Поступление и миграция растворимого органического углерода в почвах лесных экосистем подзоны широколиственно-хвойных лесов

УДК 631.421.3:574.4

ПОСТУПЛЕНИЕ И МИГРАЦИЯ РАСТВОРИМОГО ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В ПОЧВАХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПОДЗОНЫ ШИРОКОЛИСТВЕННО-ХВОЙНЫХ ЛЕСОВ*

Р.Р. Султанбаева, Г.Н. Копцик, И.Е. Смирнова, С.В. Копцик

Результаты четырехлетнего мониторинга природных вод в лесных биогеоценозах Звенигородской биостанции МГУ имени М.В.Ломоносова (Московская обл.) демонстрируют закономерные изменения концентраций и потоков растворимого органического углерода (РОУ) в системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды. Атмосферные осадки обогащаются РОУ при прохождении сквозь древесный полог (2—3 и 9—24 мг/л). Средняя концентрация углерода в почвенных водах достигает 100—110 мг/л в сложном еловом и сосново-еловом лесах и не превышает 40—60 мг/л в елово-березовом. Концентрация РОУ в природных водах подвержена сильной пространственной и временной изменчивости, выраженной как в сезонном, так и в многолетнем цикле. Несогласованность временных пиков свидетельствует, что РОУ атмосферного или кронового происхождения мало влияет на таковой почвенных вод. Вынос его из верхней 40-сантиметровой толщи почв в вегетационный период преобладает над поступлением с осадками. Максимальные потери РОУ зафиксированы в слабодерново-мелкоподзолистой почве сложного ельника, имеющего наиболее легкий гранулометрический состав.

Ключевые слова: растворимый органический углерод (РОУ), атмосферные осадки, подкроновые воды, лизиметрические воды, почвы, лесные биогеоценозы, мониторинг.

Введение

Растворимые органические соединения играют важную роль в цикле углерода в лесных экосистемах. Это один из самых лабильных пулов органического вещества, влияющий на почвообразование, питание растений и транспорт таких элементов, как азот, фосфор, сера и тяжелые металлы [9—11]. Вместе с тем закономерности миграции органических веществ в системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды недостаточно изучены [12]. Поэтому количественная оценка поступления с атмосферными осадками и передвижения растворимого органического углерода в почвах лесных экосистем в гумидных условиях представляет несомненный интерес.

Атмосферные выпадения — один из регулярно действующих факторов, систематически приносящих на поверхность почвы различные растворенные вещества. Они играют важную роль в формировании питательного режима бореальных лесов. Отбор подкроновых вод — полезный инструмент для оценки привноса элементов из атмосферных осадков в лесные почвы. Химический состав осадков существенно меняется по мере их прохождения сквозь кроны деревьев, главным образом, по двум причинам: перемещение частиц и аэрозолей с поверхности деревьев при вымывании и выделение и поглощение ионов растительными тканями. Кон-

центрация РОУ в наибольшей степени увеличивается в подкроновых водах по сравнению с чистыми осадками — в результате прохождения сквозь древесный полог [10].

Состав лизиметрических вод почв отражает влияние процессов взаимодействия атмосферных осадков с почвенными компонентами [7, 12]. Почвенные воды в лесных экосистемах обычно богаты органическими соединениями. Они образуются в основном в процессах разложения растительных остатков, минерализации гумусовых веществ почв, выделения корнями, микробиологической активности [9, 10]. Наиболее важными процессами трансформации, которые претерпевают водорастворимые органические вещества в почве, являются сорбция и биодеградация [4, 8]. Почвенные растворы представляют собой наиболее активную составную часть почвы, определяющую ее химическое состояние и влияющую на питание растений. Почвенные воды играют исключительно важную роль в почвообразовании, так как все процессы химического и биологического превращения органических и минеральных соединений совершаются при непосредственном участии жидкой фазыпочв [5].

В работе количественно охарактеризованы процессы поступления с атмосферными осадками, трансформации в древесном пологе и миграции растворимых органических соединений в почвах

* Работа выполнена при поддержке областной целевой программы «Экология Подмосковья на 2007—2008 годы» (государственные контракты № 876-Эко и № 995-Эко) и РФФИ (проект № 11-04-01794-а).

лесных биогеоценозов (БГЦ) подзоны широколиственно-хвойных лесов зоны таежных лесов европейской территории России.

Объекты и методы исследования

Исследования проводили на территории Звенигородской биологической станции имени С.Н. Ска-довского, расположенной в Одинцовском р-не Московской обл., на правом берегу р. Москвы, в 12 км от г. Звенигорода. Климат территории умеренно континентальный: продолжительная и холодная зима с устойчивым снежным покровом и умеренно теплое лето. Область находится в зоне избыточного увлажнения: количество осадков — 600—700 мм, испаряемость — 550 мм [3]. Наибольшее количество осадков выпадает летом (244 мм), в июле — 87 мм, наименьшее — в апреле (40 мм) [4]. Превышение осадков над испарением, наряду с летним переувлажнением, создает условия для промывного водного режима.

Район исследования входит в подзону широколиственно-хвойных лесов зоны таежных лесов. Объекты исследования — биогеоценозы, развитые на водораздельном плато [2]:

— сложный сосново-еловый разнотравно-кисличный лес на глубокоподзолистой легкосуглинистой почве;

— елово-березовый разнотравно-костянично-кисличный лес на слабодерново-глубокоподзоли-стой легкосуглинистой почве;

— сложный еловый разнотравно-кисличный лес на слабодерново-мелкоподзолистой слабодиф-ференцированной легкосуглинистой почве.

Материнская порода представлена маломощными покровными суглинками, которые подстилаются флювиогляциальными отложениями талых ледниковых вод, представленными разнозернисты-ми песками, местами с прослойками гальки, гравия или моренного суглинка.

Мониторинг природных вод проводили в трех типах лесных экосистем в соответствии с рекомендациями программы ICP Forests [2, 11]. В статье освещены результаты мониторинга жидкой фазы за вегетационные периоды (с апреля по октябрь) 2010—2013 гг.

Сбор осадков проводили на трех участках под пологом леса и одном на открытой местности с целью сравнения состава осадков, прошедших через кроны деревьев, с таковыми, не испытавшими их воздействия. На каждом участке мониторинга в лесных БГЦ было установлено по 20, на открытой местности — 9 осадкосборников. Атмосферные осадки и подкроновые воды собирали раз в месяц, а летом — раз в две недели.

На каждом участке установлено по три группы лизиметров (три повторности), в каждой из них — еще по три лизиметра: на глубинах 5, 20 и 40 см.

Лизиметры-воронки сооружали путем извлечения почвенного монолита с глубин 5 (верхняя часть гу-мусово-аккумулятивного или переходного гор. АЕ), 20 (средняя часть элювиального горизонта) и 40 см (иллювиальный горизонт). Установка лизиметров осуществлялась в ноябре 2006 г.

Воздействие растительности на состав атмосферных осадков и почвенных вод наиболее сильно проявляется в период вегетации [1]. Наблюдения охватывали период с апреля по октябрь, что позволило выявить не только пространственные, но и временные различия, включая сезонный и многолетний циклы.

В лаборатории средневзвешенные образцы осадков и лизиметрических вод фильтровали через мембранные фильтры с отверстиями диаметром 0,45 мкм. До определения концентраций РОУ пробы хранили в замороженном состоянии. Концентрацию РОУ определяли на анализаторе 8Ышаё2и ТОС-Усрк с приставкой ТММ-1.

Результаты и их обсуждение

Средние концентрации РОУ в атмосферных осадках в вегетационные периоды 2010—2013 гг. изменялись от 2,4 ± 0,6 до 3,2 ± 1,0 мг/л. Статистический анализ по критерию X2 показал, что эта величина в целом подчиняется закону нормального распределения (рис. 1). При прохождении сквозь кроны деревьев атмосферные осадки обогащаются органическим веществом. Наиболее сильно концентрация РОУ увеличивается в подкроновых водах сосново-елового леса — до 24 ± 6 мг/л (2010 г.). Подкроновые воды сложного ельника тоже значительно обогащаются РОУ: его средняя концентрация в течение периода наблюдений изменялась от 12 ± 4 до 17 ± 6 мг/л. Наименьший показатель зафиксирован в елово-березовом лесу: от 9,2 ±1,7 (2011 г.) до 20 ± 6 мг/л (2010 г.). В литературе [7,8,12] также отмечено наиболее сильное обогащение РОУ подкроновых вод хвойных пород. Сравнивая значения РОУ в трех типах леса в течение четырех лет, можно констатировать, что концентрация РОУ в подкроновых водах максимальна в сосново-ело-вом лесу (кроме 2013 г., когда она больше в сложном ельнике), на втором месте — сложный ельник. Только в 2010 г. этот показатель был больше в ело-во-березовом лесу, чем в сложном ельнике.

Самые высокие концентрации РОУ в подкроновых водах всех БГЦ зафиксированы в 2010 г. (рис. 1, а), что, очевидно, связано с аномальной засухой. Среднегодовая температура тогда была выше среднемноголетних показателей, а количество осадков — ниже среднемноголетних [6]: за все лето выпало около 50% нормы, а в июле — 14% от нее. Бездождевой период продолжался почти 1,5 месяца—с начала июля до середины августа.

а • 1 О 2 Л 3  4

о

ь [ 1 < ь < К 1 ] ш ]

ж . ж

О

О

О,

7\

2010 2011 2012 Время, годы

О

-Ж-

2013

>

О о.

120 100 80 60 40 20 0 120 100 80 60 40 20 0

О

о

о

2010 2011 2012 Время, годы

3 с ] п

О/ < Л > п

о  < >1

I 1 1

2013

Рис. 1. Средневзвешенные концентрации растворимого органического углерода и их 95%-е доверительные интервалы в атмосферных осадках, подкроновых водах

Отмечено статистически значимое падение концентрации растворимого углерода в подкроновых водах сосново-елового леса с 2010 по 2013 г. (рис. 1, а). Нашествие короеда-типографа (^ ty-pographus L.), вредителя хвойных пород, вызвало массовое опадение хвои и гибель ели, чем, наряду с метеорологическими условиями, можно объяснить эту тенденцию.

Сезонная динамика средневзвешенных концентраций РОУ в атмосферных осадках и подкроновых водах за 2010—2013 гг. представлена на рис. 2, а. В атмосферных осадках открытого пространства они минимальны в октябре, максимальны — в мае и августе. В подкроновых водах всех типов леса этот показатель минимален в апреле и сентябре—октябре, максимален также в мае и августе. В апреле, когда листьев на деревьях еще нет, а хвойные деревья находятся в неактивном состоянии, концентрация РОУ самая низкая. В мае начинается активный рост и цветение, с чем связано увеличение показателя. В течение лета концентрация РОУ растет, а осенью резко снижается.

Почвенные воды в лесных биогеоценозах в целом богаты органическими соединениями (рис. 1 и 2). Концентрация РОУ в лизиметрических водах подвержена сильной пространственной и временной

изменчивости. Максимума она достигает в сложном ельнике (109 мг/л) и в сосново-еловом лесу (105 мг/л), минимума — в елово-березовом (19 мг/л). Профильное распределение РОУ неоднозначно. Типичное для лесных почв снижение его концентрации с глубиной характерно для глубокоподзолистой почвы сосново-елового леса, мощная подстилка которого обогащает верхний слой растворимыми органическими веществами (52—105 мг/л); с глубиной их концентрация снижается (28—50 мг/л). В слабодерново-глубокоподзолистой почве елово-березового леса, напротив, концентрация РОУ с глубиной растет, отражая, вероятно, заметный вклад отмирающих корней растений и их выделений. Сходная закономерность характерна для слабодер-ново-мелкоподзолистой слабодифференцирован-ной почвы сложного ельника, отличающейся облегченным гранулометрическим составом. Там в 2010 и 2011 гг. на глубине 40 см зафиксированы максимальные концентрации РОУ — 106 и 109 мг/л.

В многолетнем цикле в лизиметрических водах, в отличие от подкроновых, повышения концентрации РОУ в 2010 г. не отмечено (рис. 1, б—г). В верхнем слое (5 и 20 см) почв сосново-елового леса она увеличивалась в 2012 и 2013 гг., что может быть связано с интенсивным опаданием хвои

Рис. 2. Сезонная динамика средневзвешенных концентраций растворимого органического углерода

вследствие поражения леса короедом-типографом и ростом мощности подстилки.

Концентрация РОУ в лизиметрических водах подвержена сезонной динамике (рис. 2, б— г). С апреля по август на глубине 5 см в почвенных водах сосново-елового леса она изменяется незначительно (56—70 мг/л), а в сентябре и октябре возрастает до 100 мг/л — по-видимому, в связи с интенсивным разложением свежего опада. Эта закономерность прослеживается и в более глубоких слоях. В ело-во-березовом лесу концентрация РОУ в почвенных водах также увеличивается от весны (15—37 мг/л) к осени (30—70 мг/л). В почвах сложного ельника она минимальна весной, увеличивается с ростом биологической активности летом и сохраняется на высоком уровне в осенний период. Ни сезонные, ни многолетние пики концентрации РОУ в лизиметрических водах не согласуются с таковыми в подкроновых водах (рис. 1 и 2). Это свидетельствует о том, что РОУ атмосферного или кронового происхождения незначительно влияет на органические соединения углерода почвенных вод, образующиеся преимущественно в ходе микробиологических и биохимических процессов в почвах. Сходные закономерности выявлены и при анализе миграции РОУ в лесных экосистемах Северной Бельгии [12].

Поступление РОУ с подкроновыми водами за вегетационный период составляет в среднем 37—52 кг/га в сосново-еловом лесу, 20—53 — в ело-во-березовом, 31—44 кг/га — в сложном ельнике. Еще больше углерода (>100 кг/га) может поступать за этот же период под кроны ели в северной тайге [1].

Образующиеся при разложении подстилки подвижные органические вещества формируют наиболее значительный поток РОУ (48—160 кг/га) с глубины 5 см в глубокоподзолистой почве сос-ново-елового леса и вдвое меньший (18—88 кг/га) — в слабодерново-мелкоподзолистой сложного ельника (рис. 3). Потери РОУ из этого слоя минимальны (13—40 кг/га за вегетационный период) в слабодерново-глубокоподзолистой почве елово-березового леса. С глубиной поток РОУ в глубокоподзолистой почве сосново-елового леса резко сокращается, тогда как в слабодерново-глубоко-подзолистой елово-березового леса остается преимущественно на прежнем уровне.

Многолетняя динамика выноса органических соединений из верхней 40-сантиметровой толщи почв в разных БГЦ имеет разнонаправленный характер, обусловленный, по-видимому, сложным сочетанием природных факторов, включающих метеорологические условия и вспышку деятельности короеда-типографа. С 2010 по 2013 г. вынос РОУ

Рис. 3. Потоки растворимого органического углерода с под-кроновыми и лизиметрическими водами в сложном сосно-во-еловом (а), елово-березовом (б) и сложном еловом (в) лесах; 1 — подкроновые воды, 2 — глубина 5 см, 3 — 20 см, 4 — 40 см

из этого слоя за вегетационным период оставался на одном уровне в сосново-еловом лесу, увеличивался в елово-березовом и уменьшался в сложном ельнике. Максимальный вынос углерода органических соединений (56—71 кг/га за вегетационный период) с глубины 40 см наблюдался в 2010—2011 гг. в почве сложного ельника. Величина потерь РОУ из исследуемых почв согласуется с данными для почв пяти участков ICP Forests в хвой-

ных (55—61 кг C/га) и лиственных (19—30 кг C/га) лесах Северной Бельгии [12].

Почвы исследуемых лесных БГЦ обладают близкими запасами углерода — 60—70 т С/га в слое 40 см. В сосново-еловом лесу вынос РОУ в течение вегетационного периода за пределы 5-сантиметрового слоя составляет 0,1—0,4% от запасов углерода подстилки и слоя 0—5 см; за пределы 20-сантиметрового — 0,1% от запасов углерода подстилки и слоя 0—20 см; за пределы 40-сантиметрового — 0,01—0,03%. В елово-березовом лесу вынос РОУ составил соответственно 0,04—0,14, 0,07—0,09 и 0,01—0,08% от запасов углерода соответствующих слоев, в сложном ельнике — 0,05—0,25, 0,01—0,08, 0,01—0,1% соответственно. Таким образом, минимальные относительные потери углерода из верхней 40-сантиметровой толщи зафиксированы в почвах сосново-елового и елово-березового лесов, а максимальные — в сла-бодерново-мелкоподзолистой слабодифференциро-ванной почве сложного ельника с наиболее легким гранулометрическим составом.

Выводы

• Атмосферные осадки на территории Звенигородской биостанции имеют низкие и сравнительно постоянные концентрации органического углерода (2,4—3,2 мг/л). При прохождении сквозь древесный полог они обогащаются углеродом, причем в наибольшей степени — в сосново-еловом, в наименьшей — в елово-березовом лесу.

• Лизиметрические воды отличаются высокой концентрацией растворимого органического углерода, изменяющейся в широких пределах в зависимости от типа биогеоценоза, свойств и глубины почвы. Средняя концентрация углерода достигает 100—110 мг/л в водах сложного ельника и сосно-во-елового леса и не превышает 40—60 мг/л в водах елово-березового.

• Концентрация углерода в подкроновых и лизиметрических водах подвержена сильной временной изменчивости как в сезонном, так и в многолетнем цикле. Несогласованность временных пиков свидетельствует, что растворимые органические соединения атмосферного и кронового происхождения незначительно влияют на углерод почвенных вод.

• В условиях промывного водного режима в легких по гранулометрическому составу почвах подзолистого ряда, сформированных под хвойными и смешанными лесами, вынос органического углерода с почвенными водами в вегетационный период преобладает над поступлением с осадками. Общий вынос углерода из верхней 40-сантиметровой почвенной толщи в вегетационный период не превышает 0,1% от его запасов.

Авторы благодарны д-ру Дж. Дерому (D.Sc. J. Derome) и его коллегам из Финского института

исследований леса (Рованиеми, Финляндия; Finnish Forest Research Institute, Rovaniemi, Finland) за предоставление лизиметров и помощь в их установ-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кислотные осадки и лесные почвы / Под ред. В.В. Никонова, Г.Н. Копцик. Апатиты, 1999.

2. Копцик Г.Н., Владыченский А.С., Гаврилов В.М. Организация почвенно-экологического мониторинга лесных экосистем Звенигородской биостанции МГУ // Тр. Звенигород. биол. станции. 2011. Т. 5.

3. Копцик Т.Н., Рыжова И.М. Почвы Звенигородской биостанции // Рук-во по летней учеб. практ. студ.-биол. на Звенигород. биостанции им. С.Н. Скадовско-го / Отв. ред. В.М. Гаврилов. М., 2011.

4. Климат России: Науч.-прикл. справ. URL: http:// aisori.meteo.ru/ClspR

5. Мотузова Г.В., Барсова Н.Ю., Карпова Е.А., Ко-чарян А.Г. Состав лизиметрических вод почв Верхневолжских ландшафтов // Почвоведение. 2009. № 2.

6. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2010 год. М., 2011.

7. Пристова Т.А. Компоненты углеродного цикла в лиственно-хвойном насаждении средней тайги // Лесоведение. 2010. № 6.

ке, а также студентам факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова за участие в проведении полевых исследований.

8. Шильцова Г.В., Ласточкина В.Г. Влияние полога соснового и березового леса на химический состав осадков в заповеднике «Кивач» // Тр. Карельск. науч. центра РАН. 2006. Вып. 10.

9. Шишов Л.Л., Кауричев И.С., Большаков В.А. и др. Лизиметры в почвенных исследованиях. М., 1998.

10. Arisci S., Rogora M, Marchetto A., Dichiaro F. The role of forest type in the variability of DOC in atmospheric deposition at forest plots in Italy // Environ. Monit. Assess. 2012. Vol. 184. P. 3415—3425.

11. Lorenz M. Submanual on soil solution collection and analysis. Manual Part III // ICP Forests, 2010: Manual on methods and criteria for harmonized sampling, assessment, monitoring and analysis of the effects of air pollution on forests. Hamburg, 2010.

12. Verstraeten A, De VosB, NeirynckJ. etal. Impact of air-borne or canopy-derived dissolved organic carbon (DOC) on forest soil solution DOC in Flanders, Belgium // Atmosph. Environ. 2014. Vol. 83. P. 155—165.

Поступила в редакцию 22.01.2015

INPUT AND MIGRATION OF DISSOLVED ORGANIC CARBON IN SOILS OF FOREST ECOSYSTEMS OF DECIDUOUS-CONIFEROUS FORESTS SUBZONE

R.R. Sultanbaeva, G.N. Koptsik, I.E. Smirnova, S.V. Koptsik

The results of four years' monitoring of natural waters in forest ecosystems of Zveni-gorod Biological Station (Moscow Region) point to inherent changes in the concentrations and fluxes of dissolved organic carbon (DOC) within the atmospheric precipitation — through-fall — soil waters system. Precipitation passing through the tree canopy is enriched with DOC (2—3 and 9—24 mg/l). Average carbon concentrations in soil waters mount to 100—110 mg/l in spruce and pine-spruce forests and don't exceed 40—60 mg/l in spruce-birch forest. The DOC concentrations in natural waters demonstrate high spatial and temporal variability appeared both in seasonal and long-term cycles. The lack of coordination between temporal peaks confirms that air-borne or canopy-derived DOC has a limited impact on soil water DOC. Leaching of DOC from the upper 40 cm soil layer during growing period is higher than throughfall input. Maximal losses are observed in the light textured weakly derno — shallow podzolic soil of spruce forest.

Key words: dissolved organic carbon, atmospheric precipitation, throughfall, lysimeter waters, soils, forest ecosystems, monitoring.

Сведения об авторах

Султанбаева Рената Рифкатовна, студентка каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова. E-mail: r-surikata@mail.ru. Копцик Галина Николаевна, докт. биол. наук, профессор каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-35-73; e-mail: koptsikg@mail.ru. Смирнова Ирина Евгеньевна, канд. биол. наук, ст. препод. каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова. E-mail: irina.e.smirnova@gmail.com. Копцик Сергей Владимирович, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. каф. магнетизма физического ф-та МГУ имени М.В.Ломоносова. E-mail: koptsik@phys.msu.ru.