CC BY
169
УДК 631.417.2
Вестник СПбГУ. Сер. 3. 2012. Вып. 1
В. А. Безносиков, Е. Д. Лодыгин ФРАКЦИОННО-ГРУППОВОЙ СОСТАВ ГУМУСА
КРИОГЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНО-ГЛЕЕВЫХ И ГИДРОМОРФНЫХ ПОЧВ БОЛЬШЕЗЕМЕЛЬСКОЙ ТУНДРЫ
Введение
Интерес к гумусовым веществам непрерывно нарастает, причем не только у специалистов в области почвоведения и агрономии, но и ряда отраслей знаний, зачастую довольно далеко отстоящих от проблем почвоведения. В частности, исследования гумусовых кислот оказываются востребованными при решении многих проблем палеогеографии и палеоклиматологии, инженерной геологии, океанологии, медицины и физиологии, геохимии, а также при решении некоторых технических вопросов [1].
Территория Европейского северо-востока России — типичный мерзлотный регион циркумполярного пояса земли. Суровые климатические условия тундры способствуют глубокому промерзанию почвогрунтов, накоплению в них больших запасов холода, образованию многолетней мерзлоты. Влияние мерзлоты на почвообразование отмечалось многими исследователями [2-8]. Начатые в 1942 г. Е. Н. Ивановой и О. А. Полынце-вой углубленные исследования почв на северо-востоке Европейской части позволили впервые дать систематическое описание почв Воркутинского района (восточная часть Большеземельской тундры). Они отметили основные моменты тундрового почвообразования: возникновение близкого к поверхности переувлажненного оглеенного тиксотропного слоя, развитие поверхностного оглеения в условиях элювиального почвообразования, не сопровождающегося накоплением органической массы [2]. Специальные исследования органического вещества тундровых глеевых почв [6, 9] показали, что в его составе преобладают вещества неспецифической природы; в специфической части фульвокислоты (ФК) резко преобладают над гуминовыми кислотами (ГК).
В почвах, расположенных в зоне многолетней мерзлоты, протекает своеобразный комплекс процессов, связанных с влиянием низких температур. Образование слоев льда (шлиров) в почве приводит к разрыву капилляров, вследствие чего прекращается подтягивание влаги из надмерзлотных горизонтов к корнеобитаемому слою. Наличием мерзлого слоя вызван целый ряд механических изменений в почвенном профиле, таких как криотурбация и солифлюкция. Криогенная деформация приводит к образованию характерного для тундр мелкобугорковатого рельефа пучения — нанорельефа, что обусловливает геохимическую дифференциацию органических веществ в результате латерального и вертикального стоков.
Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что для плакорных почв тундры характерны: подстилкообразование и поверхностное гумусообразование при слабой интенсивности распада органических остатков и процессов гумификации [10-11]; кислая реакция среды и фульватный характер гумуса; слабый, преимущественно латеральный вынос небольшого количества элементов, мобилизованных при разложении опада и выветривании первичных минералов [2, 3, 5]. По И. А. Соколову почва обладает
© В. А. Безносиков, Е. Д. Лодыгин, 2012
сенсорностью и рефлекторностью по отношению к условиям природной среды, причем не только почва в целом, но и отдельные ее компоненты [12].
Биоклиматические условия тундрового почвообразования определяют специфический состав гумусовых веществ. Однако гетерогенность соединений этих классов не позволяет с достаточной степенью уверенности судить о геохимической дифференциации высокомолекулярных органических соединений в почвах криолитозоны. К настоящему времени имеются работы, посвященные исследованию структуры и трансформации ГВ в условиях таежного почвообразования [1, 13-16], однако подобные исследования для почв тундровых ландшафтов единичны.
Цель данной работы — выявить специфику фракционно-группового состава гумуса в криогенных поверхностно-глеевых и гидроморфных почв Большеземельской тундры.
Объекты и методы исследования
Исследования проведены в Большеземельской тундре в Воркутинском районе Республики Коми, где распространена массивно-островная многолетняя мерзлота [17]. Территория представляет полого-увалистую равнину, покрытую чехлом покровных пылеватых суглинков мощностью менее 10 м [18].
Объекты исследований — плакорные почвы: поверхностно-глеевые, поверхност-но-глеевые освоенные (южная кустарниковая тундра); торфянисто-глеевые, торфяно-глеевые (типичная мохово-лишайниковая тундра). Почвы южной кустарниковой тундры
Разрез 12-ж. Разрез заложен на верхней части пологого склона водораздельного моренного увала Нерусовей-мусюр. Сеянный мятликово-лисохвостный бессменный луг — возраст 53 года.
Адер. 0-5 см На поверхности почвы слаборазложившийся растительный материал, нижняя часть — суглинок средний, буровато-серый, комковато-порошистой структуры, переплетен корнями трав, переход ясный. А^ 5-10 см Суглинок средний, буровато-сизый, листоватой структуры, тиксотропный,
немногочисленные корни, переход постепенный. Вg 10-35 см Суглинок средний, светло-бурый с сизыми пятнами, листоватая структура, встречаются железистые конкреции, нижняя граница хорошо выражена по структуре.
В1 35-60 см Суглинок средний, бурый, мелко-ореховатая структура, рассыпается на структурные отдельности, по граням обильная белесая присыпка, переход постепенный.
В2 60-105 см Тяжелый суглинок, бурый, сверху ореховатой, внизу комковато-слоеватой структуры, белесая присыпка, более влажный, чем В1, слабо тиксотропный, переход выраженный.
ВСg 105-130 см Суглинок средний, влажный, на буром фоне сизые и ржавые зоны, структура плитчатая.
Почва: тундровая поверхностно-глеевая освоенная на суглинистых почвообразу-ющих породах.
Разрез 9-ж. Разрез заложен в 50 м от разреза 12-ж. Пологий склон моренного увала. Ивняково-ерниковая моховая мелкобугорковатая тундра, в покрове преобладают гипновые мхи, примесь политриховых, единичные экземпляры карликовой березки, кустарнички брусники, осоковые встречаются редко.
А0 0-5 см Черно-бурая полуразложившаяся торфянистая подстилка, плотно пере-
плетена корнями кустарников и злаков.
А0АЬ 5-10 см Переходный от торфянистой подстилки к глеевому горизонту, средний суглинок, серовато-бурый с примесью торфянистых частиц, порошистый, переплетен корнями, переход ясный.
G 10-25 см Средний суглинок, ржаво-сизый, влажный, бесструктурный, переход по-
степенный.
GВ1 25-55 см Средний суглинок, буровато-палевый с сизыми и ржавыми пятнами, влажный, слоевато-мелкокомковатый, тиксотропный, обилие железистых новообразований, переход постепенный.
В1 55-87 см Средний суглинок палево-светло-бурый, белесая кремнеземистая присып-
ка, оглеение морфологически не обнаружено, структура ореховатая, переход постепенный.
В2 87-120 см Средний суглинок, структура ореховато-комковатая, слабая белесая при-
сыпка, переход постепенный.
ВСg 120-150 см Суглинок сизовато-бурый, ржавые пятна, влажный, структура плитчато-ореховатая.
Почва: тундровая поверхностно-глеевая на суглинистых почвообразующих породах.
Таблица 1. Гранулометрический состав тундровых почв
Горизонт Глубина, см Размер ( ракции (мм) и их содержание (в %) Сумма частиц <0,01
1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 <0,001
Тундровая поверхностно-глеевая освоенная
Bg 10-25 0,79 2,96 62,46 6,12 4,90 22,77 33,79
Bg 25-35 0,63 11,17 57,53 4,08 6,94 19,65 30,66
В1 35-60 1,11 3,57 61,07 5,70 5,70 22,85 34,25
В2 60-105 0,31 1,17 56,23 4,51 8,62 29,16 42,30
BCg 105-130 0,18 11,85 49,15 5,32 9,42 24,08 38,82
Тундровая поверхностно-глеевая
G 10-20 0,24 0,40 68,22 5,68 7,72 17,74 31,14
GBl 35-55 0,19 7,79 57,83 6,92 5,70 21,57 34,19
В1 55-87 0,13 18,10 45,49 3,28 6,97 26,03 36,28
В2 87-120 0,05 0,46 61,37 5,73 3,68 28,71 38,12
BCg 120-130 0,04 33,41 27,01 5,32 6,55 27,67 39,54
Торфянисто-тундровая глеевая
G 25-35 0,44 47,74 11,49 4,92 7,80 27,60 40,33
GB1 40-55 0,36 2,04 57,46 4,93 6,16 29,06 40,14
Bg 55-60 0,43 35,37 20,94 3,70 2,87 36,69 43,26
Торфяно-тундровая глеевая
Gf 28-40 0,63 12,65 51,05 6,13 6,53 23,00 35,66
Gl 40-50 0,66 12,58 51,54 3,27 8,18 23,77 35,22
G2 50-60 0,47 7,61 52,90 2,46 4,51 32,05 39,02
Тундровые поверхностно-глеевые почвы характеризуются морфологически дифференцированным профилем с двумя уровнями оглеения: в верхней части минеральной толщи — элювиально-глеевый и в нижней — глубинно-глеевый горизонты; глубоким залеганием многолетнемерзлых покровных суглинков около 1,5 м. Верхние горизонты G и GB1 профиля тундровых поверхностно-глеевых почв по содержанию физической глины, в том числе и илистой фракции, имеют облегченный гранулометрический состав (табл. 1). Аналитические данные показывают (табл. 2), что тундровые поверхностно-глеевые почвы имеют кислую реакцию всего профиля. В подстилке и элювиально-глеевых горизонтах гидролитическая кислотность составляет 7,59-30,6 ммоль/100 г почвы и резко снижается в ВС до 1,78 ммоль/100 г. Профильное распределение содержания обменного кальция и магния в почвенной толще имеет бимодальный характер проявления: минимальное — в глеевых горизонтах, максимальное — в подстилке и почвообразующей породе.
Таблица 2. Агрохимическая характеристика почв
Горизонт Глубина, см рНсол. Нг, ммоль / 100 г Р2О5 | К2О Са2+ | Mg2+
мг/ 100 г ммоль / 100 г
Тундровая поверхностно-глеевая освоенная
Адер. 0-5 4,75 35,1 39,71 289,85 22,95 1,86
А^ 5-10 3,74 11,0 3,34 17,68 3,65 0,44
Bg 25-35 3,65 10,3 5,48 22,46 2,30 1,08
В1 35-60 3,70 6,11 9,60 32,55 7,62 2,57
В2 60-105 3,85 3,33 16,32 43,63 15,40 6,33
ВСg 105-130 4,25 2,11 17,70 43,18 15,42 6,07
Тундровая поверхностно-глеевая
А0 0-5 4,68 30,60 25,86 150,5 40,72 2,95
О 10-25 3,81 7,59 3,68 13,28 3,59 1,01
ОВ! 30-50 3,88 5,48 9,98 18,28 8,62 2,13
В1 55-85 4,07 2,74 18,21 26,40 16,51 4,52
В2 90-115 4,45 2,02 23,20 28,70 16,83 4,90
ВСg 120-130 4,65 1,78 25,89 48,00 18,0 5,08
Торфянисто-тундровая глеевая
О 0-14 6,10 17,0 34,25 429,95 135,0 5,08
О 25-35 4,21 3,05 15,44 42,71 18,56 6,32
ОВ1 40-55 4,52 2,86 16,65 40,47 20,66 4,79
Вg 55-60 4,57 2,07 18,58 43,80 23,30 6,66
Торфяно-тундровая глеевая
О 0-25 6,15 20,9 29,63 391,80 144,80 5,64
28-40 3,94 3,96 22,32 36,53 15,13 4,90
О1 40-50 4,02 3,05 26,77 43,01 16,83 5,58
О2 50-60 4,41 2,41 27,82 43,28 19,52 6,10
Почвы типичной мохово-лишайниковой тундры
Разрез 10-ж. Средняя часть юго-западного склона, уклон 3°. Ерниково-зеленомош-ный покров, политриховые и сфагновые мхи, лишайники, водяника, багульник, по бугоркам — морошка, голубика. Микрорельеф: бугорковатый — бугры высотой до 40 см, диаметром до 1,5 м. Межбугорковое понижение.
0-7 см
Слаборазложившаяся моховая подстилка, темно-серая, обилие корней растений.
Темно-серый, почти черный, в нижней части хорошо разложившийся торф.
Переходный, пылеватый средний суглинок, неоднородный по окраске: от темно-коричневого до серого с сизовато-бурым оттенком, структура неясно-порошистая.
Суглинок средний, ржаво-сизый, сырой, тиксотропный. Тяжелый суглинок ярко-сизый с ржавыми пятнами, мерзлый, структура мелкоореховатая, имеются морозобойные трещины, заполненные гумуси-рованным суглинком.
Бурый тяжелый суглинок, плотный, мерзлый, раскалывается на ореховатые структуры, множество Мп примазок, под ним потечно-гумусовый затек. На глубине 50-60 см — темное пятно зернистой структуры.
Почва: торфянисто-тундровая глеевая мерзлотная на суглинистых почвообразу-ющих породах.
Разрез 11-ж. Описание места закладки разреза 11-ж аналогично разрезу 10-ж. Разрез заложен на бугорке.
01
02
О2Ahg G
GВl Вg
7-14 см
14-17 см
17-40 см 40-55 см
55-90 см
О1
О2
0-5 см
5-26 см
О2Ahg 26-28 см
Gf Gl
G2
28-40 см 40-50 см
50-70 см
Торфянистая слаборазложившаяся подстилка, светло-коричневая, сфаг-ново-политриховая, сырая.
Слаборазложившаяся подстилка из мхов, книзу степень разложения увеличивается, темно-серый торф, свежий, рыхлый, переход ясный. Переходный, пылеватый средний суглинок, неоднородный по окраске: от темно-коричневого до серого с сизовато-бурым оттенком, структура неясно порошистая.
Суглинок средний, ржаво-сизый, сырой, вязкий, тиксотропный. Средний суглинок ярко-серовато-сизый с ржавыми пятнами, мерзлый, структура мелкоореховатая, имеются морозобойные трещины, заполненные гумусированным суглинком. На глубине 46-62 см — темное пятно зернистой структурой.
Средний суглинок, бурый, плотный, мерзлый, раскалывается на орехова-тые структуры, криотурбированные разводы, под ним потечно-гумусо-вый затек.
Почва: торфяно-тундровая глеевая мерзлотная на суглинистых почвообразующих породах.
Торфянисто- и торфяно-тундровые глеевые почвы (криогидроморфные) формируются в подчиненных ландшафтах и приурочены к плоскоравнинным водораздельным увалам, понижениям, подножью склонов, к периферии болотных массивов. Морфологические особенности этих почв: наличие поверхностной торфяной подстилки (15-30 см) и четко выраженного глеевого тиксотропного горизонта; иллювиальная толща малой мощности; почвенный профиль слабо дифференцирован; деформация почвенного профиля, вызванная перемещением насыщенных влагой почвогрунтов при оттаивании и замерзании; замедленный биологический круговорот; низкая биологическая продуктивность; в почвах преобладают восстановительные условия. Процессы выщелачивания практически отсутствуют, в этих почвах отмечается значительное накопление полуторных окисидов алюминия, железа и марганца. Верхняя часть ил-
лювиальной и криогенной зон являются геохимическими барьерами. Почвы обладают слабокислой реакцией среды органогенных горизонтов и кислой — минеральной толщи, высокой гидролитической кислотностью и особенно органической составляющей, низкой насыщенностью ППК основаниями. Гранулометрический состав: средний — тяжелый суглинок. Илистая фракция и физическая глина практически равномерно распределены по профилю почв, наблюдается некоторое увеличение данных фракций на границе мерзлого слоя (нижняя часть глеевого-тиксотропного горизонта).
Фракционно-групповой состав гумуса определяли по методу И. В. Тюрина в модификации В. В. Пономаревой и Т. А. Плотниковой [19] со спектрофотометрическим окончанием [20]. Для сравнительной оценки гумусного состояния почв использовали систему показателей, предложенную Д. С. Орловым и О. Н. Бирюковой: 1) соотношение углерода гуминовых и фульвокислот (СГК/СФК), определяющие тип гумуса и являющиеся мерой глубины гумификации органического вещества; 2) отношение углерода гу-миновых кислот к общему углероду (СГК/Собщ.) как показатель степени гумификации органического вещества; 3) содержание гумусовых веществ (СГВ = СГК + СФК) как характеристика растворимости органического вещества и содержание негидролизуемого остатка (Н. О.), рассматриваемого как пул органического вещества, потенциально доступного для трансформации [21].
Результаты исследования и их обсуждение
Информативность гумусового профиля основана на том, что гумус, обладая свойствами сенсорности и рефлекторности по отношению к природной среде, представляет собой открытую природную систему гумусовых веществ, которая формируется по законам термодинамики и способна к саморегуляции и самовосстановлению [22]. Гумусовые вещества делятся на три группы соединений: гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины (негидролизуемый остаток). Гуминовые кислоты подразделяются на фракции: свободные и связанные с подвижными полуторными оксидами (ГК-1); с обменным кальцием (ГК-2); с устойчивыми формами оксидов железа, алюминия и глинистыми минералами (ГК-3). Фульвокислоты, в свою очередь, разделяются на четыре фракции: три фракции фульвокислот, находящиеся в полимерных связях с гуминовыми кислотами соответствующих фракций и минеральными компонентами этих фракций, и одна фракция свободных ФК, связанная с подвижными полуторными оксидами — агрессивная фракция фульвокислот (ФК-1а) и негидролизуемый остаток.
Групповой и фракционный состав гумуса тундровых криоповерхностно-глеевых и криогидроморфных почв представлен в табл. 3. Полученные данные дают возможность выявить особенности фракционно-группового состава гумуса и профильной дифференциации главных групп ГВ в изучаемых почвах.
Криоповерхностно-глеевые почвы. Специфичность вертикального распределения гумуса в суглинистых поверхностно-глеевых почвах обусловливается криогенными процессами: режимом промерзания — оттаивания. Сезонномерзлый слой в весенне-летний период является временным водоупорным горизонтом, который перемещается вниз по профилю по мере протаивания толщи почвы. Это способствует длительному застою влаги в верхней части минерального слоя профиля, переувлажнению, вследствие наличия в нем тиксотропных свойств и низкой фильтрующей способности. С наступлением морозного периода нисходящий ток почвенных растворов прерыва-
ется криогенной (морозной) миграцией влаги, направленный к фронту промораживания.
Анализируя полученные материалы, можно отметить, что профили, как поверх-ностно-глеевой освоенной, так и целинных почв имеют одинаковый характер вертикального распределении гумуса, несмотря на некоторые количественные колебания содержания органического углерода. Данные показывают, что для процесса вертикальной дифференциации органического вещества криоповерхностно-глеевых почв характерно равномерно-убывающий характер гумуса. Для грубогумусных аккумулятивных горизонтов поверхностно-глеевых почв выражена резкая локализация органического вещества в небольших по мощности слоях (0-5 см). Содержание органического вещества в этих горизонтах довольно высокое. Массовая доля углерода в поверхностно-глее-вых почвах (целина) составила 14,8%, в то время как в поверхностно-глеевой освоенной почве отмечен рост содержания углерода в органогенном горизонте на 3,8%, по сравнению с целинным аналогом. Это, по-видимому, связано с освоением целинных тундровых поверхностно-глеевых почв и трансформации их под мятликово-лисо-хвостный луг. В освоенных почвах горизонт Адер. морфологически представляет собой с поверхности обилие слаборазложившегося растительного материала (мятликово-ли-сохвостный опад и их корни), ниже — бурый подгоризонт (2-3-5 см), который густо переплетен корнями трав, что является источником органического вещества.
Сопоставляя данные по содержанию в гумусе исследованных почв фракций ГК и ФК, следует отметить преобладание в гумусе фульвокислот по всему профилю (рисунок). В группе гуминовых кислот в почвах преобладает первая фракция ГК, в то время как вторая фракция ГК находится в незначительном количестве или полностью отсутствует. Закономерности распределения третьей фракции ГК находятся в соответствии с первой фракцией, однако, ее содержание меньше. В группах фульвокислот в количественном отношении выделяются фракции 1 и 3, находящиеся в связях с соответствующими фракциями ГК и минеральными компонентами. Значительное количество ФК приурочено к минеральным горизонтам. В минеральных горизонтах эти фракции находятся довольно в большом количестве, особенно в тундровой поверхностно-глеевой освоенной почве.
Распределение углерода ГК по профилю имеет аккумулятивный тип, что обусловлено гидрофобной природой молекул ГК и, как следствие, их низкой миграционной способностью.
Сумма фракций ФК, наоборот, увеличивается в минеральной толще по причине гидрофильности молекул ФК и их вымывания из верхних горизонтов. Распределение различных фракций ФК неодинаково: фракции 1а и 1 имеют элювиально-иллювиальный тип, фракция 2 практически отсутствует, а фракция 3 имеет элювиальный тип.
Третья группа гумусовых веществ представлена негидролизуемым остатком. Его доля в гумусе исследованных почв сильно варьируется. В органогенных горизонтах (А0, Адер.) содержание негидролизуемого остатка составляет 40-54% от Сорг., что обусловлено высоким содержанием негумифицированных органических остатков. Причем в тундровой дерновой поверхностно-глеевой почве доля СН. О. в органогенном горизонте на 14% ниже, чем в неосвоенном аналоге, что обусловлено более интенсивным процессом гумификации в освоенной почве. В минеральных горизонтах доля СН. О. резко снижается до 8-23% и содержание данной фракции обусловлено способностью молекул гумусовых кислот связываться с минеральной матрицей почвы, образуя гумин.
Таблица 3. Фракционно-групповой состав гумуса тундровых почв
Горизонт Глубина, см Сорг, % Сгк СФК Сгк / Сфк Сгк/ С0рг.> % Сн.о.
1 2 3 1а 1 2 3
Тундровая поверхностно-глеевая освоенная
д лдер. 0-5 18,6 ±1,9 3,3 ±0,5 18±3 0,36 ±0,07 1,9 ±0,4 0,64 ±0,13 3,4 ±0,8 0,77 ±0,15 4,2 ±0,9 2,8 ±0,6 15 ±3 0,43 ±0,09 2,3 ±0,5 2,9 ±0,6 16 ±4 0,62 ±0,17 23 ±4 7,3 ±2,1 39 ±12
А1В§ 5-10 3,9 ±0,6 0,67 ±0,13 17±4 0 0,13 ±0,03 3,2 ±0,8 0,19 ±0,04 4,7 ±1,2 0,75 ±0,15 19±5 0 0,70 ±0,14 18 ±4 0,49 ±0,21 19±5 1,5 ±0,6 38 ±17
ВЕ 10-15 1,24 ±0,25 0,079±0,016 0 0,036 ±0,007 0,095 ±0,019 0,24 ±0,05 0 0,40 ±0,08 0,16 ±0,20 9,3 ±2,3 0,39 ±0,27
6,4 ±1,8 2,9 ±0,8 7,7 ±2,2 20 ±6 32 ±9 32 ±23
ВЕ 15-20 0,99 ±0,20 0,072±0,014 0 0,040 ±0,008 0,079±0,016 0,22 ±0,04 0 0,35 ±0,07 0,17 ±0,20 11 ±3 0,23 ±0,22
7,2 ±2,0 4,0 ±1,1 7,9 ±2,2 23 ±6 35 ±10 23 ±23
ВЕ 25-30 0,77 ±0,15 0,030 ±0,006 0,018 ±0,004 0,015 ±0,003 0,054±0,011 0,17 ±0,03 0 0,30 ±0,06 0,12±0,18 8,2 ±1,9 0,18 ±0,17
3,9± 1,1 2,3 ±0,7 1,9 ±0,5 7,0 ±2,0 23 ±6 39 ±11 23 ±24
В! 35-40 0,49 ±0,10 0,033 ±0,007 0,008 ±0,003 0 0,022 ±0,004 0,083 ±0,017 0 0,22 ±0,04 0,12 ±0,22 8,4 ±2,2 0,12 + 0,11
6,8 ±1,9 1,6 ±0,5 4,5 ±1,3 17±5 46 ±13 24 ±24
вс§ 125-130 0,40 ±0,08 0,022 ±0,004 5,4 ±1,5 0 0,012 ±0,003 3,0 ±0,8 0 0,028 ±0,006 6,9 ±2,0 0 0,24 ±0,05 58 ±16 0,13 ±0,23 8,4 ±2,1 0,11 ±0,09 26 ±26
Тундровая поверхностно-глеевая
А„ 0-5 14,8 ±1,5 1,8±0,4 12,4 ±2,8 0,084 ±0,016 0,57 ±0,13 1,22 ±0,24 8,3 ± 1,8 0,32 ±0,06 2,2 ±0,5 1,9 ±0,4 13,1 ±2,9 0,096±0,019 0,65 ±0,14 I,7 ±0,3 II,7 ±2,6 0,77 ±0,19 21 ±4 7,5 ±0,6 51 ± 12
А„АЬ 5-10 2,1 ±0,4 0,25 ±0,5 12±4 0,065 ±0,013 3,2 ±0,9 0,21 ±0,04 10,1 ±2,9 0,16 ±0,03 7,6 ±2,2 0,50 ±0,10 24 ±7 0 0,45 ±0,09 22 ±6 0,48 ±0,18 26 ±6 0,43 ±0,44 21 ±23
О 10-15 0,55 ±0,11 0,044 ±0,009 0,010 ±0,003 0,036 ±0,007 0,043 ±0,009 0,105 ±0,021 0 0,27 ±0,05 0,21 ±0,19 16±4 0,04 ±0,13
8,0 ±2,3 1,8 ±0,5 6,5 ± 1,8 7,8 ±2,2 19±5 49 ±14 8 ±25
ОВ! 25-30 0,44 ±0,09 0,027 ±0,005 0,010 ±0,003 0,013 ±0,003 0,020 ±0,004 0,073 ±0,005 0 0,25 ±0,05 0,14 ±0,20 11 ±3 0,05 ±0,10
6,1 ±1,7 2,3 ±0,6 2,9 ±0,8 4,5 ±1,3 16±5 57 ±16 11 ±26
вс§ 125-130 0,36 ±0,07 0,018±0,004 0,021 ±0,004 0,021 ±0,004 0 0,012 ±0,003 0 0,21 ±0,04 0,27 ±0,22 17±4 0,07 ±0,08
5,1 ±1,4 5,9 ±1,7 5,9 ±1,7 3,4 ±1,0 60 ±17 20 ±26
Торфянисто-тундровая глеевая
О 0-14 24,9 ±2,5 1,43 ±0,29 5,7 ±1,3 0,53 ±0,11 2,1 ±0,5 2,1 ±0,4 8,4 ± 1,9 0,66 ±0,13 2,7 ±0,6 2,0 ±0,4 8,2 ±1,8 0,97 ±0,19 3,9 ±0,9 3,0 ±0,5 12,1 ±2,2 0,60 ±0,16 16,2 ±2,6 14,1 ±2,6 57+11
ОгАЬё 14-17 1,31 ±0,26 0,060±0,012 0,090 ±0,018 0,112±0,022 0,093 ±0,019 0,141 ±0,028 0,119 ±0,024 0,25 ±0,05 0,44 ±0,16 20 ±5 0,45 ±0,27
4,6 ±1,3 6,9 ±1,4 8,5 ±2,4 7,1 ±2,0 11 ±3 9,1 ±2,6 19±5 34 ±21
О 20-25 0,47 ±0,09 0,014±0,003 0,034 ±0,007 0,020 ±0,004 0,045 ±0,009 0,101 ±0,020 0 0,15 ±0,03 0,23 ±0,18 14 ±3 0,10 + 0,10
3,0 ±0,8 7,2 ±2,0 4,3 ± 1,2 9,6 ±2,7 21 ±6 33 ±9 22 ±23
О 35-40 0,69 ±0,14 0,021 ±0,004 0,051 ±0,010 0,018 ±0,004 0,050 ±0,010 0,046 ±0,009 0,044 ±0,009 0,20 ±0,04 0,26 ±0,18 13 ±3 0,26 + 0,15
3,0 ±0,9 7,4 ±2,1 2,6 ±0,7 7,2 ±2,0 6,6 ±1,9 6,4 ±1,8 29 ±8 37 ±22
ОВ! 45-50 0,55 ±0,11 0,020 ±0,004 0,068 ±0,014 0,020 ±0,004 0,045 ±0,009 0,023 ±0,005 0,043 ±0,009 7,8 ±2,2 0,15 ±0,03 0,42 ±0,18 20 ±5 0,19 + 0,12
3,6 ±1,0 12±4 3,6 ±1,0 8,2 ±2,3 4,2 ±1,2 27 ±8 34 + 22
Т.П. 50-60 1,32 ±0,26 0,108 ±0,022 0,115 ±0,023 0,112±0,022 0,043 ±0,009 0,18 ±0,04 0,032 ±0,006 0,37 ±0,07 0,54 ±0,18 25 ±6 0,36 + 0,28
8,2 ±2,3 8,7 ±2,5 8,5 ±2,4 3,3 ±0,9 13,3 ±3,8 2,4 ±0,7 28 ±8 27 + 22
Торфяно-тундровая глеевая
О1 0-5 30±3 1,11 ±0,22 3,7 ±0,8 1,35 ±0,27 4,5 ±1,0 2,0 ±0,4 6,8 ±1,5 1,09 ±0,22 3,7 ±0,8 2,9 ±0,6 9,8 ±2,2 0,17 ±0,03 0,57 ±0,13 3,2 ±0,5 10,6 ±1,9 0,61 ±0,16 15,0 ±2,3 18 + 3 60+11
о2 5-10 30±3 0,78 ±0,16 2,6 ±0,6 1,6 ±0,3 5,4 ±1,2 1,7 ±0,3 5,7 ±1,3 0,94 ±0,19 3,2 ±0,7 2,3 ±0,5 7,6 ±1,7 0,034 ±0,007 0,115 ±0,026 3,2 ±0,5 10,8 ±1,9 0,63 ±0,16 13,7 ±2,2 19 + 3 65 + 11
о2 10-15 24,0 ±2,4 0,91 ±0,18 3,8 ±0,8 0,82 ±0,16 3,4 ±0,8 1,6 ±0,3 6,8 ±1,5 0,76 ±0,15 3,2 ±0,7 1,9 ±0,4 7,8 ±1,8 0,36 ±0,07 1,5 ±0,3 2,5 ±0,5 10,3 ± 2,3 0,62 ±0,17 14,1 ±2,2 15,1 + 2,5 63 + 11
о2 15-20 29,1 ±2,9 1,7±0,3 5,9 ±1,3 0,79 ±0,16 2,7 ±0,6 2,4 ±0,5 8,2 ±1,8 0,56 ±0,11 1,9 ±0,4 2,4 ±0,5 8,1 ±1,8 0,26 ±0,05 0,88 ±0,20 3,3 ±0,5 11,3 ±2,0 0,76 ±0,16 16,8 ±2,7 18 + 3 61 + 11
ОгАЬё 26-28 6,8 ±0,7 0,89 ±0,18 13,1 ±2,9 0,58±0,12 8,6 ±1,9 0,46 ±0,09 6,8 ±1,5 0,21 ±0,04 3,1 ±0,7 0,96 ±0,19 14 ±3 0 0,76 ±0,15 11,2 ±2,5 1,01 ±0,18 29 ±4 2,9 + 0,8 43 + 11
Ог 30-35 0,66 ±0,13 0,026 ±0,005 0,026 ±0,005 0,027 ±0,005 0,060 ±0,012 0,018 ±0,004 0,014±0,003 0,20 ±0,04 0,27 ±0,18 12 ±3 0,29 + 0,14
3,9± 1,1 3,9 ±1,1 4,1 ±1,2 9,1 ±2,6 2,7 ±0,8 2,1 ±0,6 31 ±9 43 + 22
о2 55-60 0,46 ±0,09 0,011 ±0,003 0,015 ±0,003 0,012 ±0,003 0,033 ±0,007 0 0,013 ±0,003 0,19 ±0,04 0,16 ±0,20 8,4 ± 1,9 0,18 + 0,10
2,4 ±0,7 3,3 ±0,9 2,6 ±0,7 7,3 ±2,1 2,9 ±0,8 42± 12 39 + 23
Т.П. 46-62 1,7 ±0,3 0,115 ±0,023 6,9 ±1,9 0,17 ±0,03 10,3 ± 2,9 0,19 ±0,04 11 ±3 0,079 ±0,016 4,7 ±1,3 0,15 ±0,03 9,0 ±2,5 0,18 ±0,04 11 ±3 0,29 ±0,06 17±5 0,68 ±0,16 28 ±7 0,5 + 0,3 30 + 22
Примечани е. В числителе указана массовая доля в % к почве, в знаменателе — в % к Сорг. в почве. Т. П. — темное пятно; Н. О. — негидролизуемый остаток.
О 20 40 60 50 100 в 20 40 СС 80 100
Массовая дом углерод фракций гуиуса, % Швами дол« углерода фракций гумуса, %
Массовая доля углерода фракций гумуса в тундровых почвах: а — тундровая поверхностно-глеевая освоенная; б — тундровая поверхностно-глеевая; в — торфянисто-тундровая глеевая; г — торфяно-тундровая глеевая.
Криогидроморфные почвы. Гумусовый профиль криогидроморфных почв, сформированных на суглинистых породах, создается комплексом процессов: криогенный массообмен, мерзлотная ретинизация, гумусонакопление за счет разложения главным образом корневого опада in situ. Распределение органического углерода по профилю криогидроморфных почв имеет аккумулятивно-потечно-иллювиальный характер с максимумом содержания его в гумусо-аккумулятивном горизонте (гор. О) и резким уменьшением Сорг. в горизонте G. Ведущим компонентом среди основных фракций почв ГВ являются ФК. Степень гумификации органического вещества слабая, содержание гуминовых кислот, связанных с Са2+ очень низкое, состав гумуса гуматно-фуль-ватный в горизонте О (02Ahg), в остальной части минеральной толщи — фульватный. В надмерзлотном слое увеличивается содержание Сорг. и растворимость ГВ (СГК+СФК) до 56-67% и расширяется отношение СГК/СФК. Увеличение содержания Сорг. и ГВ связано с криогенной денатурацией и трансформацией дисперсных ГВ в жестких условиях промерзания, высокой контрастностью термического режима и особенно в горизонте 02Ahg тундровой торфяно-глеевой почвы. Горизонт 02Ahg является для криогидро-морфных почв субгоризонтом, образующимся в результате внутрипочвенного гумусо-накопления. Данный горизонт формируется на мерзлотной подошве верхней части горизонта G. Внутрипочвенное гумусонакопление в горизонте 02Ahg происходит за счет миграции растворов ГВ из верхней части подстилки (мерзлотная ретинизация) с последующей деградацией (криогенная денатурация) и коагуляцией дисперсных гумусовых систем, а также за счет термокапиллярного перемещения ГВ к фронту промораживания. Данный горизонт, с одной стороны, является водоупором, а с другой «насосом», обусловливающий возвратное перемещение (подтягивание) и внутрипочвенное закрепление части растворенных ГВ в верхней части профиля в осенне-зимний период [6, 8].
ГК тундровых торфянисто- и торфяно-глеевых почв представлены всеми фракциями с преобладанием свободных (фракция 1) и прочно связанных с глинистыми минералами (фракция 3). Наиболее упрощенные по строению (слабополимеризованные соединения) и более подвижные ГК-1, связанные с полуторными оксидами, составляют основную часть ГВ в группе ГК и, особенно в торфяно-глеевой почве. Высокое содержание обменных оснований, сравнительно низкая гидролитическая кислотность в криогидроморфных почвах способствуют увеличению доли гуминовых кислот, связанных с кальцием (ГК-2), от 6-8% в горизонте G до 7-9% в горизонте 02Ahg от Сорг.Для сравнения в составе гумуса поверхностно-глеевых почв ГК-2 практически отсутствует. Поскольку гуматы кальция аккумулируются на месте своего образования и не способны к миграции в водных растворах с кислой, нейтральной и слабощелочной реакцией, появление их на глубине 40-50 см почвенного профиля может рассматриваться как современный процесс гумусообразования, или как процесс, свидетельствующий о релик-товости гумуса, образование которого протекало в иной биоклиматической обстановке.
В распределении по профилю фульвокислот отмечаются флуктуации. Наименьшая доля ФК отмечается в органогенном горизонте (26-27% от Сорг.), наибольшая в тиксо-тропном слое — 55-64%. В группе фульвокислот преобладают лабильные и связанные с устойчивыми формами оксидов железа, алюминия и глинистыми минералами фракции (1+3). Гумус суглинистых криогидроморфных почв отличается незначительным количеством фракции 1а, обладающей наибольшей подвижностью и фракции 2, связанной с кальцием. При этом следует отметить, что дифференциация качественного состава гумуса достаточно ярко выражена на границе раздела между минеральной
и органической частями профиля. Минеральная часть профиля пропитана главным образом фульватным органическим веществом и особенно это рельефно проявляется в тундровой торфянисто-глеевой почве. В криогидроморфных почвах в горизонте G увеличивается растворимость и подвижность органических веществ, мощность пропитанного гумусом минерального тиксотропного слоя. В весенне-летний периоды высокая переувлажненность, особенно в верхней части тиксотропного горизонта, обусловливает увеличение потечности гумуса, что приводит к растянутости гумусового профиля почв. В морозные периоды года почвенные растворы концентрируются в нижней части тиксотропного горизонта благодаря вымораживанию влаги и дальнейшей коагуляции и перевода их в плохорастворимое состояние. Именно с этими процессами, по утверждению И. Б. Арчеговой, связано повышенное содержание в тиксо-тропном горизонте фракции 3 фульвокислот и подвижной фракции 1 [6].
В последнее десятилетие появились работы, показывающие, что гумусовый профиль фиксирует все, даже кратковременные изменения природной среды и четко отражает стадии и фазы развития почв, которые можно диагностировать и при отсутствии явно выраженных морфологических реликтовых признаков.
Наличие в минеральных горизонтах второй фракции гуминовых кислот, связанных с кальцием (1-6% от Сорг.) свидетельствует, по-видимому, о реликтовости гумуса. Известно, что нахождение этой фракции в горизонтах В-ВСg мерзлотных почв Боль-шеземельской тундры и незначительное количество негидролизуемого остатка в них говорит об иных условиях почвообразования в прошлые этапы голоцена [23]. Согласно палеогеографическим данным, в это время на дренируемых участках господствовали злаково-разнотравные сообщества, таежные экосистемы. Подтверждением служат погребенные дерново-подзолистые иллювиально-глинистые почвы (6030 ± 170 лет назад), обнаруженные в 5,5 км к северо-востоку от Воркуты [24].
В разрезах криогидроморфных почв на глубине 50-62 см в зоне активного развития криогенных процессов в тиксотропном горизонте обнаружены темно-серые пятна зернистой структуры, прокрашенные органическим веществом. Обращает внимание сравнительно высокое содержание в гумусированных пятнах фракции гуминовых кислот, связанных с кальцием (9-10%). Особенностью пятен также является повышенное содержание органического углерода и увеличение отношения СГК/СФК, по сравнению с верхними сопредельными горизонтами, что не характерно для почв с простым (мо-ногенетичным) профилем. Аккумулятивный характер ГК-пятен (в пятнах ГК составляют 25-28% от суммы Сорг), трансаккумулятивный и мигрирующий компоненты ФК (часть ФК может связываться в комплексы с ГК, а часть мигрировать по профилю) определяют процессы формирования нижней части профиля и гумусовых пятен. По данным Е. В Каллас, М. И. Дергачевой эти показатели гумусовых веществ являются более рефлекторными по отношению к природной среде по сравнению с морфологическим профилем и являются устойчивыми признаками, которые могут использоваться в качестве маркера стадий и фаз почвообразования [25, 26].
Глинистые натеки (пятна) в срединных горизонтах свидетельствуют об их реликтовой текстурной дифференциации, что связано с резким похолоданием в суббореаль-ный период. Резкое похолодание сопровождалось погребением почв, осадконакопле-нием и началом следующего этапа почвообразования под тундровыми сообществами [24]. Высокие величины показателей гумификации свидетельствуют в пользу авто-морфных условий образования темных пятен.
Заключение
Таким образом, гумусообразование и формирование фракционно-группового состава гумуса тундровых почв происходит в жестких климатических условиях, что определяет специфику количественного и качественного состава органического вещества. Характерной особенностью исследованных почв, сформированных на суглинистых породах, является высокое содержание углерода в грубогумусовых органо-аккумуля-тивных горизонтах и резкое его снижение с глубиной. Состав гумуса гуматно-фульват-ный в органогенных горизонтах и фульватный в остальной части минеральной толщи. Криоповерхностно-глеевые почвы характеризуются высокой растворимостью, слабой и средней степенью гумификации органического вещества. Гумусовый профиль криогидроморфных почв создается комплексом процессов: криогенный массообмен, мерзлотная ретинизация, криогенная денатурация и коагуляция дисперсных гумусовых систем. Распределение органического углерода по профилю криогидроморфных почв имеет аккумулятивно-потечно-иллювиальный характер с максимумом его содержания в гумусо-аккумулятивном горизонте. Степень гумификации органического вещества слабая, содержание гуминовых кислот, связанных с Са2+, очень низкое. В над-мерзлотном слое увеличивается содержание Сорг., растворимость ГВ и расширяется отношение СГК/СФК.
* * *
Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты №10-04-01247, 11-04-00086). Литература
1. Орлов Д. С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ, 1990. 325 с.
2. Иванова Е. Н., Полынцева О. А. Почвы Европейских тундр // Труды Коми филиала АН СССР. Вып. 1. 1952. С. 72-122.
3. Караваева Н. А. Тундровые почвы Северной Якутии. М.: Наука, 1969. 208 с.
4. Таргульян В. О. Почвообразование и выветривание в холодных гумидных областях. М.: Наука, 1971. 268 с.
5. Игнатенко И. В. Почвы Восточноевропейских тундры и лесотундры. Л.: Наука, 1979. 280 с.
6. Арчегова И. Б. Особенности гумусообразования в почвах Воркутинской тундры. Сыктывкар, 1972. 60 с.
7. Забоева И. В. Почвы и земельные ресурсы Коми АССР. Сыктывкар, 1975. 344 с.
8. Фоминых Л. А., Золотарева Б. Н., Пинский Д. Л. Сравнительный анализ палеопочв в древних ландшафтах севера России // Криосфера Земли. 2010. Т. XIV, № 2. С. 56-68.
9. Гришина Л. А. Особенности формирования органического вещества почв в условиях крио-генеза // Проблемы почвенного криогенеза. Сыктывкар: Коми филиал АН СССР, 1985. С. 49-50.
10. Барановская А. В. Особенности гумусообразования и состава гумуса в почвах Коми АССР // Труды Коми филиала АН СССР. Сер. геогр. Вып. 1. 1952. С. 113-125.
11. Василевская В. Д. Почвообразование в тундрах Средней Сибири. М.: Наука, 1980. 235 с.
12. Соколов И. А. Пространственно-временная организация педосферы и ее эволюционно-экологическая обусловленность // Почвоведение, 1993. № 7. С. 12-22.
13. Чуков С. Н. Структурно-функциональные параметры органического вещества почв в условиях антропогенного воздействия. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2001. 216 с.
14. Чимитдоржиева Г. Д. Гумус холодных почв: экологические аспекты. Новосибирск: Наука, 1990. 201 с.
15. Попов А. И. Гуминовые вещества: свойства, строение, образование. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2004. 248 с.
16. Дергачева М. И. Гумусовая память почв // Память почв: почва как память биосферно-гео-сферно-антропосферных взаимодействий. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. С. 530-560.
17. Геокриологическая карта СССР. Масштаб 1:2,5 млн / под ред. Е. Д. Ершова, К. А. Кондратьевой. М.: Министерство геологии СССР, МГУ 1998.
18. Карта четвертичных отложений. Серия Северо-Уральская. Лист Q-41-V. Масштаб 1:200 000 / Автор Енокян В. С. М.: Министерство геологии и охраны недр СССР, 1959.
19. Пономарева В. В., Плотникова Т. А. Методика и некоторые результаты фракционирования гумуса черноземов // Почвоведение, 1968. № 11. С 104-117.
20. ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества. М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР. 8 с.
21. Орлов Д. С., Бирюкова О. Н. Система показателей гумусного состояния почв // Методы исследования органического вещества почв. М.: Россельхозакадемия — ГНУ ВНИПТИОУ, 2005. С. 6-17.
22. Дергачева М. И. Органическое вещество почв: статика и динамика. Новосибирск: Наука, 1984. 155 с.
23. Золотарева Б. Н., Фоминых Л. А., Ширшова Л. Т., Холодов А. А. Состав гумуса мерзлотных почв Большеземельской и Колымской тундр // Почвоведение, 2009. № 1. С. 42-56.
24. Русанова Г. В., Лаптева Е. М., Пастухов А. В., Каверин Д. А. Современные процессы и унаследованные педогенные признаки в почвах на покровных суглинках южной тундры // Криосфера Земли. 2010. Т. XIV, № 3. С. 52-60.
25. Каллас Е. В. Гумусовые профили почв озерных котловин Чулымо-Енисейской впадины. Новосибирск: Гуманитарные технологии, 2004. 170 с.
26. Каллас Е. В., Дергачева М. И. Гумусовый профиль почв как отражение стадийности почвообразования // Сибирский экологический журнал. 2007. № 5. С. 711-717.
Статья поступила в редакцию 10 октября 2011 г.
