Энергозапасы почв и устойчивость экосистем техногенных ландшафтов юга Приморья

УДК 631.4 Л.Н. Пуртова

ЭНЕРГОЗАПАСЫ ПОЧВ И УСТОЙЧИВОСТЬ ЭКОСИСТЕМ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ ЮГА ПРИМОРЬЯ

Исследованы энергетические условия формирования почв техногенных ландшафтов на юге Приморья и влияние растительности на процессы гумусоонакопления. Показана связь между энергетическими параметрами растительного органического вещества, энергозапасов почв и устойчивостью экосистем.

Ключевые слова: техногенные ландшафты, растительность, фитомасса, почва, энергозапасы,

гумус.

L.N. Purtova

SOIL ENERGY RESERVE AND STABILITY OF THE SOUTH PRIMORYE TECHNOGENIC

LANDSCAPE ECOSYSTEMS

Energetic conditions of the technogenic landscape soil formation in the South of Primorye and vegetation influence on humus accumulation processes are researched. Relationship among vegetative organic matter energy parameters, soil energy reserves and ecosystem stability is show.

Key words: technogenic landscapes, vegetation, phytomass, soil, energy reserve, humus.

В настоящее время все большее внимание уделяется изучению процессов обмена вещества и энергии между растениями и почвой. Актуальность проведения таких исследований связана с проблемой рационального использования и охраны природных экосистем в условиях интенсивного антропогенного вмешательства и техногенных воздействий, ведущих к существенному изменению биологического круговорота и экологической обстановки в целом. Мощный прессинг техногенных воздействий, к которым относится добыча полезных ископаемых, в значительной мере разрушает почвенно-растительный покров, нередко приводя к его полному уничтожению. Основная роль растений в процессах почвообразования состоит в накоплении запасов энергии на поверхности земли, способной к дальнейшим превращениям в почве и представляющий непосредственно поступающий энергетический резерв [6]. По мере развития почвообразовательного процесса в фазу посттехногенного развития экосистем и интенсивности проявления процессов гумусо-образования происходит формирование более устойчивого энергетического резерва, связанного с содержанием гумуса и термодинамически более стабильными гумусовыми веществами почв. По образному выражению В.А. Ковды, почвенный покров и особенно гумусовая оболочка суши является общепланетарным аккумулятором и распределителем энергии, прошедшей через фотосинтез растений и универсальным экраном, удерживающим в биосфере биофильные элементы [8]. Исследованиями С.А. Алиева [1] установлено, что в почве накапливается огромное количество энергии в виде почвенного гумуса, остатков отмирающей растительности и плазмы микроорганизмов. Благодаря этому почва является основным энергоносителем, обладающим значительными запасами энергии, с которой связан характер и интенсивность протекания биологических процессов.

В зависимости от складывающихся соотношений между энергетическими потоками, поступающими с опадом и суммарной энергии аккумулированной в опаде и гумусе почв, судят о стабильности экосистем техногенных ландшафтов. Устойчивые экосистемы характеризуются меньшим потоком энергии, приходящейся на единицу биомассы, и более низкими показателями коэффициента стабильности, чем выше коэффициент стабильности, тем они удаленнее от стационарного состояния [15]. Изучение энергетических показателей, связанных с органическим веществом растительного происхождения и гумусом почв техногенных ландшафтов юга Приморья в период их посттехногенной эволюции, не проводилось. В связи с этим целью ра-

боты явилось исследование изменений в энергетических параметрах растительного органического вещества и гумуса почв в ходе эволюции посттехногенных экосистем. В задачи исследований входило:

1. Исследовать энергетические показатели почв и установить соотношение поступления энергии с надземной, подземной частями растительности и мортмассы.

2. С учетом поступления энергии с растительным веществом, энергии, аккумулированной в почве, и изменений в протекании процессов гумификации оценить стабильность техногенных экосистем в различный временной период их формирования.

Объект и методы исследований

Объект исследований - почвы и растительность, сформированные на отвальных породах Павловского угольного разреза (юг Приморья) в период различной временной посттехногенной стадии их развития: 2, 3 года и 8, 13, 18 лет. Почвы, по классификации [3], представлены следующими типами эмбриоземов: инициальные, органо-аккумулятивные, дерновые и гумусово-аккумулятивные. Определение гумуса проводили по методу Тюрина [2], фракционно-групповой состав по Пономаревой-Плотниковой [11]. Для характеристики протекания разных стадий процесса гумификации использованы показатели, предложенные М.Ф. Овчинниковой [10]: для оценки интенсивности процесса новообразования гуминовых кислот и формирования их подвижных форм - соотношение гуминовых кислот 1-й фракции с соответствующими фракциями фульвокислот (Сгк-1/Сфк-1); для оценки интенсивности процесса полимеризации гумусовых структур и формирования гума-тов - Сгк-2/Сфк-2. Запасы фитомассы и общие запасы растительного органического вещества определены по методике, разработанной Н.И. Базилевич, А.А. Титляновой с соавторами [4]. Общую биомассу корней (живые + отмершие корни) травянистых растений (подземная часть фитомассы) учитывали методом Шалыта [7] путем отбора монолитов (размером 25x25 см) с последующей ручной отмывкой водой на ситах: верхнее сито с ячейками 2x2 мм, на котором остаются крупные корни, нижнее более частое сито с ячейками

0,25x0,25 мм, на нем остаются более мелкие корни, в трехкратной повторности, на глубину корнеобитаемого слоя растений, с дальнейшим подсушиванием до воздушно-сухого состояния и взвешиванием. Мортмасса

- мертвое растительное органическое вещество, отбиралась на поверхности почв. Площадь рамки 1м2. Запасы энергии, связанной с содержанием гумуса, рассчитаны по формуле Д.С. Орлова, Л.Н. Гришиной [11], затраты энергии на почвообразование определены по В.Р. Волобуеву [5]. Энергетические показатели - запасы энергии связанной с растительным органическим веществом, определялись с учетом запасов фитомассы с вводом коэффициента пересчета на энергетические показатели [5], коэффициент эффективности использования радиационной энергии биогеоценозом определены по методике, предложенной Л.А. Гришиной [6] . Коэффициент стабильности техногенных систем рассчитан по [15].

Результаты и обсуждения

Согласно схеме гидротермического районирования, район исследований относится к Приханкайской гидротермической провинции и входит в юго-западный округ [14], для которого свойственно теплое и дождливое лето со значительным выпадением годового количества осадков (до 700 мм). Сумма активных температур достигает 2450-2500°С . Затраты энергии на почвообразование 30,6 ккал/см2 год [13]. При добыче угля открытым способом на поверхность выносятся тяжелые глинистые и песчано-галечниковых породы, которые заселяются растительностью и подвергаются процессам выветривания и почвообразования.

На участке отвала двухлетнего возраста растительность представлена отдельными представителями семейств злаковых и астровых. Это тимофеевка луговая (Phleum prantense L.) и полынь Арги (Artemisia argyi Levl.et Vaniot). Основной вклад в формирование энергетического запаса наземной части растительного органического вещества вносит полынь Арги (102,0 Кдж/м2). Прирост растительной массы и затраты энергии на биологические процессы весьма низкие. Мортмасса на этих участках и гумус в формирующихся почвах не накапливаются (табл.1). Для начальных стадий становления фитоценозов в техногенных ландшафтах свойственны низкие показатели эффективности использования радиационной энергии, а также энергетические запасы растительного органического вещества (табл.2).

Таблица 1

Изменение ежегодного прироста растительной массы и затрат энергии на биологические процессы

в техногенных ландшафтах Приморья

Возраст отвала Прирост растительной массы, т/га в год Затраты энергии на биологические процессы, Кдж/см2 год

2 года 0,06 0,4

3 года 2,52 17,7

8 лет 2,75 19,3

13 лет 3,10 22,0

18 лет 2,00 14,1

Таблица 2

Годичная скорость накопления энергии и показатель эффективности использования радиационной

энергии (Кэф) биогеоценозом

Возраст отвала Фитомасса Мортмасса (надземная) Почва Кэф

надземная подземная

Кдж/м2

З года 153 135 1308 4229 0,27

8 лет 604 129 651 2742 0,48

їЗ лет 330 332 180 1896 0,51

ї8 лет 187 69 31 7566 2,06

Соотношение энергетических параметров надземной и подземной частей фитомассы составляет 2:1. На отвалах трехлетнего возраста состав растительности становится более разнообразным, в него входят представители семейств бобовых и астровых, а в растительном покрове доминирует хвощ луговой (Equise-tum pratense L), который вносит основной вклад в формирование энергетических параметров растительного органического вещества (4512,9 Кдж/м2). Прослеживается увеличение прироста растительной массы и затрат энергии на биологические процессы. На поверхности формирующихся почв фрагментарно накапливается мертвое органическое вещество (мортмасса). В составе фитомассы по-прежнему преобладает надземная часть. Количественное соотношение надземной и подземной частей увеличивается до 11,7, а соотношение энергетических параметров надземной, подземной частей фитомассы и мортмассы от общего энергетического запаса растительного органического вещества соответствует 1,4:1:9,7. В таких энергетических условиях происходит формирование эмбриоземов инициальных, для которых свойственны очень низкие показатели энергозапасов и высокие параметры соотношения затрат энергии на почвообразование к запасам энергии, аккумулированной в гумусе почв (Q1/ Ог = 99). Процессы гумусообразования развиты слабо [9]. Содержание гумуса, согласно оценочным градациям, предложенным Д.С. Орловым с соавторами [12], очень малое (0,21 %). Коэффициент относительной устойчивости ландшафтов (Кн2), рассчитанный через соотношение энергии аккумулированной в мортмассе к суммарной энергии мортмассы и гумуса (в слое 0-20 см), высокий (табл. 3) и по числовым значениям близок к Кн1 - отношение энергии, аккумулированной в мортмассе, к суммарной энергии, аккумулированной в растительном органическом веществе и гумусе в слое 0-20 см. Все это характеризует крайне нестабильное состояние экосистем на начальной (инициальной) стадии формирования почв.

На восьмилетних отвалах в формирование энергетического запаса растительного органического вещества основной вклад вносят полынь Арги (Artemisia argyi Levl et Vaniot) - 1880,6 Кдж/см2 и клевер гибридный (Trifolium hybridum L ) - 1620,2 Кдж/см2. Прирост растительной массы и затраты энергии на биологические процессы возрастают до 2,75 т/га и 193 Кдж/см2. Происходят изменения в структуре фитомассы - снижается соотношение надземной и подземной частей фитомассы (4,7). За счет существенного увеличения в структуре фитомасы подземной ее части и мортмассы возрастает суммарный энергетический запас, а также эффективность использования радиационной энергии биогеоценозами (табл. 2-3). Соотношение между энергетическими параметрами надземной, подземной частями фитомассы и мортмассы изменяется и составляет 4,7:1:5,1, т.е. доля поступления энергии с наземной растительностью, по сравнению с трехгодич-

ными отвалами, несколько сокращается и увеличивается количество энергии, привнесенной с мортмассой и подземной частью фитомассы. Наблюдается увеличение энергозапасов почв, связанных с содержанием гумуса, но при этом количество гумуса в поверхностных горизонтах достигает уровня очень малых значений (до 0,63%). Числовые значения коэффициента стабильности экосистемы по-прежнему весьма высокие, что характеризует явно нестабильное их состояние. В связи с возрастание энергозапасов почв несколько уменьшается соотношение О1/Ог (до 56,4). В таких условиях происходит формирование эмбриоземов орга-но-аккумулятивных с фульватным типом гумусообразования (Сгк/Сфк =0,68), в которых более выражена стадия новообразования гуминовых кислот Сы/Сфк-1=1,70, тогда как Сгк-2/Сфк-2 = 1,23.

На тринадцатилетних отвалах основной вклад в формирование энергетического запаса, связанного с растительным органическим веществом, вносят представители семейства бобовых (клевер гибридный -Trifolium hybridum L.) - 1507,0 Кдж/м2 и злаковых (вейник наземный - Calamagrostis epigeios (L.) Roth) -1282.5 Кдж/м2. Прирост растительной массы и затраты энергии на биологические процессы увеличиваются до 3,10 т/га и 22 Кдж/см2 год. Однако показатель эффективности использования радиационной энергии по-прежнему остается низким. Соотношение между энергетическими параметрами надземной, подземной частями фитомассы и мортмассы составляет 1,8:1,8:1. Усиливается скорость накопления энергии, связанной с органическим веществом подземной фитомассы, и сокращается привнос энергии с мортмассой. В таких условиях формируются эмбриоземы дерновые, для которых свойственно наличие горизонта Адерн. Экосистемы в этот период переходят в более стабильное состояние, что проявляется в снижении показателей О1/Ог и коэффициента их стабильности. Количество гумуса соответствует уровню малых значений (1,11%). Гумусообразование протекает по гуматно-фульватному типу (Сгк/Сфк=0,83) с явно выраженной стадией новообразования гуминовых кислот (Сы/сфки = 2,35, Сгк-2/Сфк-2 = 1,01). Значительное поступление лабильных органических веществ (подвижных гумусовых соединений), из-за усиления процессов трансформации органического вещества микрофлорой, на наш взгляд, обусловило более существенное возрастание прироста растительной массы по сравнению с ранее рассмотренными отвалами.

Таблица 3

Энергетические показатели растительной массы, почв и коэффициенты стабильности

техногенных экосистем Приморья

Возраст отвала Почва Энергетический запас растительной массы, Кдж/м2 Энергозапас почв, Кдж/м2 в слое 20 см Суммарный энергетический запас почв и растительной массы, Кдж/м2 Кн1 Кн2 Q1/ Ог

Надземная часть Подземная часть (общая биомасса корней) Морт- масса (надзем- ная) Суммарный энергетический запас растительной массы

2 года Эмбриозем инициальный 113,7 39,3 - 153,0 - 153,0 - - -

3 года Эмбриозем инициальный 4605,2 403,8 3923,4 5009,0 12686 17965,0 22,2 23,6 99,0

8 лет Эмбриозем органо- аккумулятивный 4831,2 1033,8 5207,1 11072,1 21939 33011,1 18,7 19,2 56,4

13 лет Эмбриозем дерновый 4301,1 4320,0 2340,6 10961,6 24660 35662,0 7,0 8,7 51,9

18 лет Эмбриозем гумусово- аккумулятивный 3366,3 1235,5 559,7 5160,7 136197 141358,0 0,4 0,4 9,4

Примечание. Кн1 - отношение энергии, аккумулированной в мортмассе, к суммарной энергии, аккумулированной в растительном органическом веществе и гумусе, в слое 0-20см; Кн2 - отношение энергии, аккумулированной в мортмассе, к суммарной энергии, аккумулированной в мортмассе и гумусе; Q1/ Qг - соотношение затрат энергии на почвообразование к энергии, аккумулированной в гумусе почв ^г). - - мор-тмасса не накапливается.

На восемнадцатилетних отвалах основным поставщиком энергии с растительным органическим веществом являются представители семейства бобовых (Trifolium hybridum L.) - 2199,0 Кдж/см2. Количество энергии, связанное с мортмассой, сокращается. Вероятно, это происходит из-за возрастания интенсивности разложения растительных остатков микрофлорой. Высвобождение органических соединений ведет к усилению процессов гумусонакопления и увеличению энергозапасов почв. Прирост растительной массы и затраты энергии на биологические процессы уменьшаются (табл. 2). Соотношение энергетических показателей надземной, подземной частей фитомассы и мортмассы соответствует 6:2:1. Коэффициент эффективности использования радиационной энергии биогеоценозом увеличивается, снижается годичная скорость накопления энергии в растительном органическом веществе, а также коэффициент устойчивости экосистем (табл. 2, 3). В таких условиях формируются эмбриоземы гумусово-аккумулятивные, в которых более интенсивно протекает гумусообразовательный процесс. Мощность гумусового горизонта достигает до 5 см, с содержанием гумуса до 7,98 %, что соответствует уровню средних значений. При этом значительно возрастают показатели энергозапасов почв и резко уменьшаются параметры Q1/Qr, что явно подтверждает более интенсивный процесс гумусонакопления. Гумусообразование протекает по фульватно-гуматному типу (СГК/СФК=1,05). По сравнению с эмбриоземами дерновыми в эмбриоземах гумусово-аккумулятивных несколько снизилась интенсивность протекания стадии новообразования гуминовых кислот (Сгк-1/Сфк-1 =1,35), усилилась стадия их полимеризации и поликонденсации (Сгк-2/Сфк-2 =1,18), свидетельствуя о переходе гумусовой системы в более устойчивое равновесное состояние. Установлена тесная связь между параметрами Q1/Qr и Кн (r=+0,92). Следовательно, по мере развития гумусообразовательного процесса и увеличения энергозапасов почв возрастает устойчивость экосистем техногенных ландшафтов.

Заключение

На начальных этапах самозарастания отвалов вскрышных пород на юге Приморья экосистемы характеризовались низкими показателями эффективности использования радиационной энергии. Для формирующихся в этот период почв - инициальных эмбриоземов, свойствененны весьма низкие показатели энергозапасов и высокие значения Q1/Qr и Кн, что характеризовало неустойчивое экологическое состояние почв и экосистем. По мере удлинения временной стадии посттехногенного развития почв и увеличения в видовом составе представителей семейств бобовых и злаковых усиливаются интенсивность использования энергии биогеоценозом и проявление гумусообразовательного процесса. Энергозапасы почв, связанные с содержанием гумуса, несколько возрастали, уменьшалось соотношение Q1/Qr. В таких условиях формировались эмбриоземы органо-аккумулятивные с фульватным типом гумусообразования. На тринадцатилетних отвалах соотношение между энергетическими показателями надземной и подземной частями фитомассы оставалось практически одинаковым. Поступление энергии с мортмассой сокращалось, и формировались эмбриоземы дерновые с гуматно-фульватным типом гумуса с явно выраженной стадией новообразования гуминовых кислот. Коэффициент стабильности экосистем при этом снижался, что указывало на их переход в более устойчивое состояние. На восемнадцатилетних отвалах в видовом составе растительности явно преобладали представители семейства бобовых. Эффективность использования солнечной энергии биогеоценозами значительно возрастала. Соотношение энергетических показателей надземной, подземной фитомасссы и мортмассы составило 6:2:1. Формировался гумусовый горизонт со средним содержанием гумуса и его энергозапасами. Гумусообразовательный процесс протекал более интенсивно по фульватно-гуматному типу. При этом несколько снизилась интенсивность протекания стадии новообразования гуминовых кислот и усилилась стадия их полимеризации и поликонденсации. Об активизации процессов гумусонакопления и переходу в более стабильное состояние экосистем свидетельствовало также резкое снижение показателей Q1/Qr и Кн.

Литература

1. Алиев С.А. Энергетика почвообразования. - Новосибирск, 1985. - 36 с.

2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Изд-во МГУ,1970. - 480 с.

3. Андроханов В.А., Куляпина Е.Д., Курачев В.М. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция. -

Новосибирск , 2004. - 151 с.

4. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах / Н.И. Базилевич,

А.А. Титлянова, В.В. Смирнов [и др.]. - М.: Мысль, 1978. - 183 с.

5. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. - М.: Наука, 174. - 121 с.

6. ГоишинаЛ.А. Биологический круговорот и его роль в почвообразовании. - М.: Изд-во МГУ, 1974. - 127 с.

7. Гришина Л.А., Самойлова Е.М. Учет биомассы и химический анализ растений. - М.: Изд-во МГУ, 1971.

- 97 с.

8. Ковда В.А. Роль и функции почвенного покрова в биосфере Земли. - Пущино, 1985. - 9 с.

9. Комачкова И.В., Пуртова Л.Н. Состав гумуса почв, формирующихся на отвалах вскрышных пород Павловского угольного разреза при естественном зарастании // Вестн. КрасГАУ. - 2010. - №1. - С. 38-42.

10. Овчинникова М.Ф. Особенности трансформации гумусовых веществ дерново-подзолистых почв при агрогенных воздействиях // Вестн. МГУ. - 2009. - Сер. почвоведение. - № 1. - С. 12-18.

11. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 376 с.

12. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Розанова М.С. Дополнительные показатели оценки гумусного состояния почв и их генетических горизонтов // Почвоведение. - 2004. - №4. - С. 918-926.

13. Пуртова Л.Н., Костенков Н.М. Содержание органического углерода и энергозапасы в почвах природных и агрогенных ландшафтов юга ДВ России. - Владивосток, 2009. - 123 с.

14. Степанько А.А. Агрогеографическая оценка земельных ресурсов и их использование в районах Дальнего Востока. - Владивосток, 1992. - 115 с.

15. Гумусообразование в техногенных экосистемах / С.С. Трофимов, Н.Н. Наплекова, ЕР. Кандрашин [и др.]. -Новосибирск, 1986. - 163 с.

УДК 631.4 (571.513) В.В. Чупрова, ГД. Рудакова

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЧВ ПРИОЗЕРНОЙ КОТЛОВИНЫ ШИРИНСКОЙ СТЕПИ

Представлена сравнительная оценка морфологических, химических и биологических свойств почв в рекреационной приозерной (озеро Тус) зоне Ширинской степи.

Ключевые слова: трансект, почва, классификация, рекреация, генетический профиль, морфология, почвенные процессы, химические свойства, биологическая активность.

V.V. Chuprova, G.D. Rudakova SOIL KEY PARAMETERS IN THE SHIRINSKAYA STEPPE LAKESIDE HOLLOW

Comparative estimation of the morphological, chemical and biological soil properties in the Shirinskaya steppe recreational lakeside (Tus lake) zone is given.

Kew words: transect, soil, classification, recreation, genetic profile, morphology, soil processes, chemical properties, biological activity.

Природные экосистемы в приозерных котловинах Ширинской степи испытывают сильное рекреационное воздействие. Уникальные свойства озерной воды, живописные ландшафты, жаркий климат и чистый воздух сделали эти котловины местом массового отдыха горожан и сельчан. Оздоровительные свойства только одного озера Тус используют ежегодно более 250 тыс. человек. Прогнозирование происходящих изменений в таких экосистемах основывается на оценке современного состояния эколого-биологической характеристики растительности и морфогенетических свойств почв. Цель данного сообщения - дать оценку современного состояния почв по морфологическим, химическим и биологическим свойствам в рекреационной приозерной (озеро Тус) зоне Ширинской степи.