Углерод темно-серых почв и материнских суглинков под дубравами лесостепных водоразделов

продукционный процесс и структура деревьев, древесины и ДРЕВОСТОЕВ

Условия произрастания насаждений. - Воронеж: ВГУ, 1976. - С. 56-77.

3. Орлов, А.Я. Распределение корней дуба в связи с кислородным режимом почв пойменной дубравы / А.Я. Орлов, В.В. Иванов // Лесоведение. - 1990. - № 5. - С. 32-38.

4. Танфильев, Г.И. Пределы лесов на юге России / Г.И. Танфильев. - СПб: Мин. земледелия и гос. имуществ, 1894. - 176 с.

5. Сычева, С.А. Многовековая ритмичность почво- и рельефообразования на Среднерусской возвышенности в голоцене / С.А. Сычева // Известия АН. Сер. географическая. - 2002. - № 3. - С. 87-97.

6. Романовский, М.Г. Русловый процесс и формирование рельефа поймы р. Хопра / М.Г. Романовс-

кий, Е.В. Раева // Вестник ВГУ Серия: География, геоэкология. - 2005. - № 1. - С. 89-95.

7. Нескрябина, Е.С. О временных изменениях растительного покрова внутрипойменных сегментов в Хоперском заповеднике / Е.С. Нескрябина // Состояние особо охраняемых лесных территорий европейской части России. Сб. научн. статей. - Воронеж: МПР, 2005. - С. 169-173.

8. Енькова, Е.И. Теллермановский лес и его восстановление / Е.И. Енькова. Воронеж: ВГУ, 1976.

- 214 с.

9. Чернов, А.В. Речные поймы, их происхождение, развитие и оптимальное использование / А.В. Чернов // Соросовский образовательный журнал.

- 1999. - № 12. - С. 47-53.

УГЛЕРОД ТЕМНО-СЕРЫХ ПОЧВ И МАТЕРИНСКИХ СУГЛИНКОВ ПОД ДУБРАВАМИ ЛЕСОСТЕПНЫХ ВОДОРАЗДЕЛОВ

М.Г. РОМАНОВСКИЙ, зам. директора по науке Института лесоведения РАН, д-р биол. наук, Т.Н. СУДНИЦЫНА, Институт лесоведения РАН,

В.В. МАМАЕВ, Институт лесоведения РАН

Темно-серые почвы лесных водоразделов в южной лесостепи хранят примерно

1,5 тыс. тС/га биогенного углерода, депонированного в гумусе и СаСО3 в толще днепровских суглинков 0-10 м. На глубинах 5-6 м и

8-9 м гумусированные слои образованы в основном опадом тонких поглощающих корней деревьев (прежде всего дуба черешчатого). Поглощающие корни приурочены к уровням концентрации влаги на пути ее 2,5-летней нисходящей миграции в грунтовые воды. Запасы почвенного углерода, по-видимому, сокращаются в течение последних 30-50 лет со скоростью около 3 тС/га в год.

Шурфовая раскопка корневой системы дуба черешчатого в нагорной дубраве Тел-лермановского леса (южная лесостепь Воронежской области), организованная В.В. Мамаевым [1, 2], показала, что корни деревьев опускаются здесь до 9-11 м, до капиллярной каймы грунтовых вод, лежащих на 11-13 м. У деревьев поздней формы Quercus robur L. var. tardiflora Czern. после 50-60 лет > 10 % общей массы корней диаметром < 1 мм находятся на глубинах 5-10 м. Это открытие потребовало более подробного исследования влажности глубоких горизонтов почвообразующих моренных суглинков. Изучая водный режим

нагорных дубрав, мы обратили внимание на темноокрашенный слой суглинков, прослеживающийся на глубине 5-6 м по всему водоразделу балок Малык и Крутец (рис. 1). Еще один гумусированный горизонт, о котором собраны лишь фрагментарные данные, лежит на 8-9 м глубины. Исследование этих слоев показало, что их темная окраска обусловлена повышенным содержанием гумуса, примерно таким же, как у соответствующих по цвету слоев почвы в основании гумусоаккумулятивного горизонта на глубине 0,7-0,9 м. В статье мы приводим описание «сверхглубокого» профиля углерода гумуса в нагорных дубравах и обсуждаем вероятные пути образования гумусированных горизонтов на глубинах 5-10 м. Дополненные оценками запасов С(СаСО3), наши данные дают представление об общем пуле углерода автоморфных лесных экосистем европейской лесостепи.

Исследования выполнены в нагорных снытьево-осоковых дубравах I -II классов бонитета на водоразделе балок, пересекающем лесной массив Теллермановского опытного лесничества Института лесоведения РАН (далее по тексту ТОЛ). Ясенедубравы 1-7 кварталов ТОЛ, в которых мы работали, сформировались на вырубках 1900-1930-х гг. [1, 3, 4].

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2007

103

продукционный процесс и структура деревьев, древесины и ДРЕВОСТОЕВ

0 г

S

СЗ

я

S

ю

к

1-4

5 -

10 -

А Б

Гумус Корни, г/м3

0 5 10 83

УГВ

I I более 1,0 %;

I I 0,5-0,7 %;

I I менее 0,4%;

средний уровень грунтовых вод (УГВ);

-----минимальный и максимальный УГВ

за 1972-2004 гг.

Рис. 1. Распределение тонких (0 < 1 мм) корней дуба черешчатого Quercus robur L. var tardiflora Czern. и гумусированных горизонтов, выделенных по цвету, в толще тяжелых суглинков под темно-серыми лесными почвами водоразделов: А - положение горизонтов с содержанием гумуса; Б - плотность тонких корней по 1-метовым слоям, г/м3 [2]

Образцы почвы брали ручным геологическим буром через 0,5 м до глубины 6,0-

6,5 м. Содержание гумуса было определено в образцах 2002 г. после воздушной сушки. Дополнительно использованы образцы, полученные в ходе предварительного исследования в 2001 г. и высушенные в термостате при 105 °С. Снижение концентраций гумуса после термической обработки позволило судить об участии в его составе легкоокисляемых нестабильных фракций.

Концентрацию гумуса определяли после полугода хранения образцов почвы. Содержание С в гумусе принято равным 57,5 % [5, 6].

Долю углерода С(СаСО3) устанавливали по потерям массы измельченными сухими образцами почвы после 25 мин протравливания их 10 % НС1.

Запасы углерода рассчитаны по слоям 0,5 м почвенного профиля от 0 м до 6 м (таблица). Необходимые для расчета запасов данные о плотности сложения почвы получены ранее И.Н. Васильевой в тех же выделах лесного фонда, где были собраны наши образцы

[7]. Для сопоставления с данными других исследований [6, 8] рассчитаны запасы С в толщах 0-1 м и 0-4 м.

Оценки содержания гумуса в почве, полученные нами после сушки, удаления растительных остатков, измельчения и хранения образцов, оказались значительно ниже установленных ранее [3, 4]. Наибольшие расхождения отмечены в поверхностных горизонтах. Так, на глубине 10 см выявлено 3-4 % гумуса против 6-8 % по данным 1950-1960-х гг. для тех же выделов ТОЛ [1, 3, 4].

В основании гумусоаккумулятив-

ного горизонта темно-серой лесной почвы под нагорными дубравами ТОЛ на глубине 0,8 ±0,1 м гумус составляет 0,6-0,8 % (до

1,6 %) абсолютно сухой массы почвы. В глубоких темно-окрашенных слоях материнских суглинков (5,5-6,0 м) содержание гумуса в отдельных образцах также достигает 1,6 %. В остальных горизонтах по профилю 1,0-6,5 м гумуса < 0,6 % (табл. 1). Интенсивность темной окраски суглинков на глубине 8-9 м, образцы которых мы извлекали в 1999 г. и в 2000 г., соответствует содержанию гумуса 1 % [6].

Сравнение содержания гумуса в образцах прошедших и не прошедших сушку при 105 °С показывает, что легкоокисляемых фракций гумуса почти нет под горизонтом А (глубина 1 м) и над глубоким корнеобитаемым слоем (глубина 4 м). Наибольшие потери гумуса при прокаливании образцов почвы (75 ^ 80 %) отмечены в горизонтах 6,0 м и

6,5 м (табл. 1). В следующем по глубине гумусированном горизонте на глубине 8-9 м мы не смогли взять образцы для анализа содержания гумуса, но учитывая то, что почвы в нем слегка оглеены, потери гумуса при прокаливании образцов ожидаются не менее 80 %.

104

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2007

продукционный процесс и структура деревьев, древесины и ДРЕВОСТОЕВ

Таблица

Содержание гумуса в почве, доля термостабильной фракции в составе гумуса

Глубина, см* Гумус, % Термостабильная фракция, % Запасы углерода, тС/га

гумус СаСО3

10 3,4—3,7 79—85 49,3—53,6 4—30

50 0,8—0,9 90** 34,3—35,5 40—73

100 0,5—0,6 г о о 21,2—23,3 43—112

150 0,5—0,6 80** 21,9—23,6 47—176

200 0,6 60 23,2—23,6 54—85

250 0,5—0,6 69** 22,0—23,7 52—79

300 0,5—0,6 78 22,4—23,6 50—80

350 0,5 89** 19,2—19,9 58—67

400 0,5—0,6 г о о 20,8—24,9 18—224

450 0,7 82 24,9—29,4 11—219

500 0,8—0,9 55 31,4—37,5 6—63

550 0,8—1,0 56—70 33,1—42,4 52—65

600 0,9—1,0 22 36,7—39,0 40—328

650 0,4—0,5 25*** 16,3—20,4*** —

Итого 377-420 649-1311

Примечание. Верхний образец 10±3 см - смешанный из прикопки. Остальные извлечены ручным буром. * Глубина от поверхности At (без учета А0); ** Интерполяция; *** Доля термостабильной фракции в составе гумуса по аналогии с 600 см принята 25 %.

В материнских суглинках 1-10 м концентрация гумуса незначительна, зато благодаря их мощности 9 м и высокой плотности сложения грунтов 1,4—1,6 т/м3 (против 0,8 т/м3 в слое 0—0,1 м) [1, 8] запасы углерода, связанного в гумусе глубже 1 м, больше, чем в поверхностных 0—1 м почвы. Общий запас углерода в гумусе водораздельных суглинков под лесом по профилю 0,00—6,25 м -377—420 тС/га (таблица). Во всей корнеобитаемой толще суглинков 0—10 м запас углерода гумуса составляет 400—540 тС/га [2, 5].

В слое 0—1 м запас гумуса - 163— 175 т/га; углерод гумуса - 94—101 тС/га (таблица). Расчеты по данным предыдущих исследований в нагорной снытьево-осоковой дубраве 5—6 кварталов ТОЛ дали запасы 270—300 т/га гумуса; и 150—180 тС/га углерода, то есть почти в два раза выше оценок, полученных нами.

Еще больше, чем в гумусе, углерода связано почвенным СаСО3 [2, 9] (таблица). Величина запасов С(СаСО3), однако, сильно варьирует по площадям выделов. Вероятно, в зависимости от локальных колебаний по-розности почвы и интенсивности движения почвенной влаги запасы углерода СаСО3 в пределах сравнительно небольших полиго-

нов 0,01—0,03 га колеблются по профилю 0,00—6,25 м в 2 раза (660—1300 тС/га).

СаСО3 накапливается в основном вблизи гумусоаккумулятивных горизонтов. Максимальные концентрации СаСО3 зарегистрированы на глубине 1,5 м под горизонтом А, а также на 5,5—6,0 м в основании горизонта подпочвенной аккумуляции гумуса (вероятно, максимум концентрации СаСО3 лежит еще ниже — на 6,5—

7,0 м). На глубине 9—10 м наличие сильно заизвесткованных слоев установлено по белесому (иногда почти белому) цвету суглинков.

В горизонтах концентрации гумуса и непосредственно над ними (до 1,0—0,5 м выше) запасы С(СаСО3) минимальны (таблица). Глубокие гумусированные горизонты 5—6 м и 8—9 м заключены в обкладку между слоями высокой концентрации СаСО3 (рис. 2). Варьирование мощности этих «обкладок» по площади выдела и определяет двукратное варьирование оценок общего запаса С(СаСО3) по профилю 0—10 м. В остальных горизонтах почвенного профиля запасы С(СаСО3) варьируют незначительно CV = 10—15 %.

Углерод, связанный в СаСО3, весьма динамичен и относительно быстро мигрирует по вертикальному профилю [9—11].

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2007

105

продукционный процесс и структура деревьев, древесины и ДРЕВОСТОЕВ

Глубина, см

0

100

200

300

400

500

600

А

0

тС/га

150 100 50

_4__________4_________4__________4_________4_

* *

100

тС/га

т-

50

0

1 I I - 2

Рис. 2. Распределение запасов углерода гумуса и СаСО3 по вертикальному профилю темно-серой лесной почвы и подстилающих моренных суглинков под нагорными дубравами южной лесостепи [2]. Квартал 5 ТОЛ ИЛАН, керн № 1, 2002 г.: 1 - углерод гумуса; 2 - углерод СаСО3.

Высокие концентрации иона -1НСО3 в почвенных растворах (130-150 мг/л), распространенность Са в днепровских суглинках и интенсивный сток СО2 к грунтовым водам позволяют видеть основной источник С(СаСО3) лесных почв в текущей фиксации углекислого газа, выделяемого при корневом и гетеротрофном дыхании почв и подстилок.

Совокупный запас углерода 0-10 м (гумус и СаСО3) под лесостепными лесами составляет 1-2 тыс. тС/га (в среднем

1,3 тыс. тС/га).

При обсуждении со специалистами природы глубоких гумусированных слоев первая неизбежная реакция - «погребенные почвы». Следующая: подпочвенный углерод на большой глубине инертен, и его запас не имеет значения для углеродного цикла. Мы, однако, приведем аргументы, противоречащие этому.

Начнем с того, что высшие отметки высот водоразделов черноземных областей не подвергались действию покровных оледенений, последовавших за Днепровским. Трудно представить себе механизм погребения флювиогляциальными отложениями водораздельных почв, отдаленных в центральной и южной лесостепи на сотни километров от границы следующего Московского оледенения. Мощность эоловых отложений в этих условиях не превышает 1,0—1,5 м, и погребение почв на глубинах 5-6 и 8-9 м маловероятно.

Погребенные почвы имеют обычно достаточно ясно выраженную верхнюю границу. Ее имеют и лихвинские (ранее датировались как одинцовские) погребенные почвы, обнаруженные вблизи Теллермановского леса [1]. Глубокие слои гумусированных суглинков ТОЛ явной верхней границей не обладают. Все переходы по интенсивности окраски очень плавные и занимают 0,2-0,5 м по глубине.

Гумусированные горизонты насыщены тонкими корнями деревьев. При запасе корней тоньше 1 мм на глубине более 5,5 м около 50 г/м2 (0,5 т/га) [1, 2] и продолжительности их жизни 2-3 года [6] в глубокие горизонты поступает 250-167 кг/га в год корневого опа-да (0,2 т/га в год органических веществ, или 0,1 тС/га в год). Большая часть органических веществ, привносимых корневым опадом, окисляется и вымывается в грунтовые воды. (из почвенного профиля грунтовые воды выносят 40 кгС/га в год [1, 2]). Если 5-10 % корневого опада-отпада фиксируется в суглинках, этого (10-20 кг/га в год) достаточно для образования современных «подпочвенных» запасов гумуса в течение 104 лет голоцена, не говоря о примерно 130 х 104 лет, протекших за время последнепровского почвообразования, предполагаемое нами (за вычетом перерывов во время гляциальных похолоданий) [2].

После уничтожения лесной растительности концентрация гумуса в глубоких

106

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2007

продукционный процесс и структура деревьев, древесины и ДРЕВОСТОЕВ

гумусированных слоях (исследован слой на глубине 5-6 м в 25-30 м от стены леса) среди выделов, поддерживаемых без леса 60 лет (питомник, огород), упала на 20-40 %. Этого и следовало ожидать, поскольку гумус глубоких горизонтов пополняется в основном корневым опадом древесных растений.

На исконно степных участках водораздела рек Хопра и Карачана под агроценозами темноокрашенный гумусированный горизонт на глубине 5-6 м нами не был обнаружен. На 6,75 м под ними лежат грунтовые воды [1].

Таким образом, темноокрашенные горизонты почвенного профиля на глубинах 5-6 и 8-9 м под автоморфными нагорными дубравами в лесостепи происхождением обязаны корневому опаду глубоких ярусов корневых систем древесных растений. В нагорной дубраве (150-160 м над уровнем моря) поглощающие корни деревьев дуба, расположенные глубже 5 м, составляют

10-15 % общей массы тонких (диаметром менее 1 мм) древесных корней по профилю

0-10 м [2].

Два «подпочвенных» корненасыщенных горизонта корреспондируют с особенностями миграции почвенной влаги от поверхности к грунтовым водам. Первый связан с зоной концентрации влаги на полпути через 1,5 года; второй - с капиллярной каймой грунтовых вод, достигаемой вертикальным стоком через 2,5 года.

По данным прошлых исследований, в Теллермановском и в других лесостепных массивах широколиственных лесов запас углерода гумуса в 0-1 м почвы дубрав снытье-во-осокового ряда в ТОЛ колеблется от 150 до 180 тС/га (гумус - 300-360 т/га). Запасы углерода в гумусе почв заповедника «Лес на Вор-скле» (Белгородская область) и лесного массива «Алексеевка» (Воронежская область) в снытьево-осоковых дубравах на темно-серых суглинках и глинах - 120-170 тС/га (наш расчет по [8]).

Темно-серые лесные почвы в лесостепи, по данным обобщающей сводки Д.С. Орлова, в слое 0-1 м содержат 172-180 тС/га. Наши определения запаса углерода гумуса в 0-1 м оказались значительно меньше (94-101 тС/га).

Отчасти расхождения могут быть обусловлены артефактами: разной тщательностью отбора из образцов не полностью гумусированных остатков, входящих в состав органического вещества почвы, изменениями в методах анализа содержания гумуса в образцах почвы.

Некоторое сокращение связано, как мы полагаем, с окислением малоустойчивых фракций гумуса, учитываемых при анализе гумусового состояния почв. Содержание гумуса было определено нами через 0,5 года после получения образцов почвы, их воздушной сушки, измельчения и двукратного отбора корневых остатков. За это время наименее устойчивые гумусовые вещества частично окислились.

В то же время нельзя исключать и современное текущее обеднение автоморфных лесных почв, вызванное интенсивной эмиссией почвенного углерода. Так, по расчетам

A. Г. Молчанова, в нагорных дубравах ТОЛ NEP = -3 + -4 тС/га в год, т.е. за 30 лет потери углерода составят 90-120 тС/га. Опыт Д.А. Соколова по удалению травяного покрова и подстилки показал, что запасы углерода в слое 0,0-0,4 м на 3,3 года (1949-1952 гг.) сократились на >10 тС/га [5].

Углерод, содержащийся в СаСО3, хотя и числится как минеральный, имеет такое же биогенное происхождение, как углерод гумуса. По существу, это перехваченное и связанное Са дыхание подземных частей растений и почвенных организмов. Исследования

B. Б. Мацкевич показали постоянное присутствие и высокую концентрацию СО2 по всему профилю суглинков на лесостепных водоразделах.

На степных водоразделах в южной лесостепи А.А. Дубянский отмечал вскипание суглинков до глубины 7 м. Этой глубиной, вероятно, ограничен уровень грунтовых вод под степью. На лесных водоразделах, как показали наши керны, горизонт вскипания и белоглазка, так же как и уровень грунтовых вод под лесом, опускаются вплоть до 11 м. Запасы С(СаСО3) в 0-4 м толще темно-серых лесных почв (460-700) соответствуют запасам, характерным для типичного (460 тС/га) и обыкновенного (690 тС/га) черноземов.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2007

107

продукционный процесс и структура деревьев, древесины и ДРЕВОСТОЕВ

В то же время за счет большей мощности слоя, аккумулирующего С(СаСО3), емкость хранилищ С в автоморфных лесных биогеоценозах в 1,5—1,6 раз больше, чем в степных.

Послеледниковое (в лесостепи - последнепровское) накопление гумуса в лесных ландшафтах имеет ряд характерных особенностей.

В нагорных лесных экосистемах опад и обновление глубоких корней древесных растений, прежде всего дуба черешчатого, заселявшего этот регион во все фазы плейстоценовых последнепровских интергляци-альных потеплений, привело к образованию дополнительных гумусированных горизонтов на глубинах 5-6 и 8-9 м.

Запасы углерода в гумусе темно-серых лесных почв и материнских суглинков лесостепи в два раза больше учитываемых обычно в 0-1 м почвенного профиля. При этом «глубокий» гумус активно обновляется за счет корневого опада и отпада древесных растений вплоть до глубины 10-12 м.

Сопоставление современных запасов углерода гумуса с оценками 30-50-летней давности позволяет говорить о возможном заметном сокращении запасов углерода под автоморфными лесами южной лесостепи. В последние 50 лет темпы сокращения могут достигать 3 тС/га в год.

Пул биогеоценотического углерода включает запасы С(СаСО3). Основной источник их пополнения - углекислота, образуемая при дыхании корневых систем растений, стекающая вниз к грунтовым водам. Запасы С(СаСО3), как и отложения гумуса, находятся в состоянии динамического равновесия.

Лесная почва на водораздельных суглинках лесостепной зоны как единое биокосное тело, вовлеченное в углеродный цикл, простирается на порядок глубже, чем это принято представлять. Совокупный запас углерода в гумусе и известняках лесных почв лесостепи почти в 9 раз больше учитываемого обычно при анализе параметров углеродного цикла.

Следует полагать, что высокая интенсивность углеродного цикла, превосходящая

известные оценки, свойственна всем лесным биогеоценозам всех лесорастительных зон в соответствии с величинами их хлорофиль-ных индексов. Просто уникальность условий существования нагорных лесов в лесостепи заставляет определять многие параметры углеродного цикла, в том числе глубоких слоев педосферы, ускользающие от измерения в бо-реальных лесах.

Библиографический список

1. Экосистемы Теллермановского леса: под ред. Осипова В.В. - М.: Наука, 2004. - 300 с.

2. Романовский, М.Г. Грунтовые воды Теллермановского леса / М.Г. Романовский, В.В. Мамаев // Лесоведение. - 2002. - № 5. - С. 4-9.

3. Молчанов, А.Г. Углекислотный баланс лесных биогеоценозов в зависимости от экологических факторов / Молчанов А.Г.// Идеи биогеоценоло-гии в лесоведении и лесоразведении. - М.: Наука, 2006. - С. 380-395.

4. Дубравы лесостепи в биогеоценологическом освещении: под ред. Молчанова А.А. - М.: Наука, 1975. - 374 с.

5. Соколов, Д.Ф. К вопросу о химической природе органических веществ почв под дубовыми лесами / Д.Ф. Соколов // Тр. Ин-та леса. - 1953. - Т 12.

- С. 209-224.

6. Орлов, Д.С. Органическое вещество почв Российской Федерации / Д.С. Орлов, О.Н. Бирюкова, Н.И. Суханова. - М.: Наука, 1996. - 256 с.

7. Васильева, И.Н. Материалы к характеристике физических свойств почв Теллермановского опытного лесничества / И.Н. Васильева // Тр. Ин-та леса АН СССР. - 1954. - Т. 15. - С. 195-328.

8. Всеволодова-Перель, Т.С. Структура и функционирование почвенного населения дубрав Среднерусской лесостепи / Т.С. Всеволодова-Перель, И.В. Кудряшева, С.Ю. Грюнталь и др. - М.: Наука, 1995. - 152 с.

9. Ковда, И.В. Карбонатные новообразования в почвах: старые и новые проблемы изучения / И.В. Ковда // Почвы, биогеохимические циклы и биосфера. - М.: Т-во научных изданий КМК, 2004.

- С. 115-136.

10. Гаель, А.Г. Пески и песчаные почвы / А.Г. Гаель, Л.Ф. Смирнова. - М.: ГЕОС, 1999. - 252 с.

11. Демкин, В.А. Закономерности вековой динамики карбонатов в степных почвах в связи с изменениями природной среды за историческое время / В.А. Демкин, А.В. Борисов // Эмиссия и сток парниковых газов на территории северной Евразии. Тез. док. II Междунар. конф. Пущино: Мин. Пром. науки и технологий РФ, 2003. - С. 41-42.

108

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2007