ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2004, № 4, с. 43-50
УДК 630*114.2.28
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ОРГАНИЧЕСКИМ УГЛЕРОД В ВОДАХ ПОДЗОЛОВ ЕЛЬНИКОВ ЗЕЛЕНОМОШНЫХ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА*
© 2004 г. Т. Т. Горбачева1, Н. В. Лукина2
1Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского НЦ РАН 184200 Апатиты, Мурманская обл., ул. Ферсмана, 14 E-mail:gorbacheva@inep.ksc.ru 2Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН 117997 Москва, Профсоюзная ул., 84/32 E-mail: lukina@cepl.rssi.ru Поступила в редакцию 24.02.2004 г.
Приводится характеристика основного состава и свойств водорастворимого органического углерода (ВОС) вод подзолов, внутрипрофильных и парцеллярных различий, сезонной вариабельности, взаимосвязей с другими элементами почвенных вод, влияния абиогенных факторов на концентрационные характеристики ВОС. Проведена количественная оценка миграционных потоков в системе "атмосфера - древесный полог - почвенный профиль".
Водорастворимый органический углерод, миграционные потоки, абиогенный фактор.
В настоящее время исследование цикла углерода приобретает особую актуальность в связи с изучением влияния изменения климата на боре-альные леса и воздействия крупномасштабных изменений структуры и функций бореальных лесов на климат. Одним из слабо изученных аспектов цикла углерода в лесах России является водная почвенная миграция. Водорастворимое органическое вещество играет важную педогенную и биогеохимическую роль. Состав почвенных вод лесных экосистем весьма динамичен и характеризуется ярко выраженной пространственной и временной изменчивостью, обусловленной множеством факторов, среди которых особое значение имеют активность функционирования биоты и фенологические ритмы, регулирующая роль древесных растений, климат, уровень дренажа почв.
Целью данной работы являлось исследование водной миграции углерода в подзолах старовозрастных ельников зеленомошных Кольского п-ова, формирующихся длительное время без антропогенного вмешательства, с учетом пространственной (парцеллярной и внутрипрофильной), и временной (внутрисезонной и межгодовой) изменчивости.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследований послужили Л1-Ре-гу-мусовые подзолы ельников зеленомошных на
* Работа выполнена при финансовой поддержке ШТАБ и ^О (ШТАБ ИББ <012213 и ^О 047.014.002)
Кольском п-ове. Детальное описание мониторинговых площадок и методов мониторинга приведено в работе [4]. Отбор почвенных вод проводился в течение вегетационного периода ежемесячно с помощью гравитационных лизиметров, содержание общего углерода определяли по результатам бихроматной и перманганатной окисляемости, металлов - методами атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии, сульфат-, хлорид-и нитрат-ионов - методом ионообменной хроматографии, КИ+, Р и Бь фотоколориметрическими методами.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Состав и свойства водорастворимого углерода подзолов. В условиях гумидного режима заторможенный характер разложения растительных остатков, низкая зольность опада и активное поглощение доступных элементов организмами обусловливают в целом весьма низкие концентрации веществ, содержащихся в водах подзолов (0.040.13 г л-1 в подстилочных водах и 0.01-0.03 г л-1 в водах, прошедших почвенный профиль). На долю общего углерода приходится 60-70 и 30% соответственно (табл. 1). Воды подзолов характеризуются практически полным отсутствием в них карбонатов и гидрокарбонатов, что указывает на подавленность процессов минерализации растительных остатков до СО2, поэтому соединения углерода представлены исключительно органическими формами. По имеющимся данным, содержа-
Таблица 1. Среднегодовые концентрации компонентов почвенных вод
Под кроной
Компонент атмосферные выпадения почвенные воды атмосферные выпадения почвенные воды
1 2 3 1 2 3
рН 4.2 4.7 5.3 5.4 5.3 4.3 4.8 4.6
Са (мг л-1) 3.3 5.4 2.8 2.4 0.6 2.5 1.7 1.5
(мг л-1) 0.9 1.2 0.8 0.8 0.1 0.7 0.7 0.4
К(мг л-1) 9.2 5.8 3.2 2.1 0.7 1.6 3.7 0.6
№ (мг л-1) 1.8 1.2 1.1 1.0 0.5 0.4 1.2 0.9
МИ+ (мг л-1) 6.8 5.6 1.7 1.5 0.6 6.8 3.1 0.9
А1 (мг л-1) 0.2 0.4 0.3 0.2 0.02 0.5 0.6 0.1
Бе (мг л-1) 0.1 0.2 0.09 0.03 0.02 0.3 0.1 0.03
Мп (мг л-1) 0.8 0.6 0.05 0.04 0.02 0.2 0.6 0.01
7п (мг л-1) 0.03 0.04 0.01 0.01 0.01 0.03 0.02 0.01
N1 (мг л-1) 4.2 5.6 3.0 3.0 1.0 2.5 2.6 0.8
Си (мг л-1) 0.02 0.02 0.01 0.01 0.004 0.01 0.009 0.007
Робщ (мг л-1) 0.6 0.8 0.07 0.04 0.13 0.32 0.07 0.01
80^ (мг л-1) 10.0 6.9 8.0 9.0 0.99 1.8 6.9 3.8
N0^ (мг л-1) 0.3 0.95 0.3 0.2 0.3 0.5 0.7 0.1
С1- (мг л-1) 3.3 2.9 2.6 2.95 0.9 1.5 2.7 2.0
С (мг л-1) 79.4 61.2 23.5 16.4 6.7 49.8 34.2 12.5
Со (мг л-1) 0.5 0.3 0.5 0.5 0.3 0.7 0.5 0.1
РЬ (мкг л-1) 1.6 1.1 0.7 0.9 0.4 2.6 0.7 0.5
(мг л-1) 0.4 0.7 0.3 0.7 0.05 0.4 0.6 0.08
Р- Р03- (мг л-1) 0.4 0.6 0.02 0.01 0.09 0.2 0.04 0.01
Бг (мг л-1) 0.03 0.05 0.03 0.03 0.01 0.03 0.03 0.02
Cd (мкг л-1) 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1
Сг (мкг л-1) 1.6 1.2 1.4 0.6 0.6 1.4 1.5 0.7
Между кронами
Примечание. В табл. 1. 2. 4: 1 и иллювиальный горизонты;
- воды, прошедшие органогенный горизонт; 2 - воды, 3 - воды, прошедшие весь почвенный профиль.
прошедшие органогенный, элювиальный
ние общего углерода в органогенных горизонтах почв еловых лесов Кольского п-ова превышает 50%, причем на долю гидролизуемой части приходится около половины [4], что и обусловливает доминирование органических соединений в составе почвенных вод.
Вследствие высокой пористости почвенного профиля почвенные воды подзолов по сути являются гетерогенной системой, органический углерод которой представлен грубодисперсной, коллоидной и истинно растворенной фракциями. В составе водорастворимого органического углерода (ВОС) преобладает коллоидная фракция (размер частиц 1-450 нм). В весенний и осенний пери-
оды возможен вынос грубодисперсного слабо дезинтегрированного материала, в состав которого могут входить как гумусные частицы, так и растительные остатки [2].
В подстилочных водах древесных парцелл значительна доля истинно растворенной фракции (до 40%) [2], в состав которой входят низкомолекулярные соединения (<100 Дальтон). Это могут быть алифатические и ароматические кислоты, а также гидролизуемые формы танинов и лигнин-целлюлозного комплекса. Так, в тонкодисперсных фракциях вод А1-Ре-гумусовых подзолов идентифицируются лимонная, шикимовая, щавелевая, фумаровая, муравьиная, уксусная, яблоч-
ная, молочная и другие кислоты в диапазоне 11100 цМ [31]. Однако согласно нашим расчетам доля лимонной кислоты, обычно представленной в водах подзолов в наиболее высоких концентрациях (15-250 цМ) [31], не превышает 0.4 % от общей концентрации углерода. Таким образом, по-лифенольные продукты деструкции танинов и лигнин-целлюлозного комплекса, вероятно, будут доминировать в составе истинно растворенной фракции. В подзолистых почвах между водорастворимым органическим веществом (ВОВ) и содержанием фенолов отмечается тесная корреляционная зависимость [10]. Как из опада, так и из живых органов растений весьма активно выщелачиваются танины [9.18]. Среди продуктов гидролиза лигнина древесных пород с мягкой древесиной доминируют ванилиновые структуры [21]. Нельзя исключать и присутствие в водах наиболее низкомолекулярных углеводов (триоз, те-троз) - продуктов гидролиза целлюлозы, а также спиртовых и альдегидных форм.
Для органического углерода вод подзолов характерно отсутствие высокомолекулярной фракции (молекулярная масса >10000 Дальтон, размер >25 нм) [2], что связывают с заторможенностью биохимических процессов конденсации первичных растительных структур [8].
Фракционирование почвенных вод с использованием метода адсорбции на активированном угле позволило установить, что в составе подстилочных вод доминирующее положение занимают соединения специфического характера (фульво-кислоты и фульватные комплексы), но при этом диагностируется довольно большая доля неспецифических соединений (в межкроновых пространствах свыше 30% от общего содержания углерода) [2], в состав которой, как известно, входят углеводы, аминокислоты, пуриновые основания и ряд других веществ [7].
Пространственная вариабельность (внутрипро-фильные и парцеллярные различия). Согласно классическим представлениям основной чертой подзолообразования является интенсивный вынос водорастворимого гумуса фульватной природы с почвенными растворами вглубь почв. В процессе миграции вниз по профилю концентрация углерода существенно снижается, что связывают с адсорбцией на минеральных поверхностях [25]. В качестве возможных механизмов адсорбции признаются анионный и лигандный обмен, формирование комплексов через катионные мостики, образование водородной связи, электростатическое взаимодействие.
При прохождении по почвенному профилю органическое вещество, сорбированное на поверхности минеральных частиц, существенно снижает их сорбционную емкость. Тот факт, что сорбция ВОВ имеет свой предел, свидетельствует об ограниченном числе адсорбционных центров,
Таблица 2. Корреляционная зависимость между концентрациями общего углерода и другими компонентами вод подзолов
Определяемый компонент Под кроной Между кронами
1 2 3 1 2 3
рН -0.17 -0.33 -0.18 -0.41 -0.16 -0.89
Са 0.94 0.61 0.85 0.76 0.51 0.40
Mg 0.93 0.57 0.99 0.78 0.87 0.36
К 0.97 0.79 0.95 0.11 0.56 0.09
№ 0.70 0.50 -0.18 0.36 0.46 -0.15
МИ+ 0.98 0.40 0.15 0.76 0.42 -0.41
А1 0.90 0.85 0.80 0.73 0.75 0.26
Ре 0.67 0.81 0.59 0.51 0.42 0.77
Мп 0.40 0.48 0.59 0.77 0.48 -0.07
7п 0.55 0.48 0.26 0.88 0.95 0.89
N1 0.38 0.68 0.28 0.84 0.67 -0.46
Си 0.60 0.81 0.56 0.55 0.43 0.95
Р 0.98 -0.06 -0.66 0.09 0.40 -0.38
0.92 0.57 -0.85 0.41 0.69 -0.35
N03 0.94 0.42 -0.53 0.09 0.40 0.0
С1- 0.88 0.54 0.74 0.29 0.51 0.11
Со 0.86 0.38 0.37 0.51 0.85 -0.09
РЬ 0.51 0.57 0.12 0.91 0.85 0.46
0.30 0.04 -0.94 0.23 0.81 -0.93
Р- РО3- 0.39 -0.13 - 0.11 0.43 -0.57
Бг 0.35 0.64 - 0.85 0.97 0.84
Cd 0.68 0.30 - 0.88 0.91 -0.58
Сг 0.79 0.49 - 0.61 0.24 -0.17
Примечание. "-" Выборка недостаточна для корреляционного анализа.
за счет чего формируется только лишь монослой на поверхности минералов [26, 27]. Анионы минеральных кислот, такие как сульфат- и фосфат-ионы о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.