — 359 с.
3. ГОСТ 26213—91 Почвы. Методы определения органического вещества. — М.: Издательство стандартов, 1992. — 10 с.
4. ГОСТ 28168—89 Почвы. Отбор проб. — М.: Изд-во стандартов, 1989. — 16 с.
5. ГОСТ Р 54650—2011 Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО. — М.: Стандартинформ, 2019. — 14 с.
6. Морозова Р. М. Изменение процессов почвообразования под влиянием коцентрированных рубок леса / Р. М. Морозова // Возобновление леса на вырубках и выращивание сеянцев в питомниках. — Петрозаводск, 1964. — С. 55—73.
7. Панасин В. И. Гумус и плодородие почв Калининградской области / В. И. Панасин, Д. А. Рымаренко. — Калининград, 2004. — 219 с.
8. Питухин А. В. Минимизация техногенного воздействия на лесную среду в процессе лесозаготовок / А. В. Питухин, В. С. Сюнев // Фундаментальные исследования. — 2005. — № 9. — С. 116—120.
9. Поветкина Н. Л. Состояние и резервы калия и фосфора в серых лесных почвах Владимирского ополья Ярославской области: Автореф. дис. канд. биол. наук. — М.: РГАУ-МСХА, 2008. — 20 с.
10. Фахрутдинов А. И. Ферментативная активность и питательный режим почв на лесных вырубках / А. И. Фахрутди-нов, Т. Д. Ямпольская // Известия Самарского науч. центра РАН, 2016. — Т. 18. — № 2 (2). — С. 530—533.
11. Marchi E. Impact of silvicultural treatment and forest operation on soil and regeneration in Mediterranean Turkey oak (Quercus cerris L.) coppice with standards / E. Marchi, R. Picchio, P. S. Mederski, D. Vusrc, M. Perugini, R. Venanzi // Ecological Engineering. — 2016. — Vol. 95. — P. 475—484.
12. Osman K. T. Forest Soils: Properties and Management / K. T. Osman // Springer International Publishing Switzerland. — 2013. — 221 p.
13. Venanzi R. Silvicultural and logging impact on soil characteristics in Chestnut (Castanea sativa Mill.) Mediterranean coppice / R. Venanzi, R. Picchio, G. Piovesan // Ecological Engineering. — 2016. — Vol. 92. — Р. 82—89.
14. Worrell, R. The influence of some forest operations on the sustainable management of forest soils — a review / R. Worrell, A. Hampson // Forestry. 1997. Vol. 70. Р. 61—85.
DYNAMICS OF SOME PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERISTICS OF SOILS UNDER THE INFLUENCE OF LOGGING ACTIVITIES IN DIFFERENT BIOGEOCENOSES WITHIN THE VOLOGDA REGION
N. N. Kharchenko, Ph. D. in Biology, Dr. Habil., Professor, Morozov Voronezh State Forestry University, [email protected], E. N. Pilipko, Ph. D. in Biology, Associate Professor, Vereshchagin Vologda State Dairy Academy, [email protected], Russia, Vologda,
M. S. Venkova, Master student, Vereshchagin Vologda State Dairy Academy, [email protected], Vologda, Russia.
References
1. Arinushkina E. V. Rukovodstvo po himicheskomu analizu pochv [Manual on chemical analysis of soils]. Moscow, MGU. 1970. 487 p. [in Russian].
2. Bobrovskiy M. V. Lesnye pochvy Evropejskoj Rossii: bioticheskie i antropogennye faktory formirovaniya [Forest soils of European Russia: biotic and anthropogenic factors of formation]. Moscow, Tovarishchestvo nauchn. izd. KMK. 2010. 359 p. [in Russian].
3. GOST 26213—91 Pochvy. Metody opredeleniya organicheskogo veshchestva. [Soil. Methods for determining organic matter]. Moscow, Izdatel'stvo standartov. 1992. 10 p. [in Russian].
4. GOST 28168—89. Pochvy. Otbor prob [Soils. Sampling]. Moscow, Izd-vo standartov. 1989. 16 p. [in Russian].
5. GOST R 54650—2011 Pochvy. Opredelenie podvizhnyh soedinenij fosfora i kaliya po metodu Kirsanova v modifikacii CINAO [Soil. Determination of mobile compounds of phosphorus and potassium by the Kirsanov method in the modification of the tsinao]. — Moscow, Standartinform. 2019. 14 p. [in Russian].
6. Morozova R. M. Izmenenie processov pochvoobrazovaniya pod vliyaniem kocentrirovannyh rubok lesa [Changes in soil formation processes under the influence of co-centered logging]. Vozobnovlenie lesa na vyrubkah i vyrashchivanie seyancev v pitomnikah. Petrozavodsk. 1964. P. 55—73 [in Russian].
7. Panasin V. I., Rymarenko D. A. Gumus i plodorodie pochv Kaliningradskoj oblasti [Humus and soil fertility of the Kaliningrad Region]. Kaliningrad, 2004. 219 p. [in Russian].
8. Pitukhin A. V., Syunyov V. S. Minimizaciya tekhnogennogo vozdejstviya na lesnuyu sredu v processe lesozagotovok [Minimization of technogenic impact on the forest environment in the process of logging]. Fundamental'nye issledovaniya. 2005. No. 9. P. 116—120 [in Russian].
9. Povetkina N. L. Sostoyanie i rezervy kaliya i fosfora v seryh lesnyh pochvah Vladimirskogo opol'ya Yaroslavskoj oblasti]: Av-toref. dis. kand. biol. nauk. [State and reserves of potassium and phosphorus in grey forest soils of the Vladimir Opol'e of the Yaroslavl Region [Thesis synopsis for Ph. D. in Biology] Moscow, RGAU-MSKHA, 2008. 20 p. [in Russian].
10. Fakhrutdinov A. I., Yampol'skaya T. D. Fermentativnaya aktivnost' i pitatel'nyj rezhim pochv na lesnyh vyrubkah [Enzymatic activity and nutrient regime of soils in forest clearings]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra RAN. 2016. Vol. 18. No. 2 (2). P. 530—533 [in Russian].
11. Marchi E. Impact of silvicultural treatment and forest operation on soil and regeneration in Mediterranean Turkey oak (Quer-cus cerris L.) coppice with standards / E. Marchi, R. Picchio, P. S. Mederski, D. Vusic, M. Perugini, R. Venanzi. Ecological Engineering. 2016. Vol. 95. P. 475—484.
12. Osman K. T. Forest Soils: Properties and Management. Springer International Publishing Switzerland. 2013. 221 p.
13. Venanzi R. Silvicultural and logging impact on soil characteristics in Chestnut ( Castanea sativa Mill.) Mediterranean coppice / R. Venanzi, R. Picchio, G. Piovesan. Ecological Engineering. 2016. Vol. 92. P. 82—89.
14. Worrell R. The influence of some forest operations on the sustainable management of forest soils — a review / R. Worrell, A. Hampson. Forestry. 1997. Vol. 70. P. 61—85.
