О некоторых итогах исследований на модельных лизиметрах почвенного стационара МГУ

Науки о земле

Первова Наталья Ефимовна

канд. биол. наук, науч. сотр. каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова

Золотарев Геннадий Викторович

канд. биол. наук ЗАО «Геофорум», начальник отдела экологии и геомониторинга

О некоторых итогах исследований на модельных лизиметрах почвенного стационара МГУ

Первова Н.Е., Золотарёв Г.В.

Длительные наблюдения на модельных лизиметрах предоставляют исследователю возможность получать данные для интерпретации некоторых почвенных процессов на начальных стадиях почвообразования. Изучение последних тесно связано с исследованием антропогенных нарушений, пониманием закономерностей, по которым происходит развитие почвы с момента выхода породы на земную поверхность. В литературе практически нет данных о столь длительном и детальном изучении начальных стадий почвообразования в контролируемых условиях.

Несомненный интерес представляет изучение особенностей биологического круговорота элементов в условиях длительного эксперимента (на открытых насыпных лизиметрах). Целью данного исследования является также изучение жидкого компонента почвы. Учёт показателей биологического круговорота параллельно с учётом выноса элементов с вертикальным стоком предоставляет исследователям возможность составить более или менее полную картину баланса элементов на начальных стадиях почвообразования (1).

Объекты исследования

Объектами исследования послужили насыпные лизиметры открытого типа, заложенные на почвенном стационаре факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Лизиметры открытого типа заложены в 1967 году. Установки имеют площадь 9 м2, глубину 2 м.; бункеры лизиметров засыпаны бескарбонатным суглинком, привезенным из Подольского района Московской области.

Всего заложено 20 лизиметров. Четыре из них засеяны культурой ели; четыре — смешанными древостоями (ель, дуб, клен); четыре — широколиственными породами (дуб, клен). Луговая растительность также занимает четыре лизиметра, еще два засеяны культурами, входящими в полевой севооборот, два лизиметра — контрольные, поддерживаемые в состоянии чистого пара. Устройство лизиметров детально описано Винник и Болышевым (2). При составлении плана использования лизиметров был принят во внимание характер угодий, на которых происходит почвообразование в южной части дерново - подзолистой зоны, где большая площадь занята хвойными и лиственными лесами.

В качестве посадочного материала использовали саженцы ели в возрасте 5-ти лет из Опытно — Серебряноборского лесничества. В каждый бункер было высажено по 61 саженцу; в смешанных посадках — по 30 саженцев ели, 16 дуба и 15 клена. В бункеры с широколиственными породами был посажены 31 саженец дуба и 30 клена. Саженцы дуба и клена в возрасте 3-х лет взяты из питомника ботанического сада МГУ.

Для изучения динамики надземной фитомассы растительных сообществ на лизиметрах с древесными культурами производился обмер всех произрастающих деревьев, высчитывалось среднее, выбиралось модельное дерево, спиливалось, разбиралось на составные части и взвешивалось.

Опад собирался в опадоуловители, разбирался на составные части и взвешивался. В образцах надземной фитомассы и опада проводилось сухое озоление с последующим определением Са, М^, К, №, Бе, А1, Р.

Основное внимание в работе было уделено, помимо изучения объема и состава внутрипочвенного стока, исследованию динамики параметров биологического круговорота. Также наблюдали за начальными стадиями почвообразования.

В таблице 1 приведены некоторые данные химического состава почв лизиметров (3). Контрольным вариантом является чистый пар. Наибольшее содержание углерода отмечено для варианта «дуб-клён»; здесь же определено повышенное содержание обменного кальция.

Хвойные насаждения

За сорок пять лет наблюдений верхняя часть суглинка под влиянием климатических и биологических факторов претерпела заметные изменения. К 1990 году под древесными посадками выделился самостоятельный горизонт подстилки. К настоящему времени подстилка в ельнике имеет мощность 3 сантиметра. Она состоит преимущественно из хвои. Также морфологически определяется гумусоаккумулятивный горизонт А (3-6 см). Этот горизонт состоит из серого суглинка с остатками слаборазло-жившегося органического вещества. Здесь отмечено самое низкое содержание органического углерода — 3,26 %.

В еловых растительных сообществах за период с 1972 по 1999 г. запасы надземной фитомассы увеличились с 38 т/га до 125 т/га. По мере роста деревьев увеличивалась масса стволов (с 22 т/га до 72 т/га). Показано, что естественные еловые леса такого же возраста могут иметь большую надземную фитомассу (до 151 т/га (4). По своим лесотаксационным характеристикам данные насаждения в лизиметрах не могут соответствовать даже низкобонитетным еловым лесам однотипного возраста и условий произрастания (5). Отмечена тенденция увеличения массы опада, что связано с возрастом пород и соответственно с надземной фитомассой произрастающих на лизиметрах деревьев. Наиболее высокое содержание зольных элементов отмечено для хвои, далее идут ветви. Наименьшее количество зольных элементов содержится в стволах. Ряд накопления для ельника выглядит следующим образом: Са>K>P>Al>Mg>S>Si>Na>Fe.

Тип круговорота: фосфорно-калиево-кальциевый.

С опадом растительные сообщества лизиметров возвращают до 12,55 кг/га зольных элементов, что в 2-3 раза меньше, чем в естесственных сообществах того же возраста. Основная масса элементов возвращается с хвоей — самой высокозольной и представительной фракцией опада. Больше всего с опадом возвращается кальция.

Широколиственные насаждения

Ритм накопления фитомассы в этих сообществах отличается от хвойных лесов. Широколиственные породы в модельном эксперименте создают наименьшую фитомассу (21,18 т/га), причём наибольшую фитомассу создают ство-

лы деревьев (12,89 т/га), затем ветви и листья. За время эксперимента количество опада колебалось от 7,3 до 13,0 ц/га. В составе опада преобладают литья клёна — 56 %. Наибольшее количество элементов содержится в листьях, наименьшее — в древесине.

Ряд накопления для широколиственного леса следующий: Ca>K>P>S>Mg>Si>Al>Na>Fe. Тип круговорота: фосфорно-калиево-кальциевый.

Количество возвращаемых с опадом элементов — 43,10 кг/га; что существенно превышает показатели для елового сообщества. Вероятно, в широколиственных насаждениях можно отметить более высокую интенсивность круговорота зольных элементов (по сравнению с хвойными и смешанными насаждениями возвращается в 2-3 раза больше таких элементов как кальций, калий, фосфор. Профиль почвы под широколиственными лесами подразделяется на горизонт подстилки (0-1 см), состоящей из листьев дуба, клёна и минеральный горизонт А (1-5 см). Горизонт А представляет собой серый суглинок переплетённый корнями травянистой растительности, развивающейся в нижнем ярусе. В гумусовом горизонте (таблица 1) содержится максимальное количество органического углерода (6,10%). Высокое содержание углерода обусловлено тем, что в гумусовом горизонте содержатся остатки растительности средней степени разложенности. По сравнению с 1989 годом количество органического углерода возросло более чем в пять раз. Отмечено увеличение биологической активности на этом варианте (6).

Смешанные насаждения

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 фитомассе 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 и соотношение элементов в опаде в смешанных насаждениях сопоставимо с таковым в хвойных насаждениях. В опаде преобладает хвоя ели (70,3 %), в значительно меньших количествах — листья дуба и клена (22,2%). Ветви ели и лиственных пород составляют всего 7,5 % от всего опада.

Таблица 1. Некоторые химические свойства почв лизиметров

Лизи- метр Глубина, см pH вод pH сол С общ. С вод Са+Мд вод. обменные катионы Гидр. кис. ЕКО станд. Степень насыщ. ППК %

Са2* Мд2+ Н++А13*

% мг-экв/100 г

Пар 0-5 6,78 5,15 0,38 --- 0,47 13,35 5,08 0,05 1,18 17,08 94

10-15 6,65 5,25 0,25 --- 0,38 12,35 5,08 0,07 1,48 13,12 92

Ель 3-6 5,98 5,00 3,26 0,05 0,58 15,64 4,88 0,78 4,20 25,00 83

6-11 5,64 4,93 1,02 --- 0,30 13,05 5,47 0,23 3,02 17,58 86

11-16 5,20 4,40 0,39 --- 0,22 11,75 5,48 0,36 3,27 19,31 84

16-21 5,18 4,90 0,26 --- 0,20 10,66 5,18 0,62 3,62 16,09 81

Ель 3-6 6,24 5,65 2,93 0,04 0,20 12,95 4,58 0,50 3,36 22,03 84

Дуб 6-11 5,53 5,21 0,73 --- 0,10 11,55 5,28 0,29 3,76 18,07 82

Клен 11-16 5,13 4,98 0,30 --- 0,12 11,25 5,18 0,47 3,64 12,87 82

16-21 5,26 4,70 0,20 --- 0,12 11,16 4,58 0,41 3,19 16,59 83

Дуб 1-5 6,30 5,85 6,10 0,06 0,90 20,91 5,38 0,13 4,23 35,75 86

Клен 5-10 5,03 4,70 0,60 --- 0,32 10,86 4,68 0,45 3,35 14,79 82

10-15 5,13 4,73 0,29 --- 0,35 10,46 4,88 0,53 4,00 15,29 79

15-20 4,90 4,35 0,19 --- 0,24 8,77 5,08 0,82 3,91 14,79 78

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 (4). 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 > > 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.

Лизиметрические воды исследуемых модельных БГЦ относятся к типу гидрокарбонатно-сульфатных-кальцие-вых (таб.3).

Показано, что на скорость и количество поступления воды в лизиметре влияют многие факторы (7). Исследования водного режима почв выявляют значительные колебания отдельных его элементов в зависимости от характера почвы, растительности, времени года, состава осадков.

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 (8). По убыванию концентрации в составе вод ионы располагаются в следующем порядке: сульфат-ион, кальций, магний, натрий, железо. За

последний период исследований магний и натрий поменялись местами в этом ряду.

Одним из основных показателей, характеризующих состояние жидкого компонента почвы, является pH природных вод. Отмечены значительные колебания в кислотности вод мигрирующих в различных вариантах опыта. Эти колебания вызваны сменой сезона, года, а также изменчивостью состава атмосферных осадков. Низкие значения pH 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. Очевидно, 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» за несколько лет наблюдений. 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.

Для всех лет наблюдений отмечено наличие промывного типа водного режима. Количество осадков по области значительно варьирует. 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 веге-

Таблица 2. Возврат элементов с опадом, 1999 г., кг/га

Состав к Ыа Са Мд Ре А1 Р БІ Б 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

ель - 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

ель - 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

дуб - 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

клен - 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

дуб - 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

клен - 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

Таблица 3. Химический состав лизиметрических вод (мг/л). Средние показатели 1999-2004 Сезон «лето».

Вариант pH НС03- С1- Б042- Са2* Мд2* Ыа* к* Ре3*

Чистый пар 7,1 19,0 10,2 27.0 9,2 7,0 7,2 0,5 0,3

Ель 6,7 9,5 20,5 48,5 17,5 5,8 11,5 2,0 0,5

Ель, дуб, клен 6,8 27,8 36,4 61,0 51,6 13,2 14,2 2,5 не опр

Дуб, клен 7,1 28,8 32,0 37,9 54,0 11,3 28,0 1,4 не опр

Атмосф.осадки 6,7 не опр. 12,0 20,5 10,0 1,2 0,8 0,6 0,1

тации 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 большее влияние на водный режим в лизиметрах. Перехват влаги деревьями заметно возрос в последние годы наблюдений.

В лизиметрических водах определялись концентрации тяжелых металлов. Отмечено, что ель в большей степени задерживает свинец, медь, цинк. Концентрация тяжелых металлов в водах низкая и свидетельствует о благоприятной экологической обстановке на изучаемой территории.

Выводы

1. Древесные растительные сообщества, произрастающие в условиях насыпных лизиметров, существенно отличаются по таксационным характеристикам от естественных растительных сообществ.

2. Возврат наибольшего количества химических элементов с опадом отмечен в широколиственных сообществах, что соответствует более высокой зольности опада и повышенной интенсивности биологического круговорота.

3. За указанный период времени в лизиметрах сформировались маломощные почвы, морфологически дифференцированные на горизонты. Морфологическое строение почв зависит от типа фитоценоза под которым происходит почвообразование.

4. Состав жидкой фазы почвы, несмотря на её динамичность является характерным показателем, отражающим направление и специфику почвообразовательного процесса.

Список использованных источников

1. Владыченский А.С., Ульянова Т.Ю., Золотарев ГВ. «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. Савельев Д.В. «Почвообразование в модельных экосистемах почвенных лизиметров». М. 2001 автореферат на соискание учёной степени кандидат биологических наук.

4. 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. с. 284

5. Золотарев Г.В. «Некоторые параметры биологического круговорота в модельных экосистемах почвенных лизиметров» канд. дис. М. 2006. с. 245

6. Герасимова Л.В., Первова Н.Е. Лобутев А.П. «О почвообразовании под различной растительностью на покровном суглинке в условиях 20-летнего лизиметрического опыта». Почвоведение. 1989. №1. с. 24-30.

7. Первова Н.Г., Егоров Ю.В. «Изучение миграции природных вод на модельных лизиметрах». Вестник МГУ, серия 17. Почвоведение. 2012. №1. с. 24-28.

8. Первова Н.Г., Евдокимова Т.И. «Состав почвенных растворов в подзоне южной тайги». Почвоведение. 1984. №1. с. 32-39