CC BY
22
УДК 631.4
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ В ДЛИТЕЛЬНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ НА ЛИЗИМЕТРАХ
Н.Е. Первова, к.б.н.
МГУ им. М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
В статье приведены результаты длительных наблюдений на лизиметрах почвенного стационара МГУ. Рассмотрены некоторые особенности начальных стадий почвообразования под различной растительностью. Также изучали формирование органопрофиля в молодых почвах и миграцию органического вещества с лизиметрическими водами. Установлено, что морфологическое строение почв в значительной степени зависит от типа фитоценоза, под которым идет почвообразование. Условия формирования молодых почв моделируют состояние молодых экосистем, а также позволяют оценить влияние городских условий на процесс почвообразования. На модельных лизиметрах сформировались маломощные почвы, морфологические дифференцированные на горизонты подстилки и гумусово-аккумулятивные.
Ключевые слова: лизиметр, фитоценоз, миграция органического вещества, начальные стадии почвообразования.
SOIL FORMING PROCESS RESEARCH AT LONG-TERM LISIMETRIC EXPERIMENT
PhD. N.E. Pervova
Moscow Lomonosov State University, e-mail: [email protected]
The study of soil formation processes in the long-term experiment on the lisimeters. The results of investigations the model soil lisimeters at experimental station of Moscow Lomonosov State University are given in the article. The initial stages of soil formation under different vegetation are discussed. Also the formation of organic profile in the young soil was studied. The migration of organic matter with the lisimeters waters was studied too. established that morphological composition of soil depends on phytocoenosis. Soil formation depends on condition of young ecosystems and also allows to estimate influence of urban factors to soil formation process. Formation of young shallow soils, differentiated soil layers of underlaying and humus accumulative horizons are presented.
Keywords: lisimeters, phytocoenosis, migration of organic matter, initial stages of soil formation.
Моделирование почвообразования под различными фитоценозами проводится на территории почвенного стационара МГУ им. М.В. Ломоносова. Трудности изучения педогенеза связаны с огромной сложностью объектов исследования: их мно-гофазностью, многофакторностью и большой длительностью формирования. Все это делает невозможным полное воспроизведение современных почв и почвенных покровов в контролируемых условиях от нуль-момента до зрелого состояния [1]. При моделировании почвообразования можно рассчитывать на воспроизведение быстрых почвообразовательных процессов (формирование органопро-филя, структурирование почв, образование горизонтов). Особый интерес представляет сравнение свойств формирующихся молодых почв со зрелыми зональными почвами данной территории.
На лизиметрах почвенного стационара проводится долголетнее изучение почвенных процессов на начальных стадиях почвообразования. Идет отслеживание объема и состава вертикального внут-рипочвенного стока [2]. С помощью лизиметрического метода можно также оценивать влияние климатических факторов, аэрального загрязнения и т.д.
Лизиметры открытого типа заложены в 1967 г., имеют площадь 9 м2, высоту около 2 м. Бункеры лизиметров засыпаны бескарбонатным покровным суглинком, привезенным из Подольского района Московской области. Суглинок взят из карьера с глубины 130-280 см, он имел желтовато-бурую однородную окраску и тонкодисперсное строение с тенденцией к делению на крупнопризматические отдельности. Отмечалась горизонтальная слоистость, свидетельствующая 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 занимает 4 лизиметра, еще 2 засеяны культурами, входящими в полевой севооборот и 2 лизиметра - контрольные, поддерживаемые в состоянии чистого пара.
В настоящей работе рассмотрены начальные стадии почвообразования в условиях лизиметрического опыта. Суглинки достаточно водопроницаемы и воздухопроницаемы, что благоприятствует уже на самых первых стадиях проникновению в толщу суглинка микроорганизмов, корней и поч-
венных животных. Большая удельная поверхность минеральной массы и наличие подвижных форм элементов питания для растений благоприятствует относительно быстрому заселению поверхности растительностью и формированию биоценоза. В том случае, если наблюдается какая-либо стратификация выраженности процессов, мы можем говорить об образовании почвенных горизонтов [3].
При изучении молодых почв было выделено три этапа развития профиля почвы: первый этап 0-12 лет; второй - 12-80 лет и третий 80-140 лет. Первоначальная стадия развития профиля (1-2 этап) обусловлена процессами накопления и преобразования органического вещества. Накопление гумуса в первые 5-10 лет малозаметно и лишь позднее начинается оформляться верхний гумусовый горизонт, который к 10-20 годам имеет мощность 2 см. На 23 этапах происходит возникновение новых горизонтов за счет процессов оструктурирования [4]. Средняя скорость роста профиля на 1 этапе уменьшается на 7 мм/год, до 1,6 мм на 3 этапе. Средняя скорость образования гумусового горизонта на среднем бескарбонатном суглинке составляет 0,7 мм/год. Изменение интенсивности потока веществ через почву начинается через 3-5 лет; существенные сдвиги происходят через 15-18 лет [5].
К 2000 г. на лизиметрах сформировались маломощные почвенные профили. Изучение морфологического строения показало, что они более развиты по сравнению с результатами исследований 1989 г. Под древесными породами сформировался самостоятельный горизонт подстилки и минеральный гуму-сово-аккумулятивный горизонт. Под многолетними травами был вскрыт дерновый горизонт Ad (0-5 см). Почвенная масса в контрольных площадках, занятых паром, не дифференцирована на горизонты. За прошедшие 10 лет на 1 -2 см увеличились мощности
горизонтов и содержание в них гумуса. Качественные изменения заключаются в формировании особенного минерального гумусово-аккумулятивного горизонта А и дернового горизонта Ad.
Важнейшим показателем почвообразования служит интенсивность накопления в почвенной толще запасов углерода. К 1983 г. под многолетними травами запасы углерода в слое 0-3 см составили 1,2 кг/м2, тогда как под чистым паром для того же слоя эта величина была меньше в 10 раз (0,12 кг/м2, под насаждением ели - 0,28 кг/м2). Влияние растительности в значительной степени можно выявить в самой верхней части почвогрунта [6].
Содержание углерода за десятилетие выросло значительно. Наиболее высокое его количество отмечено для почв, формирующихся на площадке «дуб - клен», и под многолетними травами, наименьшее количество определено в почвах тех лизиметров, где отсутствует растительность. Минимальное содержание общего углерода (0,38%) фиксируется в почвенной массе контрольных площадок, занятых паром (табл. 1).
В модельном эксперименте на лизиметрах возможно оценить влияние растительности на процессы почвообразования (при прочих равных условиях)
1. Содержание углерода и азота в почвах _и лизиметрических водах_
Объект С в слое С в водах, N в водах,
0-3 см, % мг/л мг/л
1989 г. 1999 г. 1999 г. 2000 г. 1999 г. 2000 г.
Пар 0,33 0,38 1,18 1,42 0,18 0,12
Ель 1,09 3,26 3,50 2,10 0,35 -
Ель, дуб, клен 0,64 2,93 4,22 3,40 0,45 -
Дуб, клен 0,64 4,10 4,22 3,40 0,45 0,30
Многолетние 1,10 3,40 12,82 11,00 3,50 1,21
травы
2. Запасы элементов в надземной фитомассе растительных сообществ лизиметров _ и вынос с лизиметрическими водами с начала опыта до 1999 г. [6]
Фитоценоз Показатель K Ca Mg Fe P Si S
Ель фитомасса кг/га 474,70 22,50 789,20 115,70 14,10 146,60 77,30 87,10
опад 0,80 0,10 11,10 0,80 0,30 1,80 1,30 0,30
вынос 40,00 429,00 1210,50 243,10 14,90 9,20 1023,70 1311,60
фитомасса/вынос 11,87 0,05 0,65 0,48 0,95 15,94 0,08 0,07
Ель, дуб, клен фитомасса кг/га 567,60 21,50 1042,70 152,40 15,60 136,20 70,20 119,70
опад 1,30 0,30 8,80 1,10 н/о 1,80 1,50 1,40
вынос 31,00 400,00 1003,40 190,90 8,50 5,20 948,10 1047,00
фитомасса/вынос 18,31 0,05 1,04 0,80 1,84 26,19 0,07 0,11
Дуб, клен фитомасса кг/га 100,30 2,90 257,30 18,80 2,10 37,90 16,60 31,60
опад 7,70 0,60 22,40 1,60 0,20 4,00 1,80 1,70
вынос 53,80 451,90 1007,10 224,30 16,70 5,80 1316,40 1175,80
фитомасса/вынос 1,86 0,01 0,26 0,08 0,13 6,53 0,01 0,03
Многолетние травы фитомасса кг/га 78,10 1,50 30,20 7,30 1,20 28,80 15,80 3,20
вынос 99,20 560,70 1106,30 263,50 32,70 8,00 1656,40 2075,00
фитомасса/вынос 0,79 < 0,01 0,03 0,03 0,04 3,60 0,01 < 0,01
В таблице 2 приведены показатели, характеризующие запасы элементов в наземной фитомассе за 30-летний срок. Показано, что возврат наибольшего количества химических элементов отмечен в широколиственных сообществах [7].
Скорость разложения и минерализации зависит от химического состава растительности. Темпы минерализации зависят от климатических особенностей региона.
В изменении качественного состава гумуса почв, формирующихся под различными фитоцено-зами, можно проследить основные закономерности, характерные для почв зонально-генетического ряда. Под широколиственными деревьями и многолетними травами увеличивается доля гуминовых кислот, растет отношение СГК:СФК [8].
Наряду с миграцией типоморфных элементов проводили определение содержания водорастворимого углерода в лизиметрических водах и почвенных растворах. Из всех изучаемых модельных биогеоценозах - более высокие показатели отмечены для широколиственных пород (см. табл. 1). Очевидно, более высокие концентрации углерода определились бы в водах из верхней части почвогрунта. К сожалению, заповедный режим лизиметров пока не позволяет выполнить это исследование.
При изучении миграции водорастворимых органических веществ в многолетних циклах (подзона южной тайги, Звенигородская биостанция) выявлены существенные колебания в концентрациях углерода (от сезона к сезону и от года к году). Это происходит в основном за счет природных факторов. Коэффициенты вариации содержания углерода в водах достигают величин порядка 85%, что обусловлено крайне неравномерным его поступлением в раствор, а также неравнозначным и трудно прогнозируемым участием разных факторов в этом процессе (влажность, температура, скорость разложения подстилки и т.д.) [9].
В таблице 3 приведены данные по содержанию углерода в почвенных растворах, выделенных из почв лесных биогеоценозов Подмосковья. Отмечено, что концентрации органических веществ в лизиметрических водах на глубине 2 м сходны с концентрацией углерода в почвенных растворах на глубине 50-60 см. Количество и состав водорастворимых органических веществ, мобилизуемых в раствор, определяют особенности внутрипрофиль-ного перераспределения и переноса продуктов выветривания и почвообразования.
Условия, в которых протекает почвообразование, можно охарактеризовать двояко. С одной стороны, в лизиметрах воспроизводится естественный ход начальных стадий почвообразования, с другой - на молодые почвы влияют условия городской среды, что находит отражение в специфических свойствах, присущих городским почвам.
3. Содержание углерода в почвенных растворах под различными БГЦ ^ Подмосковья, мг/л
Объект Глубина, см 1999 г. 2000 г.
весна осень весна осень
Ельник, сильноподзолистая почва 4-35 22,0 93,5 14,5 48,5
35-55 12,6 33,5 - 18,5
Елово- широколиственной лес, бурая лесная почва 0-9 44,8 67,8 28,0 54,0
12-36 20,4 22,5 14,0 10,0
36-57 12,0 9,2 5,5 6,5
Елово-мелколиственный лес, дерново-палево-подзолистая почва 0-9 14,5 18,8 20,5 40,8
9-32 7,0 10,0 12,5 16,4
32-57 5,5 - - 3,0
Во время строительства лизиметров (середина 60-х гг. ХХ столетия) и при их проектировании данная территория испытывала значительно меньшую антропогенную нагрузку. В то же время особенностям функционирования почвы в городской среде уделялось недостаточно внимания.
Из факторов, оказывающих влияние на формирование специфических свойств городских почв, два имеют решающее значение для почв лизиметров: особенности городского климата и воздушно-пылевое загрязнение.
Отмечены три фактора, которые будут действовать наиболее интенсивно: ежегодные осадки, состав атмосферы, температура атмосферы над поверхностью почвы.Длительные исследования на лизиметрах позволяют определить тренд, наблюдаемый при определении составляющих водного режима. Сумма годовых осадков колеблется в пределах 545-844 мм. Отмечен большой разброс в количестве осадков по сезонам и годам.
Городской климат заметно отличается от окружающих территорий. Разница в климате города и окрестностей иногда равнозначна передвижению на 200-300 км к югу. В городской атмосфере создаются очаги тепла и пыли, которые существенно влияют на температуру воздуха и осадки. Разница температур поверхности городской почвы и окружающих территории может достигать 10°С. В городе происходит ранний сход снега, в отдельные годы снежный покров держится всего 2-3 месяца, увеличивается продолжительность вегетативного периода. Повышенная конвективность атмосферы, а также ее техногенная запыленность приводят к увеличению над городом числа гроз, росту интенсивности ливневых дождей и общего числа осадков. Годовые суммы осадков в Москве превышены на 25% [10, 11].
Хотя по абсолютным величинам в городе выпадает больше осадков, реально в почву их попадает меньше, поскольку происходит сброс дождевой воды в коллекторы и уборка снега. Специфика теплового режима приводит к значительным изменениям водно-физических свойств почв. В результате повышения температуры происходит уменьшение
свойства почв и их плодородие
влажности почвы. Следует заметить, что благодаря свободному оттоку влаги с нижней границы суглинка, грунт, помещенный в бункеры лизиметров, лучше дренирован по сравнению с условиями естественного залегания.
Другой особенностью почвообразования в городе является атмосферно-пылевое загрязнение. Масса пыли, ежесуточно поступающей на земную поверхность (Воробьевы горы) составляет 78 мг/м2, что в 4-6 раз выше фонового уровня [11].
В составе пыли содержится много карбонатов Mg и Са, поступающих с автомагистралей и при выветривании строительного раствора. Порядок поступления этих элементов можно оценить по следующим данным: выпадения Са2+ и Мg2+ на территориях, прилегающих к городским улицам (удаленность от проезжей части 75 м) в течение зимы 1998-1999 гг. составили соответственно 863,6 и 156,7 мг/м2.
Таким образом, условия, в которых происходит формирование молодых почв, с одной стороны моделируют состояние молодых экосистем, а с другой, позволяют оценить влияние городских условий, что отражается на результатах почвообразования.
Изучение изменений в верхней части модельного лизиметра позволяют сделать заключение, что за срок более 30 лет сформировались маломощные почвы, морфологически дифференцированные на горизонты подстилки и минеральные гумусово-аккумулятивные горизонты. Морфологическое строение почв в значительной степени зависит от типа фитоценоза, под которым идет почвообразование, в процессе которого отмечено накопление органического вещества в верхних слоях почвогрунта. Очевидно, имеет место формирование органопрофиля в молодых почвах (специфическое для каждого фитоценоза).
Литература
1. Таргульян В.О., Фокин А.Д., Соколова Т.А., Шоба С.А. Экспериментальные исследования педогенеза: возможности, ограничения, перспективы // Почвоведение, 1989, № 1. - С. 15-23.
2. Первова Н.Е., Егоров Ю.В. Изучение миграции природных вод на модельных лизиметрах // Вестник Московского университета, 2012, Т. 17, Почвоведение, № 1. - С. 24-28.
3. Дмитриев Е.А. О почвенных горизонтах // Почвоведение, 1983, № 7. - С. 100-107.
4. Пономаренко С.В. Развитие профиля на начальных стадиях почвообразования. Дисс. к.б.н. - М., 1986. - 245 с.
5. Гаджиев И.М., Дергачева М.И. Экспериментальное изучение эволюции почв // Почвоведение, 1995, № 3. - С. 277-289.
6. Герасимова Л.В., Первова Н.Е., Лобутев А.И. О почвообразовании под различной растительностью на покровном суглинке в условиях 20-летнего лизиметрического опыта // Почвоведение, 1989, № 1. - С. 24-30.
7. Первова Н.Е., Золотарев Г.В. О некоторых особенностях биологического круговорота в модельных лесных БГЦ (лизиметрический опыт) // Агрохимический вестник, 2012, № 3. - С. 45-48.
8. Савельев Д.В., Владыченский А.С. Гумусное состояние почв модельных экосистем почвенных лизиметров // Вестник МГУ, 2001, Серия 17, Почвоведение, № 1. - С. 3-7.
9. Васильевская В.Д. Первова Н.Е. Изменение интенсивности миграции водорастворимых веществ в почвах тундровых и таежных ландшафтов в связи с глобальными изменениями климата // Вестник МГУ, серия 17, Почвоведение, 1995, № 1. - С. 4-12.
10. Справочник эколого-климатических характеристик Москвы, т. 2. - М., 2005.
11. Доклад о состоянии окружающей среды в городе Москве в 2010 г. (под. общ. редакцией А.О. Кульбачевско-го). - М.: Департамент природопользования и охраны окружающей среды города Москвы, 2011. - 136 с.
References
1. Targulyan V.O., Fokin A.D., Sokolova T.A., Shoba S.A. Experimental researches of pedogenesis: perspectives and problems // Soil science, 1989, № 1. - P. 15-23.
2. Pervova N.E., Egorov Yu.V. Research of soil water migration at model lisimeters // Moscow University Herald, 2012, Vol. 17, Soil Science, № 1. - P. 24-28.
3. Dmitriev E.A. About soil horizons // Soil science, 1983, № 7. - P. 100-107.
4. Ponomarenko S.V. Profile development at the beginning of soil formation. Thesis of PhD. - M., 1986. - 245 p.
5. Gadzhiev I.M., Dergacheva M.I. Experimental research of soil evolution // Soil Science, 1995, № 3. - P. 277-289.
6. Gerasimova L.V., Pervova N.E., Lobutev A.I. About soil formation at cover loamy rock under different plant types during 20-year lisimetric experiment // Soil Science, 1989, № 1. - P. 24-30.
7. Pervova N.E., Zolotarev G.V. About biological cycle particularities at model forest biogeocoenosis (lisimetric experiment) // Agrochemical Herald, 2012, № 3. - P. 45-48.
8. Saveliev D.V., Vladychenskiy A.S. Humic condition of soil at model ecosystem of soil lisimeters // Moscow University Herald, 2001, Vol. 17, Soil Science, № 1. - P. 3-7.
9. Vasilievskaya V.D., Pervova N.E. Water-soluble compounds migration in soil intensity change at tundra and taiga landscapes under climate change conditions // Moscow University Herald, 1995, Vol. 17, Soil Science, № 1. - P. 4-12.
10. Reference-book of ecological-climatic characteristics of Moscow City, Vol. 2. - M., 2005.
11. State report about environment in Moscow City in 2010 (Ed. A.O. Kulbachevskiy). - M.: Department For Nature Use And Environment Protection of Moscow City, 2011. - 136 p.
