Особенности состава органического вещества темногумусовых лесных почв северо-востока Костромской области

УДК 631.417

ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ТЕМНОГУМУСОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ СЕВЕРО-ВОСТОКА КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ*

Л.С. Травникова|, А.В. Иванов

Методом физического фракционирования изучен состав органического вещества необычной по генезису лесной темногумусовой почвы Костромской обл., сформированной в автоморфной позиции на глинистых отложениях триасового возраста. Распределение углерода по фракциям органического вещества свидетельствует о гидроморфной природе его происхождения. Обсуждается гипотеза о причине образования в ходе эволюции современного органопрофиля почвы.

Ключевые слова: органическое вещество, физическое фракционирование, гидроморфизм.

Введение

В ходе почвенных исследований на территории северо-востока Костромской обл., охватывающей южные склоны Северных Увалов и прилегающую часть Ветлужско-Унженского междуречья, были встречены своеобразные по генезису почвенные образования. Под пологом полновозрастного елового насаждения в автоморфных позициях обнаруживается профиль темногумусовой органо-аккумулятивной почвы, сформированной на тяжелых по гранулометрии отложениях. Изучение ее генезиса в подобных условиях представляет значительный интерес. В первую очередь это касается органического вещества (ОВ).

В настоящей публикации рассматриваются результаты исследования с применением методики физического (грануло-денсиметрического) фракционирования.

Объекты и методы исследования

Объектом изучения послужил разрез темногумусовой органо-аккумулятивной почвы, заложенный в Пыщугском р-не в 2-х км к югу от с. Талица и в 500 м на восток от шоссе Пыщуг—Никольское. Он приурочен к плоской водораздельной части увалистого повышения на пологом склоне Северных Увалов. Растительность представлена ельником разнотравным в возрасте около 100 лет с единичной примесью березы, сосны и обильным подростом ели высотой до 10 м. В напочвенном покрове доминирует земляника, костяника, копытень, хвощ лесной, зеленые мхи.

Описание разреза

0—2 см — опад прошлых лет, представленный преимущественно хвоей, свежий, рыхлый, слабодифферен-цированный, постепенно переходит в более плотную подстилку.

О 2—8 см — влажная, серо-бурая подстилка, рыхлая, густо пронизана корнями, хорошо отслаивается.

Аи 8—48 см — влажный, черно-бурый, густо пронизан мелкими корнями, иловато-суглинистый, структура комковато-зернистая непрочная, при рассмотрении под бинокулярной лупой обнаруживается микроагрегированность (преобладают прочные округлые образования размером 0,1—0,2 мм), отмечается вкрапление осветленных зерен кварца и полевых шпатов, переход резкий по неровной границе.

С 48—70 см — влажный, желто-палевый, глинистый, структура мелко-ореховатая, плотный, вязкий, переход заметный по цвету и сложению.

С§ 70—100 см — влажный, неоднородный по окраске (на палевом фоне ржаво-бурые прослои толщиной до 5 см), глинистый, плотный, липкий (с трудом отделим от лопаты), бесструктурный, отмечается значительное количество железисто-марганцовистых конкреций, а также единичные включения обломков кремнистых пород размером до 10 см с отпечатками раковин.

Почва — темногумусовая, глубокооглеенная, на глинистых отложениях. Результаты определения гранулометрического состава и физико-химических свойств почвы, проведенного по стандартным методикам [1,3], были опубликованы ранее [2]. Они свидетельствуют о глинистом составе минеральной части профиля (количество частиц < 0,01 мм в гор. С и С£ 73 и 88% соответственно). Содержание углерода в гор. Аи — 11,9%, в гор. С и С£ оно падает до 0,88 и 0,4%; величина рНвод в гор. Аи — 6,8, в гор. Си С£ — 7,5; сумма поглощенных оснований в гор. Аи — 49, в гор. С — 35 мг-экв/100 г почвы, что при низкой гидролитической кислотности (в гор. Аи — 6,53, гор. С и С£ — 0,90 и 0,73 мг-экв.), что обеспечивает очень высокую (в гор. С практически полную — 98%) степень насыщенности основаниями. Отмеченные физико-химические свойства связаны не только с доминированием в гранулометрическом составе тонкодис-

* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования РФ (соглашение № 8355).

персных фракций, но и с особенностями минералогического состава ила. Проведенное исследование [10] обнаружило в составе ила всех горизонтов резкое преобладание (около 90%) смектитового компонента. Последнее обстоятельство, видимо, связано с тем, что почва сформирована на глинистых триасовых отложениях, как это следует из геологической карты данного участка [5].

При характеристике состава ОВ почвы использованы две группы сопряженных показателей, представляющих его состояние и распределение глинистых минералов в составе ила. Для изучения ОВ был применен метод физического (грануло-денсиметри-ческого) фракционирования [9, 12], который обеспечивает выделение трех качественно различных групп органо-минеральных составляющих, концентрирующих основную массу органического вещества и тонкодисперсных минеральных компонентов почвы.

В первую группу входят легкие фракции (ЛФ) плотностью < 2 г/см3. Их органическое вещество (Слф) не имеет прочных химических связей с глинистыми минералами. Оно включает дисперсные частицы органического опада, находящиеся на разных стадиях гумификации — от слабо до полностью гумифици-рованных. Вторая группа представлена органо-гли-нистыми комплексами плотностью > 2 г/см3 и размером < 1 мкм (Сил). Третья группа включает ОВ, оставшееся в почве после выделения первых двух фракций (Сост).

Органо-глинистые комплексы (ил) выделяли по методике М.Ш. Шаймухаметоваи К.А. Ворониной [11] — после предварительного диспергирования почвенной суспензии (1:10) ультразвуком в течение 15 мин. при выходной мощности генератора 180—200 Вт и частоте излучения 22 кГц. Легкие фракции плотностью 2,0 и 1,8 г/см3 были выделены с помощью бромоформ-этаноловой смеси (БЭС) после того, как из почвы удалили ил. ЛФ и илистые частицы являются составляющими водоустойчивых микроагрегатов размером 50—250 мкм, которые разрушаются в ультразвуковом поле. Масса остатка представлена микроагрегатами размером < 50 мкм, устойчивыми не только к воздействию воды, но и ультразвука [9]. Фракции <1,8 г/см3 с помощью сита были разделены на под-фракции размером > 50 и < 50 мкм, с тем чтобы отделить частицы, не входящие в состав микроагрегатов (> 50 мкм), от агрегированных (< 50 мкм). Обоснование этого способа было опубликовано ранее [8].

С целью выделения компонентов устойчивых микроагрегатов процедура диспергирования почвенной суспензии была продолжена. Однако после 45-минутного воздействия УЗ удалось выделить лишь незначительное количество илистой фракции.

Определение состава глинистых минералов илистой фракции было проведено рентген-дифрактомет-рическим методом, и результаты его опубликованы ранее [10]. Общий углерод и углерод органо-мине-ральных фракций определяли мокрым сжиганием по стандартной методике [1].

Результаты и их обсуждение

Анализ особенностей органо-минерального профиля почвы основан на данных, приведенных в табл. 1—4. Более 50% массы верхнего горизонта почвы составляют легкие фракции плотностью < 2 г/см3 (табл. 1). Около 80% массы этих фракций имеет плотность <1,8 г/см3 и представляет собой порошок черного цвета, по консистенции сходный с сажей. Размер частиц основной массы фракции (более 75%) — < 50 мкм. Они являются составляющими микроагрегатов. Частицы ЛФ > 50 мкм неоднородны по размеру и находятся в свободном состоянии (ЛФсв).

Концентрация углерода во фракции плотностью <1,8 г/см3 равна 18,65% (табл. 2), а его общее количество составляет 9,37% от массы почвы (табл. 3). Содержание углерода во фракциях плотностью 1,8—2,0 г/см3 существенно ниже и в пересчете на почву в целом составляет 0,5%. Таким образом, общий уровень содержания углерода в составе легких фракций — около 10% от массы почвы, а более 90% его массы сконцентрировано во фракции плотностью < 1,8 г/см3.

Концентрация углерода в составе легких фракций верхнего горизонта темногумусовой почвы не выходит за пределы величин, характерных для зональных почв Русской равнины. Однако общий уровень его накопления в несколько раз превышает таковой, характерный для автоморфных почв [7]. В гор. С легкие фракции не были обнаружены, что соответствует характеру их распределения в зональных почвах таежной зоны. Органо-минеральные фракции этой почвы представлены лишь органо-глинистыми частицами размером < 1 мкм. Масса легкодиспергируемого ила, выделенного после 15-минутной ультразвуковой обработки суспензии почвы из слоя 8—48 см, составляет 18,33%. Его профильное распределение имеет элювиально-иллювиальный характер с максимумом в средней части профиля (табл. 1).

Максимум концентрации углерода во фракции легкодиспергируемого ила (10,29%) и его общее содер-

Таблица 1

Распределение массы фракций, % от массы почвы

Горизонт, Легкие фракции разной плотности, г/см3 Илистые фракции < 1мкм Остаток

глубина, см < 1,8 1,8—2,0 < 2,0 легкодиспер-гируемая (лд) труднодиспер-гируемая (тд) сумма

Аи 8—48 49,70 7,14 56,8 18,33 1,00 19,33 23,83

С 48—70 — — — 26,20 3,40 29,60 70,40

СЕ 70—100 — — 23,30 3,96 27,28 72,72

Таблица 2

Содержание углерода во фракциях, % от массы фракций

Горизонт, Слф С ил С ^ост

глубина, см < 1,8 1,8—2,0 С ^лд С Мд

Аи 8—48 18,65 7,50 10,20 4,58 0,48

С 48—70 — — 1,05 0,87 0,71

СЕ 70—100 — — 0,75 0,69 0,20

жание (около 2%) приходится на гумусово-аккумуля-тивный горизонт. В гор. С и Се содержание углерода резко уменьшается. Содержание труднодиспергиру-емого ила в почве невелико (1—4%) и, в отличие от легкодиспергируемого, увеличивается от поверхности к почвообразующей породе. Концентрация углерода в его составе вдвое ниже, чем в составе легкогид-ролизуемого ила, и вниз по профилю уменьшается. Концентрация углерода в остатке почвы после выделения из него легких и илистых фракций и его общее содержание незначительны (табл. 2, 3).

На основании полученных материалов составлена таблица долевого участия углерода основных орга-но-минеральных фракций, выделенных из темногу-мусовой почвы (табл. 4). Около 85% массы углерода гумусово-аккумулятивнного горизонта сосредоточено в ЛФ, которая включает не полностью гумифици-рованные остатки органического опада. Около 16% углерода связывают илистые частицы (в основном легкогидролизуемый ил), а на долю остатка приходится около 1%. В нижележащих горизонтах масса углерода распределена между илистыми частицами и остатком почвы после его выделения.

Таблица 4

Распределение углерода по фракциям почвы, % от

Горизонт, глубина, см Собщ, % Слф С ил С ост

С лд С тд сумма

АИ 8—48 11,91 83,14 15,75 0,02 15,77 1,09

С 48—70 0,81 — 34,60 3,70 38,30 61,70

СЕ 70—100 0,40 — 42,50 7,50 50,00 50,00

Исходя из изложенной выше интерпретации данных гранулоденсиметрического фракционирования органическое вещество гор. Аи темногумусовой поч-

вы практически полностью входит в состав крупных (50—250 мкм) водоустойчивых микроагрегатов. Полагают [13], что водоустойчивость такого рода микроагрегатов объясняется тем, что цементирующим их агентом являются полисахариды микробного происхождения.

С целью оценки своеобразия темногумусовой почвы и его объяснения составлена таблица (табл. 5), в которой параллельно с данными, характеризующими ее гумусовое состояние, приведены соответствующие характеристики для зональных (дерново-подзолистой и серой лесной) почв, а также глинисто-минералогические свойства илистых фракций.

Следует отметить аномально высокий уровень накопления ОВ в гумусовом горизонте темногумусовой почвы, в 3—4 раза превышающий его суммарное содержание в автоморфных почвах южнотаежной подзоны. Важно и то, что суммарное количество фракций — носителей органического вещества превышает 75%. В дерново-подзолистой и серой лесной почвах доля фракций — носителей ОВ меньше 20—25% (табл. 5). Это означает, что верхний горизонт темно-гумусовой почвы — органогенный.

Необычна и картина распределения составляющих гумусового горизонта. Около 85% органического вещества сконцентрировано в ЛФ, что существенно больше, чем в автоморфных лесных почвах (табл. 5). Большая часть его (около 80%) представляет собой тонкодисперсный (размером < 50 мкм) порошок черного цвета. Практически вся оставшаяся часть ОВ почвы (около 16%) прочно связана с илистыми частицами. Черный цвет этих частиц, отличающий их от соответствующей фракции почв зонального типа, обусловлен высоким уровнем концентрации углерода (больше 10%). В остатке почвы, масса которого не превышает 25% (табл. 1), содержится около 1% углерода от его общего количества в почве.

Таким образом, органическое вещество темногумусовой почвы сконцентрировано в двух фракциях: ЛФ, содержащей органические остатки, которые, судя по размеру и окраске частиц, в значительной степени гумифицированы, и органо-глинистой с высоким содержанием гумуса. Обе фракции являются составляющими крупных водоустойчивых микроагрегатов, которые абсолютно преобладают в почве. Интенсивно черная окраска органо-минеральных фракций и их преобладание объясняют черную окраску гумусового горизонта в природных условиях.

Проанализируем причины аномально высокого уровня аккумуляции органического вещества в гумусовом горизонте темногумусовой почвы и особенностей его распределения по фракциям. С этой целью обратимся к данным выполненного ранее статистического анализа закономерностей гумусонакопления в автоморфных почвах Русской равнины [7]. Установ-

Таблица 3

Содержание углерода во фракциях, % от массы почвы

Горизонт глубина, см Слф С ил С ост С ^общ

<1,8 1,8—2,0 < 2,0 С лд С тд сумма

АИ 8—48 9,37 0,54 9,91 1,86 0,02 1,88 0,12 11,91

С 48—70 — — — 0,28 0,03 0,31 0,57 0,88

СЕ 70—100 — — — 0,17 0,03 0,20 0,20 0,40

Таблица 5

Распределение углерода органо-минеральных фракций из гумусово-аккумулятивных горизонтов темногумусовой и зональных лесных почв южно-таежной подзоны

Почва Мощность горизонта, см Масса ила, % от массы почвы Содержание смектита, % от массы фракции Концентрация углерода в иле, % от массы фракции с ^общ> % от массы почвы Неустойчивые микроагрегаты Устойчивые микроагрегаты

Слф С с ^ост

Темногумусовая 40 18,0 90,0 10,2 11,9 9,91

Зональные:

дерново-подзолистая 11 7,0 15,0 3,5 3,4 2,11

серая лесная 6 15,0 8,0 8,1 4,0 2,56

Примечание. В скобках приведены примерные величины, характеризующие вклад фракций (%) в Со6щ.

лено, что уровень накопления углерода во фракциях, не связанных с илом (Слф), регулируется главным образом параметрами биоклиматической обстановки, а в илистой фракции (Сил) — свойствами почвооб-разующих пород. Было показано, что уровень аккумуляции углерода легкой фракции в поверхностных горизонтах почв естественных ценозов связан прямо пропорциональной зависимостью с уровнем накопления мортмассы, периодом биологической активности. Для сравниваемых почв они, очевидно, одинаковы. Поэтому для понимания различий в содержании Слф в темногумусовой и зональной почвах наиболее существенными являются два фактора: накопление мортмас-сы и влагообеспеченность. Аномально высокий уровень содержания носителей органического вещества, особенно свободного, не связанного с илистой фракцией, очевидно, отражает наличие в прошлом условий, сдерживающих процесс минерализации—гумификации опада. Исходя из этого и учитывая не свойственную зональным почвам большую мощность гумусового горизонта, в котором более 80% приходится на углерод ЛФ, вполне резонно предположить, что современная темногумусовая почва изначально сформировалась и функционировала в условиях глубокого гидроморфизма. Аналогичные выводы были сделаны при мезоморфологическом изучении органопрофиля характеризуемого разреза, включая лесную подстилку, результаты которого опубликованы ранее [2].

Рассмотрим причины различий в уровне аккумуляции углерода, связанного с илистыми частицами, выделенными из темногумусовой и автоморфных почв. Как указывалось выше, концентрация углерода в илистой фракции почв автоморфных позиций и ландшафтов регулируется составом глинистых минералов почвообразующих пород, на которых они сформированы. На основании статистического анализа было установлено, что концентрация углерода в этих фракциях находится в обратно пропорциональной зависимости от содержания в них минералов смектито-вого типа. Эта зависимость подтверждается данными, полученными для дерново-подзолистой и серой лесной почв, и не подтверждается для темногумусовой почвы (табл. 5). Концентрация углерода в илистой фракции почв автоморфных позиций, сформирован-

ных на породах в основном монтмориллонитового состава, колеблется около 2%. Это дает основание предположить, что причина избыточной аккумуляции углерода в илистой фракции этой почвы обусловлена не только минералогическим составом, но и, по-видимому, также кроется в существовавших в прошлом условиях глубокого гидроморфизма. Это косвенно подтверждается данными, полученными одним из авторов [2]. Они свидетельствуют о том, что при наличии признаков гидроморфизма концентрация углерода в илистой фракции почв, сформированных на генетически однородных породах, превышает уровень, обусловленный их минералогическим составом.

Заключение

Выявленные свойства темногумусовой почвы свидетельствуют об изначальном их формировании в условиях глубокого гидроморфизма. На это указывают: а) большая толща гумусового горизонта; б) аномально высокое содержание органического вещества, не свойственное поверхностным горизонтам автоморфных зональных почв; в) абсолютное преобладание в составе ЛФ не полностью гумифицированого опада; г) высокая концентрация углерода в илистой фракции. Наличие признаков гидроморфизма является следствием былой обводненности всей территории, в пределах которой обнаруживаются подобные почвы. Весьма вероятно, что их эволюция в автоморф-ную фазу развития происходила очень постепенно, так как в случае быстрого осушения произошла бы интенсивная минерализация накопленного органического вещества, что не позволило бы диагностировать его в таком количестве в настоящий момент. Одним из последствий такой постепенной эволюции явилось закрепление углерода в дерновом горизонте. Дополнительным фактором, подкрепляющим аргументы в пользу предположения смены бывшего гид-роморфного режима на современный автоморфный, являются высказываемые геоморфологами указания на тенденцию к поднятию описываемой территории в голоцене, продолжающемуся и в настоящее время [4, 6], что, несомненно, могло способствовать постепенной эволюции почвы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970.

2. Богатырёв Л.Г., Иванов А.В., Матышак Г.В., Степанов A.A. Особенности формирования органопрофиля тем-ногумусовых почв северо-востока Костромской области // Лесоведение. 2006. № 3.

3. Вадюнина А.Ф., Карчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973.

4. Кобозев Н.С., ХабаковА.В. Происхождение Северных Увалов // Записки Рос. минерал. общества. Ч. LX. 1931. № 1.

5. Кром И.И. Геологическое строение и условия слан-ценосности среднего течения р. Унжи в северо-восточной части 71 листа // Вопросы общ. геологии. Л., 1933.

6. Спиридонов А.И. Геоморфология европейской части СССР. М., 1978.

7. Травникова Л.С. Закономерности гумусонакопле-ния: новые данные и их интерпритация // Почвоведение. 2002. № 7.

8. Травникова Л.С., Артемьева З.С. Физическое фракционирование органического вещества почв с целью изу-

чения его устойчивости к биодеградации // Экология и почвы: Избр. лекции 10-й Всеросс. школы. Т. 4. Пущино, 2001.

9. Травникова Л.С., Рыжова И.М., Силёва Т.М., Буря-кова Ю.В. Исследование органического вещества черноземов Приволжской лесостепи методами физического фракционирования // Почвоведение. 2005. № 4.

10. Чижикова Н.П., Иванов А.В., Кучмар Н.М. Минералогия почв на отложениях триасового возраста // Бюл. почвенного ин-та им. В.В. Докучаева. Вып. 65. М., 2010.

11. Шаймухаметов М.Ш., Воронина К.А. Методика физического фракционированя органо-глинистых комплексов с помощью лабораторных центрифуг // Почвоведение. 1972. № 8.

12. Шаймухаметов М.Ш., Травникова Л.С. Способ извлечения из почвы поглощающего комплекса. Авт. свид-во № 1185238.

13. Oades J.M., Waters A.C. 1991. Aggregete hierarchy in soils // Austral. J. Soil Res. 1991. Vol. 29.

Поступила в редакцию 27.04.2013

THE SPECIFICS OF THE ORGANIC MATTER OF ORIGINAL FOREST PHAEOZEMS OF NORTH-EAST OF KOSTROMA REGIONS

|L.S. Travnikoval, A.V. Ivanov

Soil organic matter of original Phaeozems of Kostroma region was investigated by the method of physical fractionation. Phaeozems were formed in automorphic position of Triasic age clay sediments. The distribution of carbon by fractions of organic matter pointed to the past hydromorphic stage of soils evolution. The hypothesis of modern formation soil organic profile was discussed.

Key words: soil organic matter, physical fractionation, hydromorphism.

Сведения об авторах

Травникова Лидия Сергеевна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаборатории химии и физи-кохимии почв Почвенного ин-та им. В.В. Докучаева РАСХН. Иванов Антон Валерьевич, канд. биол. наук, науч. сотр. каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-36-52; e-mail:anton.soil@mail.ru.