CC BY
18
УДК 631.4
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ БИОЛОГИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА В МОДЕЛЬНЫХ ЛЕСНЫХ БГЦ (ЛИЗИМЕТРИЧЕСКИЙ ОПЫТ)
1Н.Е. Первова, к.б.н., 2Г.В. Золотарев, к.б.н.
МГУ им. М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected] ЗАО «Геофорум». e- mail: [email protected]
В статье приведены результаты многолетних наблюдений на насыпных лизиметрах почвенного стационара МГУ. Впервые исследованы особенности биологического круговорота в модельных лесных БГЦ с начальных стадий почвообразования; также изучали поведение жидкой фазы почв под различной растительностью.
Ключевые слова: лизиметр, биологический круговорот, фитоценоз, биогеоценоз, опад, миграция природных вод.
SOME SPECIFIC FEATURES OF BIOLOGICAL CYCLE IN MODEL FOREST BIOCENOSIS (LYSIMETRIC EXPERIENCE) N.E. Pervova, G.V. Zolotarev
The article presents the results of long-term observations on the model soil lysimeters at experimental station of Moscow State University. For the first time the specific features of the biological turnover cycle were investigated in experimental lysimetric sites with the initial stage of soil formation. Also, there was studied the behavior of the liquid phase of soils under different vegetation.
Keywords: soils, lysimeters, biological cycle, phytocenosis, biogeocenosis, leaves litter, migration of natural waters.
Изучение особенностей биологического круговорота в условиях длительного эксперимента на открытых насыпных лизиметрах представляет несомненный интерес. Учет показателей биологического круговорота в лизиметрическом опыте параллельно с учетом выноса элементов с вертикальным стоком, позволяет составить более или менее полную картину баланса элементов при решении проблем, связанных с устойчивостью природных и антропогенных систем.
Объектами исследования послужили насыпные лизиметры открытого типа, заложенные на почвенном стационаре факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Лизиметры открытого типа заложены в 1967 г. Уста -новки имеют площадь 9 м2, глубину 2 м; бункеры лизиметров засыпаны бескарбонатным суглинком, привезенным из Подольского района Московской области. Суглинок взят из карьера с глубины 130-280 см, имел желтовато-бурую однородную окраску и тонкодисперсное строение с тенденцией к делению на крупнопризматические отдельности. Отмечена горизонтальная слоистость суглинка, что свидетельствует о его водном происхождении. Масса суглинка бескарбонатна.
Заложено 20 лизиметров, 4 из них засеяны культурой ели; 4 - смешанными древостоями (ель, дуб, клен); 4 -широколиственными породами (дуб, клен). Луговая растительность также занимает 4 лизиметра, еще 2 засеяны культурами, входящими в полевой севооборот и 2 лизиметра - контрольные, поддерживаемые в состоянии чистого пара. Устройство лизиметров детально описано М.А. Винник и Н.Н. Болышевым (1972). В каждый бункер было высажено по 61 саженцу: в смешанных посадках - 30 саженцев ели в возрасте 5 лет, 16 - дуба и 15 — клена в возрасте 3 лет. В посадках с широколиственными породами - 31 саженец дуба и 30 клена.
Для изучения динамики надземной фитомассы растительных сообществ проводили обмер всех произрастающих деревьев, высчитывалось среднее, выбиралось модельное дерево, спиливалось, разбиралось на составные части и взвешивалось. Опад собирали в опадоуловители, разбирали на составные части и взвешивали. В образцах надземной фитомассы и опада проводилось сухое озо-ление с последующим определением Са, Mg, К, №, Бе, А1, Р. Еловые растительные сообщества с 1972 по 1999 г. увеличили запасы надземной фитомассы с 38 до 125 т/га. Причем в период с 1983 по 1990г. запасы фитомассы практически не изменялись, что может быть связано с отмиранием ряда деревьев, произрастающих на лизиметрах. По мере роста деревьев увеличивалась масса стволов (с 22 до 72 т/га). Естественные еловые леса такого же возраста могут иметь большую надземную фитомассу до 151 т/га.
Надо отметить, что количество деревьев в естественных сообществах на единицу площади в 10 раз меньше, чем в модельных лизиметрах. По своим лесотаксацион-ным характеристикам насаждения в лизиметрах не соответствуют даже низкобонитетным еловым лесам того же возраста и тех же условий произрастания.
За время проведения эксперимента количество опада в еловых насаждениях колебалось от 4,0 до 10,5 ц/га. Отмечена тенденция увеличения массы опада, что связано с увеличением возраста и надземной фитомассы произрастающих на лизиметрах деревьев. В естественных лесах такого же возраста опад составляет 20,0-25,0 ц/га [1] в составе опада подавляющая часть представлена хвоей, что характерно и для естественных лесов [2]. Наиболее высокое содержание зольных элементов отмечено для хвои, далее идут ветви; наименьшее количество зольных элементов содержится в стволах. Характерной особенностью исследуемых еловых насаждений является по-
вышенная зольность хвои и ветвей по сравнению с естественными насаждениями.
Содержание зольных элементов в стволе близко к естественным условиям (0,84 и 0,80% соответственно). При этом последовательность накопления элементов не имеет четко выраженных различий. Следует отметить повышенное содержание кальция во всех структурных частях ели (1,06% в хвое, 0,83% в ветвях и 0,44% в стволе) по сравнению с естественными фитоценозами. Это может быть связано с тем, что лизиметрический эксперимент проводится в черте города, где имеет место дополнительный привнос кальция с осадками и пылью.
Анализ зольного состава опада ели выявил следующее обстоятельство: зольные элементы неодинаково распределены по фракциям опада. Наибольшее содержание зольных элементов характерно для хвои (табл. 1) ветви значительно беднее этими элементами, что характерно и для естественных лесов [2].
Запасы зольных элементов в надземной фитомассе составили 1863 кг/га (1999 г.); из зольных элементов больше всего накапливается кальций (до 789 кг/га), причем основная часть приходится на стволы - 320 кг/га. Также в значительных количествах накапливается калий (до 475 кг/га). Такие соотношения в накоплении элементов характерны и для естественных еловых лесов. Ряд накопления для ельника Са > К > Р > А1 > М§ > 8 > 81 > № > Бе Тип круговорота фосфорно -калиево -кальциевый.
С опадом растительные сообщества лизиметров возвращают до 12,55 кг/га зольных элементов (табл.2). Это в 2,5-3 раза меньше, чем в естественных сообществах того же возраста. Основная масса элементов возвращается с хвоей - самой высокозольной и представительной фракцией опада. Больше всего с опадом возвращается кальция (до 6,00 кг/га), в меньшей степени - кремния (до 1,53 кг/га), алюминия (до 1,38 кг/га) и фосфора (до 1,30 кг/га) [3].
Профиль почвы, сформировавшийся под хвойными насаждениями, представлен подстилкой (0-3 см), состоящей из хвои и минерального гумусоаккумулятивного горизонта А (3-6 см). Этот горизонт состоит из серого суглинка с остатками слаборазложившегося органического вещества. Отмечено более низкое содержание органического углерода в этом слое (3,26%), чем в почвах под остальными фитоценозами. В гумусоаккумулятив-ном горизонте диагностируется понижение кислотности по сравнению с исходной породой (рНН2О из покровного суглинка - 5,45, рНН2О из горизонта А - 5,98). Это обстоятельство обусловлено накоплением кальция в результате биологической аккумуляции и пылевого загрязнения.
Сообщества, представленные смешанными породами (ель, дуб, клен), также имеют свои особенности. Они создают большую, чем еловые насаждения фитомассу (156, 26 против 124, 92 т/га). Доля лиственных пород в фито-массе в 1999 г. составила всего 4%. Это связано с резким уменьшением количества лиственных пород, произрастающих на лизиметрах, вследствие подавления их елью в процессе развития.
Количество опада в смешанных насаждениях сопоставимо с таковым в хвойных и составляет 5,73 ц/га (1999 г.). В опаде преобладает хвоя ели (70,3%), значительно мень-
ше - листья дуба и клена (22,2%), ветви ели и лиственных пород - 7,5%.
Структурная часть древесных пород, произрастающих на лизиметрах, имеет в целом повышенную зольность, нежели аналогичные породы в естественных условиях. Отмечено повышенное содержание кальция. Сумма зольных элементов во всех структурных частях клена выше, нежели чем у дуба, что характерно для естественных растительных сообществ [1]. Соотношение элементов в опаде смешанных насаждений близко к таковому в хвойных насаждениях. Запасы зольных элементов в надземной фитомассе смешанных насаждений составляют 2252 кг/га, что несколько больше, чем в хвойных (1863 кг/га). Наибольшая емкость круговорота характерна для смешанных растительных сообществ, что является следствием их большей фитомассы (возможно, из-за лучших условий произрастания ели при участии широколиственных пород). Ряд накопления для смешанного леса: Са > К > 8 > Р > А1 > М§ > 81 > № > Бе. Тип круговорота серно-калиево-кальциевый.
Почвы под хвойным и смешанным лесом весьма схожи между собой вследствие того, что в процессе развития модельных экосистем ель в смешанных насаждениях практически полностью вытеснила лиственные породы, из-за чего уменьшилась густота посадок, а видовой состав фитоценоза стал мало отличаться от исходно однородных посадок ели.
Широколиственные породы в лизиметрическом эксперименте создают наименьшую фитомассу (21,18 т/га), причем фитомасса клена значительно превышает фито-массу дуба (16,65 и 4,54 т/га соответственно). Наибольшую фитомассу создают стволы деревьев (12,89 т/га), затем ветви (7,03 ц/га) и листья (1,26 ц/га). Ритм накопления фитомассы в этих сообществах отличается от хвойных лесов. За время эксперимента количество опада в широколиственных насаждениях колебалось от 7,3 до 13,0 ц/га. Несмотря на значительные колебания в массе опада - имеет место тенденция к увеличению вследствие возрастания доли ветвей дуба и клена в общей фитомассе. В составе опада преобладают листья клена (до 56%). В химическом составе растений широколиственных пород выявляются такие же, как и для хвойных пород закономерности. Наибольшее количество элементов содержится в листьях, наименьшее в древесине. Ряд накопления для широколиственного леса: Са > К > Р > 8 > М§ > 81 > А1 > № > Бе. Тип круговорота фосфорно-калиево-кальциевый.
Количество возвращаемых с опадом элементов в условиях лизиметров, занятых широколиственными насаждениями (43,10 кг/га), существенно превышает таковые в еловом сообществе, хотя масса поступающего опада отличается не столь существенно. Это свидетельствует о более высокой интенсивности круговорота зольных элементов (по сравнению с хвойными и смешанными насаждениями возвращается в 2-3 раза больше таких элементов как кальций, калий, фосфор).
Профиль почвы, сформировавшийся под широколиственными лесами подразделяется на горизонт подстилки (0-1 см), состоящий из листьев дуба, клена и минеральный горизонт А (1-5 см) - серый суглинок, переплетенный корнями травянистой растительности, развивающейся в нижнем ярусе. В данной почве содержится максимальное
2. Возврат элементов с опадом, 1999 г., кг/га
1. Зольный состав опада, 1999 г., (% на абсолютно-сухую навеску)
Состав «сырая» зола K Ca Mg Fe Al P Si S Сумма
Хвойные насаждения
Ель, хвоя 4,08 0,12 0,02 1,24 0,12 0,02 0,21 0,2 0,29 0,05 2,27
ветви 2,81 0,19 0,01 0,71 0,11 0,01 0,16 0,12 0,06 0,09 1,46
Смешанные насаждения
Ель, хвоя 4,36 0,87 0,03 0,86 0,24 н/о 0,18 0,17 0,23 0,12 2,70
ветви 2,58 0,26 0,01 0,72 0,09 н/о 0,12 0,09 0,06 0,08 1,43
Дуб - листья 5,62 0,95 0,01 1,12 0,25 н/о 0,02 0,1 0,51 0,04 3,0
ветви 4,12 0,55 0,02 1,53 0,09 н/о 0,02 0,09 0,05 0,09 2,44
Клен - листья 5,87 0,64 0,01 1,82 0,42 н/о 0,06 0,24 1,02 0,15 4,36
ветви 3,65 0,71 0,01 1,52 0,13 н/о 0,01 0,14 0,08 0,17 2,77
Широколиственные насаждения
Дуб - листья 5,28 1,11 0,01 1,06 0,22 0,01 0,03 0,12 0,41 0,08 3,05
ветви 3,65 0,58 0,01 1,33 0,07 0,01 0,01 0,07 0,07 0,09 2,24
Клен - листья 5,47 1,04 0,01 1,78 0,37 0,02 0,06 0,23 1,12 0,15 4,78
ветви 4,18 0,86 0,01 0,86 0,07 0,01 0,01 0,25 0,04 0,27 2,38
Состав K Ca Mg Fe Al P Si S Сумма
Хвойные насаждения
Ель - хвоя 0,75 0,12 5,80 0,75 0,12 1,31 1,25 1,50 0,31 11,91
ветви 0,08 0,01 0,30 0,05 0,01 0,07 0,05 0,03 0,04 0,64
сумма 0,83 0,13 6,10 0,80 0,13 1,38 1,30 1,53 0,35 12,55
Смешанные насаждения
Ель - хвоя 3,51 0,12 3,47 0,97 н/о 0,73 0,73 0,93 0,48 10,94
ветви 0,08 0,01 0,23 0,03 н/о 0,04 0,03 0,02 0,03 0,47
Дуб - листья 0,44 0,01 0,52 0,12 н/о 0,01 0,01 0,23 0,01 1,35
ветви 0,03 0,01 0,08 0,01 н/о 0,01 0,01 0,01 0,01 0,17
Клен -листья 0,52 0,01 1,47 0,34 н/о 0,05 0,19 0,83 0,12 3,53
ветви 0,04 0,01 0,09 0,01 н/о 0,01 0,01 0,01 0,02 0,20
сумма 4,62 0,17 5,86 1,48 н/о 0,85 0,97 2,03 0,67 16,66
Широколиственные насаждения
Дуб - листья 7,99 0,07 9,58 0,50 0,07 0,22 0,86 2,95 0,58 22,82
ветви 0,93 0,02 2,13 0,11 0,02 0,02 0,11 0,11 0,14 3,59
Клен -листья 3,02 0,03 5,16 1,07 0,06 0,17 0,67 3,25 0,44 13,87
ветви 1,03 0,01 1,03 0,08 0,01 0,01 0,30 0,05 0,32 2,84
сумма 12,97 0,13 17,90 1,76 0,16 0,42 2,91 6,36 1,48 43,12
количество органического углерода по сравнению с другими вариантами (6,10%). Высокое содержание органического углерода обусловлено тем, что в гумусовом горизонте содержатся органические остатки средней степени разложенности. По сравнению с 1989 г. количество органического углерода выросло более чем в 5 раз. Отмечено увеличение биологической продуктивности на этом варианте опыта (Герасимова, Первова, Лобутев, 1989).
Наблюдения в многолетних циклах позволяют выявить некоторые закономерности процессов миграции химических элементов с природными водами через двухметровую толщу покровного суглинка в частности - влияние БГЦ на состав вод, циркулирующих в почвенной толще. Находясь в теснейшем контакте с твердой фазой почвы, взаимодействуя с атмосферными осадками, живы-
ми организмами и растительностью, почвенный раствор отражает в своем составе все типичные черты данного БГЦ. Растения меняют состав раствора, извлекая из него одни элементы и отдавая в него другие - как через прижизненные корневые выделения, так и с опадом [4].
Исследования водного режима почв выявляют значительные колебания отдельных его элементов в зависимости от характера почвы, растительности, времени года, состава осадков. Лизиметрические воды исследуемых модельных БГЦ относятся к типу гидрокарбонатно-суль-фатных-кальциевых (табл. 3) Среди катионов преобладает ион кальция, среди анионов - сульфат-ион. Высокое содержание серы, как в осадках, так и в природных водах объясняется, скорее всего, антропогенным влиянием мегаполиса. По убыванию концентрации в составе вод ионы
3. Химический состав лизиметрических вод, (летний сезон, мг/л)
Вариант Год pH HCOз- а- SO42- Ca2+ Mg2+ Е+ Fe3+
Чистый пар 2000 7,0 17,0 9,5 45.0 8,4 7,2 6,4 0,4 0,4
2001 7,1 18,5 12,2 11,5 12,0 4,0 6,0 0,5 0,3
Ель 2000 6,8 9,5 15,4 49,0 16,0 7,1 8,0 1,6 0,5
2001 6,7 8,8 31,5 60,4 19,5 6,0 14,5 1,8 0,6
Ель, дуб, клен 2000 6,7 25,5 30,0 42,2 37,0 12,0 8,2 0,9 не опр
2001 7,0 19,0 37,4 108,0 50,4 14,0 18,6 3,5 0,7
Дуб, клен 2000 7,0 34,0 40,0 50,5 52,5 10,0 9,5 0,8 не опр
2001 7,2 28,0 34,6 23,8 59,0 13,5 49,7 1,4 0,6
Атмосф. осадки сред.год. 6,7 не опр. 12,0 20,5 10,0 1,2 0,8 0,6 0,1
располагаются в следующем порядке: сульфат-ион, кальций, магний, натрий, железо.
Один из основных показателей, характеризующих состояние жидкого компонента почвы, - рН природных вод. Отмечены значительные колебания в кислотности вод мигрирующих в различных вариантах. Эти колебания вызваны сменой сезона, года, а также изменчивостью состава атмосферных осадков. Низкие значения рН отмечены для вод ельника. Амплитуда колебаний в концентрациях кальция 11,4-60,6 мг/л; магния 4,5-14,0 мг/л. Низкие концентрации кальция, магния и калия отмечены для контрольного варианта (чистый пар).
Для всех лет наблюдений отмечены низкие концентрации железа и фосфора в водах. Это связано с тем, что их перемещение в почвенной толще осуществляется в форме органоминеральных соединений, которые теряют подвижность и выпадают из растворов на небольших глубинах. В таблице 3 представлены данные характеризующие содержание основных элементов в природных водах в сезоне «лето». Как правило, летние воды более концентрированы. В последние годы наблюдений отмечается повышенное содержание кальция на варианте «дуб - клен». Возможно, это связано с влиянием растительности, имеющей большую зольность. Также можно отметить повышенное содержание калия на варианте с елью.
Сравнение состава лизиметрических вод на модельных БГЦ с водами, циркулирующими в почвах лесных БГЦ Подмосковья, показывает, что они различаются незначительно (Первова, Евдокимова, 1984). Для того, чтобы интерпретировать тренды в миграции изучаемых элементов, необходимо анализировать воды, прошедшие через верхнюю почвенную толщу, затронутую почвообразованием. К сожалению, заповедный режим лизиметров пока не представляет такой возможности.
Для всех лет наблюдений отмечено наличие промывного типа водного режима. Наибольшее количество осадков достигает 666-676 мм в год, наименьшее 473-478 мм в год. Коэффициент увлажнения > 1. Основной объем воды
поступает в приемники лизиметра в период весеннего снеготаяния (март-апрель). С наступлением положительных температур и началом вегетации отмечено резкое уменьшение поступления воды из лизиметров занятых древесной растительностью. Наибольший вынос вод отмечен на площадке «чистый пар». Анализ тенденции годового выноса вод свидетельствует о том, что древесные насаждения с возрастом оказывают все большое влияние на водный режим в лизиметрах. Перехват влаги деревьями заметно возрос в последние годы наблюдений.
В лизиметрических водах определяли концентрации тяжелых металлов. Отмечено, что ель в большей степени задерживает свинец, медь, цинк. Концентрация ТМ в водах низкая и свидетельствует о благоприятной экологической обстановке на изучаемой территории.
Таким образом, можно отметить следующее:
- древесные растительные сообщества, произрастающие в условиях насыпных лизиметров, существенно отличаются от по таксационным характеристикам от естественных растительных сообществ;
- возврат наибольшего количества химических элементов с опадом отмечен в широколиственных сообществах, что соответствует более высокой зольности опада и повышенной интенсивности биологического круговорота;
- формирование растительных сообществ на не затронутом почвообразованием покровном суглинке не приводит к изменению соотношений между зольными элементами в растениях по сравнению с такими же сообществами, сформированными на естественных почвах, и имеют аналогичные с таковыми типы биологического круговорота;
- что концентрации химических элементов в лизиметрических водах близки к таковым в почвенных растворах подзоны южной тайги (Московская область). Это свидетельствует о том, что на модельных лизиметрах идут процессы, подобные тем, которые мы наблюдаем в подзоне южной тайги.
Литература
1. Владыченский А.С., Ульянова Т.Ю., Золотарев Г.В. Некоторые показатели биологического круговорота в модельных растительных сообществах почвенных лизиметров // Вестник МГУ, серия 17, Почвоведение, 2000, № 3. - С. 20-27.
2. Винник М.А., Болышев Н.Н. Первые итоги наблюдений в открытых лизиметрах // Почвоведение, 1972, № 4. - С. 114-121.
3. Ремезов Н.П., Быкова Л.Н. Смирнова К.М. Потребление и круговорот азота и зольных элементов в лесах Европейской части СССР. - М.: Издательство МГУ, 1959. - 284 с.
4. Гришина Л. А., Владыченский А.С. Опад и подстилка хвойных лесов Валдая. Книга «Почвы и продуктивность растительных сообществ». - М.: Издательство МГУ, 1979. - С. 15-50.
