Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В лесных экосистемах основная часть (82–93 %) органического вещества поступает в почву с опадом надземных частей древесного яруса [1]. Трансформация органического вещества является ведущим элементарным процессом почвообразования на начальных стадиях развития почв посттехногенных ландшафтов [2]. Особенность новообразованных почв антропогенно нарушенных ландшафтов связана с высокой зависимостью их свойств от субстратных условий и, как следствие, сильной вариабельностью результатов почвообразования [3]. Целью данного исследования является экспериментальная оценка показателей трансформации и гумификации подстилки в лесных экосистемах беллигеративных ландшафтов времен Курской битвы. Полученные данные дополняют более распространенные сведения о функционировании деструкционного блока экосистем в посттехногенных ландшафтах [4–6], а также оценки поступления и депонирования органического вещества в их новообразованных почвах [7–10].

Материалы и методы исследования

Исследования проведены в экосистемах, восстановившихся после прекращения боевых действий в 1943 г., приуроченных к линиям обороны советских и германских войск в окрестностях Белгорода, Белгородском и Яковлевском районах. Их особенностью является локальное нарушение почвенного покрова при сооружении окопов, траншей, в результате взрывов, а также почти полное уничтожение древостоя с последующим его порослевым и семенным возобновлением. В урочище Сосновка г. Белгорода в 1948 г. были произведены лесопосадки сосны обыкновенной, т.е. лесовозобновление было искусственным. Все учеты опада и подстилки, а также эксперименты по трансформации и гумификации проводили на нарушенных участках: брустверах окопов, выбросах из воронок, т.е. на новообразованных почвах с мощностью гумусового горизонта 5–14 см. Во всех случаях сомкнутость древостоя была не ниже 70 %. Околоствольные и межкроновые пространства исключали. Учет опада и подстилки производили в 3–4-кратной повторности выборкой из шаблонных рамок 25×25 см, с последующим ручным разбором и взвешиванием фракций в абсолютно сухом состоянии (высушивание в термостате при температуре 105°С не менее 4 ч с контролем массы до полного высыхания). Для оценки динамики состава подстилки определения производили в 4 срока: в октябре, после листопада, в апреле, июле, сентябре. Всего исследовано 45 объектов.

Для оценки трансформации и гумификации опада проводили эксперимент в пластиковых (ПЭТ) емкостях, с перфорированным дном, заполненных почвой массой 100 г, в которой предварительно определяли содержание органического вещества по методу И.В. Тюрина в модификации ЦИНАО. В емкости поверх почвы закладывали навески свежего опада в реальном соотношении компонентов (определенном заранее), в количестве, обеспечивающем прибавку гумуса в 20%, и закрывали полимерной сеткой с ячейкой 2×2 мм для предотвращения поступления нового опада. Емкости в 3-кратной повторности + контроль (почва без растительного материала) экспонировали в почвенных траншеях глубиной 7 см в октябре сроком на 1 год. Для проведения эксперимента выбрано 10 объектов, различающихся сочетанием субстратно-фитоценотических условий. После экспонирования остатки опада взвешивали, а в почве определяли содержание органического вещества. По полученным данным производили расчет коэффициентов трансформации и гумификации опада.

Расчет коэффициента гумификации (Кг) вели по формуле [11]:

Кг = [(Б – А) + (А – В)]∙1,724/Г,

где Кг – коэффициент гумификации; А – содержание углерода в исходной почве, Б – после разложения, %; В – содержание углерода в почве контрольного образца после экспонирования, %; Г – масса растительных остатков, г; 1,724 – коэффициент перевода углерода в гумус.

Коэффициент трансформации (Ктр) рассчитывали как отношение убыли массы опада после разложения к исходной массе опада.

Для оценки биологической (целлюлозолитической) активности почвы в апреле на тех же объектах закладывали неокрашенное льняное полотно, пришитое к полиэтиленовым подложкам, в профили новообразованных почв сроком на 2 месяца (аппликационный метод [12]), в 3-кратной повторности.

Результаты исследования и их обсуждение

На основе анализа данных учета опада по 45 объектам, автором выделено 5 типов лесных фитоценозов, различающихся количеством опада (табл. 1), независимо от субстратных условий. Больше всего опада образуется в кленовых и липовых лесах, их насаждения превосходят по количеству ежегодного опада дубняки, а те, в свою очередь, – сосновые леса.

Таблица 1

Средняя масса и размах варьирования древесного опада (г/м2) в разных типах лесных экосистем беллигеративных ландшафтов

Таблица 2

Масса подстилки, опада (г/м2) и опадо-подстилочные коэффициенты (ОПК) для различных экотопов лесных экосистем беллигеративных ландшафтов

Рис. 1. Фракционный состав подстилки (%) в разных типах леса

После отделения свежего опада его масса сопоставлена с массой подстилки – неразложившегося опада прошлых лет, рассчитан опадо-подстилочный коэффициент, который может быть использован для оценки интенсивности разложения опада и косвенно – скорости биологического круговорота. Результаты представлены в табл. 2. Учитывая, что на скорость разложения подстилки влияет тип субстрата, результаты дифференцированы по четырем типам почвообразующих пород: песок, суглинок (в разной степени выщелоченный от карбонатов), глина и мел. В целом состав опада существенно определяет скорость его трансформации. Быстрее всего разлагается опад клена остролистного, медленнее – дуба и сосны.

Тип субстрата также влияет на скорость разложения подстилки: ОПК выше на мелу, чем на глине и суглинке. На песке ОПК зависит от состава опада: в дубравах и сосняках, опад которых разлагается медленнее опада мягколиственных пород, происходит накопление подстилки на песчаном субстрате, в то время как под осиновым и кленовым лесом масса опада превышает массу подстилки в этих эдафических условиях.

О степени и скорости трансформации опада может свидетельствовать состав подстилки. Были выделены три фракции: листья (хвоя), веточки и труха, которая представляет собой результат фрагментации опада в процессе его разложения. Фракция трухи накапливается, если в почвах нет или мало ее потребителей – крупных сапрофагов, в первую очередь дождевых червей. На рис. 1 представлено соотношение фракций подстилки в некоторых исследованных типах леса.

Доля трухи выше в сосновых и дубовых лесах, что характеризует замедление разложения подстилки в этих экосистемах.

Рис. 2. Динамика запаса и фракционного состава подстилки в разных типах леса

Таблица 3

Коэффициенты гумификации (Кг), трансформации (Ктр) и биологическая активность почв (БАП) в различных лесных экотопах

Примечание: * – формула древостоя (общепринятые сокращения названий древесных пород и их доля в лесном пологе); ** – содержание органического вещества в почве перед проведением эксперимента.

Чтобы выявить период наиболее активной трансформации и гумификации подстилки, были проведены ее учеты в четыре срока, с оценкой фракционного состава. Результаты представлены на рис. 2.

В весенне-летний период происходит наиболее активная трансформация и, вероятно, гумификация подстилки. Перед листопадом достигаются минимальные значения запаса подстилки. Доля трухи максимальна в летний период, чему способствует активная трансформация опада с его фрагментацией, а потом снижается вследствие активизации деятельности сапрофагов в осенний период.

Наиболее информативным для оценки потока органического вещества в почву исследованных экосистем стало экспериментальное определение коэффициентов трансформации и гумификации лесного опада. Результаты двухфакторного эксперимента (тип леса/тип субстрата) представлены в табл. 3.

Безусловно, соблюсти чистоту эксперимента было довольно сложно. Это связано с особенностями методики: емкости хотя и обеспечивали доступ сапрофагов в подстилку, но считать этот доступ аналогом их природной активности нельзя. Отток жидкости из емкостей, несмотря на перфорирование дна, вероятно, также не был полностью аналогичен природному. Различия субстратов были связаны не только с их водно-физическими свойствами, но и с разным исходным содержанием органического вещества (гумуса). Для оценки процессов биологической (целлюлозолитической) активности использовали степень разложения льняного полотна.

За год в эксперименте трансформировалось от 40 до 72 % опада. Наиболее активной трансформация была на песке, наименьшей – на мелу. Коэффициенты гумификации, как свидетельствуют данные табл. 3, также в большей степени зависят от типа субстрата, чем от типа опада, варьируют от 0,06 до 0,14, что соответствует максимальному поступлению гумуса до 50 г/м2 в год. Еще раз подчеркнем, что речь идет о гумификации свежего опада, а не подстилки в целом. Поэтому реальное поступление органического вещества в почву в исследованных объектах несколько выше, в том числе и с учетом опада и отпада корней.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что в почвах легкого механического состава происходит довольно интенсивный оборот органического вещества с его минерализацией, как в виде детрита, так и в виде гумуса. В итоге органическое вещество в песчаных почвах накапливается менее интенсивно, чем на субстратах с более развитыми сорбционными свойствами. Этому способствует относительно высокая микробиологическая активность почв (см. колонку «БАП» в табл. 3). Эффективность гумификации (выраженная в отношении Кг/Ктр) также снижается с утяжелением механического состава почвы. Интересно, что наличие карбонатного субстрата (мел) способствует повышению эффективности гумификации, несмотря на то, что трансформация опада имеет на этом субстрате минимальное значение. Вероятно, в данном случае сказывается фиксация про-гумусовых веществ ионами кальция.

Выявлена отрицательная статистическая зависимость коэффициентов трансформации и гумификации от исходного содержания гумуса в почве. Для Ктр она составила (r ± Sr) – 0,66 ± 0,26, для Кг – 0,84 ± 0,19, значима при Р = 0,95. Можно предположить, что интенсивность трансформации и гумификации находится в обратной нелинейной зависимости от исходного содержания гумуса в почве, с учетом ее гранулометрического состава. Но так как этот фактор связан с различием почвообразующих пород и в эксперименте не учитывался, то данная закономерность нуждается в специальной проверке на одном типе субстрата с разным содержанием органического вещества. В работе [13] отмечается, что способность почвы накапливать углерод зависит от ее гранулометрического состава и степени насыщенности органическим веществом.

Таким образом, в ходе проведенного исследования автором получены эмпирические обоснования причин установленных ранее [4] различий результатов рецентного почвообразования в почвах беллигеративных ландшафтов Курской битвы. Эти различия определяются количеством и составом опада, а также типом почвообразующей породы новообразованных почв, их способностью накапливать продукты гумификации. Для ускоренного воспроизводства почв антропогенно нарушенных ландшафтов (посттехногенных, беллигеративных и др.) важно дать оценку в первую очередь субстратных условий, при необходимости их оптимизировать, а затем подобрать тип растительного сообщества, который будет обеспечивать максимальное поступление органического вещества в почву. Среди исследованных зональных лесных экосистем такой способностью обладают фитоценозы, сформированные дубом со значительным участием клена остролистного и липы сердцевидной. Чистые дубовые насаждения формируют менее значительный поток органического вещества в почву и, соответственно, меньший почвообразовательный потенциал, по сравнению со спутниками дуба – кленом и липой.

Заключение

В почву рецентных лесных экосистем беллигеративных ландшафтов Курской битвы поступает ежегодно от 174 до 552 г/м2 опада, который трансформируется с различной интенсивностью, но не менее чем на 40 % (до 72 %) в первый год, приводя к накоплению до 50 г/м2 органического вещества в почве.

Проведенные исследования подтверждают предположение о дифференцирующем влиянии на деструкционный блок лесных экосистем сочетания субстратно-фитоценотических условий. При этом тип субстрата в таком влиянии более значим, чем состав древостоя (опада), так как формирует эдафические условия для почвенных деструкторов органического вещества и физико-химические условия образования в почве гумуса и его накопления. Почвообразовательная способность определенного типа лесного биогеоценоза зависит от таких факторов, как количество опада, его биохимический состав, свойства эдафотопа.

В управлении процессом формирования лесных экосистем в антропогенно нарушенных ландшафтах важно разумно сочетать оба фактора, использовать их наиболее эффективные комбинации в конкретных субстратных условиях.