CC BY
41
УДК 551.34 + 631.48
ВЛИЯНИЕ ПАЛЕОКРИОГЕННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА СВОЙСТВА СОВРЕМЕННЫХ ЧЕРНОЗЁМОВ ЗАКАЗНИКА
«КАМЕННАЯ СТЕПЬ»*
12 12 1 © 2009 Л.А. Гугалинская ' , Л.А. Иванникова ' , А.Г. Кондрашин ,
Д. А. Попов2, В.М. Алифанов1'2.
1 Пущинский государственный университет
2 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
Факторный анализ свойств чернозёмов заказника «Каменная степь» показал, что актуальные процессы почвообразования находятся под воздействием последовательного ряда следующих показателей: биологического, состава почвенного поглощающего комплекса, микрорельефа.
Ключевые слова: черноземы, заказник, почвообразование
Известно, что почва является гетерогенной средой, свойства которой могут существенно изменяться под влиянием различных факторов как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Изучение закономерностей формирования почвенных свойств необходимо для понимания и оценки биосферной функции почвенного покрова [2]. Физико-химические и биологические свойства и их пространственная неоднородность чаще всего определяется микрорельефом, который влияет на распределение педо-генетических градиентов, продуктивность растительности, количество поступающего в почву органического вещества и другие биофильные функции [8].
Целью работы является изучение распределения в почвенном профиле чернозема под лесополосой, целиной и пашней физико-химических и биологических свойств в зависимости от микрорельефа и выявление наиболее существенных показателей, влияющих на современное формирование свойств почвенного профиля.
Объекты и методы. Исследования проводились на территории заказника
Гугалинская Любовь Анатольевна, доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник. E-mail: gugali@/ambler.ru Иванникова Людмила Алексеевна, кандидат биологических наук, доцент, старший научный сотрудник. E-mail: laiva [email protected] Кондрашин Александр Геннадьевич, аспирант Попов Дмитрий Алексеевич, аспирант Алифанов Валерий Михайлович, доктор биологических наук, профессор, проректор. E-mail: [email protected]
«Каменная степь», расположенного на юго-востоке Воронежской области. Детальные исследования, проведенные В.М. Алифано-вым с соавторами [1, 2] показали, что данная территория имеет четко выраженный палео-криогенный микрорельеф, сформированный позднеледниковыми (17-15 тыс. л.н.) палео-криогенными процессами. Палеокриогенный микрорельеф представляет собой систему блоковых повышений (блоков) и межблочных понижений (межблочий) с относительными превышениями блоков над межблочь-ями 20-40 см. Размеры блоков на водоразделах составляют 15-20 м. Исследованы три ключевых участка: на пашне, целине и лесополосе. На наиболее выраженных элементах системы палеокриогенного микрорельефа (блок - межблочье) закладывались почвенные разрезы глубиной 2-3 м или траншеи, вскрывающие почву от середины блока до середины межблочья.
Анализ физико-химических характеристик проводился с использованием традиционных методов в химико-аналитической группе ИФХиБПП РАН (рук. к. с-х. н. ИИ. Скрипниченко). Биологическую активность (БА) определяли по результатам инкубации в специальных камерах, обеспечивающих равновесие внутреннего и внешнего давления газовой фазы с постоянным учетом выделяющегося СО2 в течении 50 суток при температуре 22С и влажности 60% от полной капиллярной влагоёмкости [3, 4].
Результаты морфогенетического исследования. Анализ результатов морфо-
генетического исследования разрезов, заложенных на каждом элементе палеокриоген-ного микрорельефа в системе блок-межблочье на исследуемых ключевых участках позволил выделить ряд особенностей:
- самые значительные изменения, связанные с микрорельефом, происходят с гумусовой частью профиля почвы. Суммарная мощность гумусовых горизонтов на блочном повышении составляет около 100см, в межблочном понижении - около 50 см. Гумусовый горизонт почв блочного повышения более светлый по сравнению с гумусовым горизонтом почв в межблочном понижении;
- в почвах присутствует отчетливо выраженный второй гумусовый горизонт (ВГГ) мощностью около 40 см;
- в межблочном понижении ВГГ перекрывается охристым железисто-иллювиальным горизонтом, то есть БГ присутствует только в межблочных понижениях;
- окремневшие карбонатные конкреции на блоке приурочены к верхней части погребенной почвы, в межблочном понижении верхняя граница ареала конкреций опускается в нижнюю часть погребенной почвы;
- горизонты В2са и В3са существенно (в 1,5 раза) увеличивают свою мощность в межблочном понижении.
Погребенная почва (1111) залегает на глубине 1,5-2 м практически горизонтально, независимо от микрорельефа на поверхности. Отличительная особенность погребенной почвы - её сильный криоморфизм: языками-клиньями, выполненными светлым лёссовидным материалом вышележащего гор. В3са, она разбита на отдельные вытянутые по вертикали заклинки. В местах скопления языков-клиньев в результате перераспределения материала современная дневная поверхность оказалась опущенной на несколько десятков сантиметров с образованием межблочного понижения.
Результаты физико-химических исследований. На ключевом участке, заложенном на целине, содержание и распределение СогЭ по профилю почвы блока и меж-блочья различаются заметно. Снижение содержания СоГЙ с глубиной на блоке более плавное по сравнению с межблочьем, где содержание СоГЙ (в верхних 3-5 см) более чем в 1,5 раза превышает таковое в почве на блоке, однако уже на глубине около 20 см содержание Сог§ в почве межблочного понижения
становится меньше, чем в почве на блоке (рис 1).
В черноземе под лесополосой и на пашне количество и распределение Сощ в гумусовом горизонте в межблочье сходное. Распределение Сощ, на блоках под лесополосой отличается от такового на блоках на других ключевых участках более низким его содержанием в верхних 50 см (в среднем 2,8%) и более плавным уменьшением до глубины около 1 м (0,7%). По сравнению с целинным черноземом, чернозем на пашне характеризуется меньшим содержанием Сощ в верхних горизонтах почвы (около 4%) и более постепенным снижением его содержания с глубиной.
Результаты исследования биологической активности почв. Распределение БА по профилям чернозема пашни, целины и лесополосы в системе блок-межблочье представлено на рис 2. Показано, что вместе с Сощ вниз по профилю почв происходит снижение биологической активности, что согласуется с литературными данными [6]. Количество продуцируемого С-СО2 в верхних горизонтах составляло 20-30, 70-80, 90-100 мг/100 г почвы для пахотного, целинного и чернозема лесополосы соответственно.
Гумусовый горизонт чернозема меж-блочья в лесополосе отличается большей скоростью продукции С-СО2. При этом происходит более быстрое ее уменьшение и в течение инкубации, и с глубиной. Уменьшение скорости выделения СО2 со временем инкубации связано с исчерпанием энергетически доступного органического материала, что отмечается и в других исследованиях [7]. В нашем эксперименте уменьшение скорости выделения СО2 обусловлено утилизацией отмершей в результате эффекта высушивания микробной биомассы [8]. В целом характер изменения БА соответствует содержанию в профилях органического вещества. Однако следует отметить, что в лесополосе в нижней части профиля чернозема на блоке количество Сощ существенно ниже (0.05-0,07%), чем в соответствующих горизонтах чернозема в межблочье (0,2-0,3%), при том, что по количеству образующегося СО2 эта часть профиля на разных элементах микрорельефа различается в значительно меньшей степени. Возможно, что в лесополосе в нижней части профиля образование СО2 обусловлено не только биологическими процессами.
С ог§, %
0 5 10 15
С ог§, %
0 5 10 15
Рис. 1. Распределение по профилю черноземов общего органического углерода (Согй)
БА мг/100г за 50 сут
0 30 60 90 120
БА мг/100г за 50 сут
0 30 60 90 120
Рис. 2. Изменение биологической активности в профиле черноземов, суммарная за 50 суток.
Результаты факторного анализа. Для
изучения влияния микрорельефа на современные свойства почв как наиболее представительный был выбран ключевой участок в лесополосе. Нагрузка на первый фактор составляет на блоке около 75%, в межблочье -65%, а на второй фактор 18 и 21% соответственно. На рис. 3 показана ориентация различных показателей по двум факторам. На блочном повышении под влиянием первого фактора (по горизонтали) группируются, с одной стороны, такие показатели как значение рН и содержание карбонатов, с другой
стороны содержание органического углерода, обменного калия и продуцирование СО2. Таким образом, на блоке по первому фактору распределены свойства, имеющие ярко выраженную дифференциацию по профилю почвы. При этом значения одних свойств увеличиваются с глубиной, а других -уменьшаются. По вертикали под влиянием второго фактора, имеющего меньший вес, находятся обменные основания (кальций, магний, натрий), то есть, второй фактор определяет свойства, имеющие отношение к почвенному поглощающему комплексу.
Примерно так же выглядит структура взаимосвязи различных показателей в профиле чернозема в межблочье, за исключением более выраженной дифференциации по профилю
0,5
(S -
о «
ь-
-0,5
АСа2+
■ Corg
■ С-СО2
C02(carb)
рн Щ
■ Prof.
Na+ ▲ Mg2+
-1 -0,5 0 0,5
Factor 1: 75,44%
кальция. При включении в анализ параметра микрорельефа количество выявленных значимых факторов увеличивается до 3 (рис. 4).
I - B
Ч= 0,5
в4
о\
ТГ
сч
д 0
и
a
и Л
^ -0,5
A Mg2
А Na+
■ I
С-СО2
Eos_
-Са2
рн
C02(carb) ®
Prof.
-0,5 0 0,5
Factor 1: 64,75%
Рис. 3. Структура взаимосвязи свойств черноземов на блочном повышении (В) и межблочном понижении (I - В). (Факторный анализ методом главных компонент: ■ - ориентированные по фактору 1, ▲- ориентированные по фактору 2).
А
SO 0,5
<S * 0
-
О CJ
я
1^-0,5
-1
▲ Са2+
1КС-СО2 М-Р п w Prof. РН О Q □
СОЩ CО2(carb)
Na+
Н-1- AAMg2+ -1-1-
-1 -0,5 0 0,5
Factor 1: 48,96%
0,5
-
o «
^-0,5
-1
рН#
CО2(carb) О
■ К+ СаMg2+ Na+Д
■ С-СО2 Prof.®
■ Corg
М-Р •
-0,5 0 0,5
Factor 1: 48,96%
Рис. 4. Влияние микрорельефа на структуру взаимосвязи различных свойств черноземов. (Распределение показателей (А) по первому - ■ и второму - ▲ фактору, (В) - по первому - I и третьему - • фактору. Закрашенные маркеры имеют достоверную связь).
В
1
1
0
1
1
B
1
1
1
1
Основная нагрузка приходится на первый фактор и составляет примерно 49%. На второй и третий фактор нагрузка распределилась более равномерно (23 и 17% соответственно). Суммарная нагрузка на основные факторы составила 89%. На рис. 4 показана группировка свойств по первому и второму фактору (А) и по первому и третьему фактору (В). Из рисунка следует, что первый фактор, характеризующий дифференциацию свойств по профилю, имеет наибольший вес и к нему приурочены свойства, непосредственно связанные с биологическими процессами (Сог§, С-СО2 и К+), поэтому показатели
свойств уменьшаются с глубиной. Второй фактор оказывает влияние в основном на содержание в профиле обменных оснований (кальция, магния и натрия), мы определили его как ответственный за состав почвенно-поглощающего комплекса. При расположении свойств почв в соответствии с первым и третьим факторами, где третий фактор связан с влиянием микрорельефа, было определено, что от микрорельефа зависит реакция почвенной среды, т.е. величина рН, и очень близко с ней связанное содержание СО2карбонатов.
Выводы: в работе приведена количественная оценка влияния отдельных факторов анализа на педогенетическую дифференциацию различных современных свойств черноземов на разных элементах микрорельефа. Статистически найдено, что в пределах одинаковых климатических условий, на одних и тех же почвообразующих породах 90% свойств почвенного профиля под лесополосой определяется следующими факторами:
- биологическим, непосредственно связанным с растительностью и определяющим наиболее дифференцированные по профилю свойства почвы (Согй, БА, К+). Этот фактор наиболее весом, на него приходится около 50% факторной нагрузки;
- почвенным поглощающим комплексом, определяемым составом обменных оснований, на который приходится около 23% факторной нагрузки;
- микрорельефом, определяющим, по-видимому, условия протекания современных физико-химических процессов, составляющих примерно 17% факторной нагрузки, которые находят отражение в таких показателях как реакция среды и содержание карбонатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Алифанов, В.М. Палеогидроморфизм, палео-криогенез и морфолитопедогенез черноземов / В.М. Алифанов, Л.А. Гугалинская // Почвоведение. - 2005. - № 3. - С. 309-315.
2. Алифанов, В.М. Палеокриогенные особенности морфогенеза черноземов Каменной степи / В.М. Алифанов, Л.А. Гугалинская, Р.А. Ан-тошечкина, Е.А. Черепьянова // Почвоведение. - 2001. - № 8. - С. 909-917.
3. Добровольский, Г.В. Значение почв в сохранении биоразнообразия // Почвоведение. -1996. - № 6. - С. 694-698.
4. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука, 2004. - 348 с.
5. Иванникова, Л.А. Способ определения минерализации органических веществ в почве по количеству продуцируемого СО2 // Методы исследований органического вещества почв. Владимир. - 2005. - С. 376-385.
6. Fang, C. The dependence of soil CO2 efflux on temperature / C. Fang, J.B. Moncrieff // Soil Biology and Biochemistry. - 2001. - V. 33. - P. 155-165.
7. Stenrod, M. Spatial variability of glyphosate mineralization and soil microbial characteristics in two Norwegian sandy loam soils as affected by surface topographical features / M. Stenrod, M.-P. Charnay, P. Benoit, O.M. Eklo // Soil Biology and Biochemistry. - 2006. - V. 38. - P. 962-971.
8. Wu, J. The proportional mineralisation of mi-crobial biomass and organic matter caused by air-drying and rewetting of a grassland soil / J. Wu, P. C. Brookes // Soil Biology and Biochemistry. - 2005. - V. 37. - P. 507-515.
*
Работа выполнена при финансовой поддержке
РФФИ (08-04-00331), Программы Президиума РАН
(№15), Программы «Научный потенциал высшей
школы» (код 1109) и Тематического плана Рособра-
зования (1.3.08.).
INFLUENCE OF PALEOCRYOGENIC MICRORELIEF ON PROPERTIES OF MODERN BLACK EARTH IN THE PROTECTION REGIME «KAMENNAYA STEPPE»
© 2009 L.A. Gugalinskaya1'2, L.A. Ivannikova1'2, AG. Kondrashin1, DA. Popov2, V.M. Alifanov1'2 1 Puschino State University 2 Institute of Physical, Chemical and Biological Problems of Agrology RUS
Factor analysis of black earth properties in the protection regime « Stone steppe » has shown, that actual processes of soil formation are under influence consecutive of some following parameters: biological, a compound of an edaphic absorbing complex, a microrelief.
Key words: black earth, protection regime, soil formation
Lyubov Gugalinskaya, Doctor of Biology, Professor, Chief Research Fellow. E-mail: [email protected] Lyudmila Ivannikova, Candidate of Biology, Associate Professor, Senior Research Fellow. E-mail: laiva [email protected] Alexander Kondrashin, Graduate Student Dmitriy Popov, Graduate Student Valeriy Alifanov, Doctor of Biology, Professor, Prorector
