= ЭКОЛОГИЯ =
УДК 630.114.351:631.445.12
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА КИСЛОТНЫХ СВОЙСТВ ПОДСТИЛКИ В СУКЦЕССИОННОМ РЯДУ БОЛОТНЫХ БЕРЕЗНЯКОВ
© 2013 г. Т. Т. Ефремова, О. П. Секретенко, А. Ф. Аврова, С. П. Ефремов
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036 Красноярск, Академгородок, 50/28 E-mail: efr2@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 18.05.2012 г.
В подстилке сукцессионного ряда болотных березняков изучены общая потенциальная, обменная и актуальная (рН) кислотности, изменчивости которых составляют соответственно 75.9—174.4, 3.7— 25.8 ммоль(+) / 100 г навески, 3.7—5.5. Впервые методами геостатистики проанализирована их пространственная вариабельность и оценены вклады трендовой, автокорреляционной составляющих и радиус пространственной корреляции. Установлено, что видовой состав травяно-мохового яруса, соответствующий влажности эдафона, совокупно с древесным опадом, равномерно распределенным по экологическому профилю, формируют картину пространственной структуры кислотных свойств подстилки. Отмечено, что первопричина вариабельности кроется в особенностях водного режима местообитаний болотных березняков.
DOI: 10.7868/S0002332913050044
Подстилка как интегральная функция различных связей и взаимодействий в лесной экосистеме является одним из главных биогеоценотиче-ских образований. Состав, строение и свойства подстилки существенно влияют на направление почвообразования, тип торфогенеза на лесных болотах и активно регулируют возобновление, рост и производительность дендроценозов. Один из наиболее значимых показателей влияния на химизм местообитаний — кислотность подстилки. Кислотными свойствами в значительной мере обусловливаются флористический состав лесных насаждений, темпы и направленность биохимической деструкции подстилки, подвижность и доступность химических элементов растениям, другие важные показатели среды обитания, определяющие в конечном итоге ее лесорастительный потенциал.
Закономерно, что сведения о кислотности подстилки главным образом в качестве органогенного горизонта автоморфных почв, как и о других ее свойствах, приводятся во многих современных отечественных и зарубежных публикациях (Карпачевский, 1977, 1983; Карпачевский и др., 1980; Бганцова, 1991; Богатырев, 1993, 1996; Kikuchi, 2004; Лукина и др., 2005, 2008; Berg, McClaugherty, 2008 и многие другие). В то же время остаются сравнительно мало исследованными подстилки болотных и заболоченных лесов. Немногочисленная информация о составе и типах подстилок лесоболотных комплексов, особенностях их гумификации и влияния на торфонакоп-ление имеется в других работах (Ефремова, 1973;
Козловская, 1983; Пьявченко, 1983; Luo, Christie, 2001; Kakei, Clifford, 2002 и др.). В последнее время исследованиями в большей мере охвачена формация болотных березняков на территории Западно-Сибирской равнины (Ефремова и др., 2009а, б, 2010; Sekretenko et al, 2011).
Объективно такое внимание обусловлено тем, что в формационной структуре лесных гидро-морфных комплексов Западной Сибири доля болотных березняков составляет 27.4% (Ефремов и др., 2005).
Цель работы — охарактеризовать в пределах типологического ряда болотных березняков, сопряженных по влажности эдафона, кислотность подстилки (актуальную, обменную и гидролитическую) и оценить масштабы ее пространственной неоднородности современными геостатистическими методами.
Общепризнано, что актуальная кислотность (рН) характеризует активность Н+ в жидких фазах исследуемых систем, гидролитическая и обменная связаны с твердыми фазами и отражают количество титруемых щелочью веществ, обладающих кислотными свойствами (Орлов, 1985; Воробьева, Авдонькин, 2006). На данном отрезке времени гидролитическую кислотность, определяемую с помощью щелочных буферных растворов (рН 8.3), предлагается рассматривать как показатель общей потенциальной кислотности, характеризующей суммарное содержание всех кислотных компонентов (Воробьева, Авдонькин, 2006).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Отбор образцов и аналитические методы. Исследования свойств подстилки в формации болотных березняков выполнялись осенью (сентябрь) на протяжении 3 лет (2004—2006 гг.). Пространственные вариации изучались по следующей схеме: с шагом 10 м выбирали 10 точек опробования (по 5 справа и слева от срединной линии в границах изучаемого типа леса). С помощью шаблона (283.53 см2) отбирали 50 образцов подстилки за 1—2 дня работы.
Древесный опад учитывался по 70 опадоулови-телям (100 х 100 см), установленным через 10 м один от другого по линии отбора образцов подстилки. Биомасса напочвенного растительного покрова определялась одноразово с площадок 50 х 50 см по 20 вариантам в каждом типе березняков. Дифференциация подстилки на подгоризон-ты и соответствующие им типы основывалась на общепризнанных руководствах (Карпачевский, 1977; Сапожников, 1984; Богатырев и др., 2004).
Кислотные и другие свойства подстилок определялись общепринятыми в почвоведении методами (Агрохимические методы, ..., 1975). Использовались воздушно-сухие образцы, а результаты анализа выражались на навеску, высушенную при 105°С. Зольность определялась путем прокаливания подстилки в муфеле при 450°С в течение 6 ч. Повторное взвешивание проводилось после дополнительного двухчасового прокаливания. Значение рН водной вытяжки измерялось потенцио-метрически после суточного настаивания суспензии. Обменную кислотность устанавливали титрованием щелочью (0.02 N NaOH) по фенолфталеину вытяжки, полученной после суточной обработки навески раствором соли (1.0 N KCl). Значение гидролитической кислотности определяли титрованием щелочью (0.02 N NaOH) по фенолфталеину вытяжки, полученной после суточной обработки навески раствором соли (1.0 N CH3COONa). Найденное значение гидролитической кислотности умножали на коэффициент 1.75 — условно принятый коэффициент на неполноту вытеснения Н+. Отношение навески подстилки к воде и растворам соответствующих солей 1 : 25. Общее (валовое) содержание кальция определяли трилонометрическим методом с индикатором мурексидом после мокрого озоления пробы смесью серной и хлорной кислот.
Статистические методы исследования. Пространственную изменчивость свойств подстилки описывали с использованием методов геостатистического анализа (Джонгман и др., 1999; Демьянов, Савельева, 2010). Общая модель исследуемой пространственной структуры кислотности подстилки представлена в виде суммы трех составляющих — трендовой, автокорреляционной и некоррелированной (Diggle, Ribeiro, 2007).
Обычно эффекты, масштаб проявления которых сравним или превышает размер площадки отбора образцов, рассматриваются как трендовые изменения. Глобальный тренд — явление такого масштаба, которое оказывает детерминистское влияние на изучаемый показатель в пределах всей рассматриваемой территории. Тренд может быть представлен математической формулой, например в виде уравнения регрессии, и вычтен из значений показателя в опорных точках. После вычитания тренда пространственное распределение регрессионных остатков изучается в целях выявления автокорреляционной структуры — эффектов меньшего масштаба.
Автокорреляционная составляющая описывается с помощью эмпирической и теоретической вариограмм. Важным свойством пространственно распределенных данных является, как известно, пространственная непрерывность: значения более скоррелированы в близко расположенных точках по сравнению с удаленными друг от друга. Меру этой непрерывности в геостатистике традиционно исследуют с помощью вариографии, которая служит ключевым инструментом для оценки степени пространственной автокорреляции.
Вариограмма — это вариация разности значений переменных в двух точках как функция расстояния между ними. Она содержит количественную информацию о пространственном процессе. Когда значения вариограммы не изменяются с расстоянием, делается вывод об отсутствии структурной (автокорреляционной) составляющей. Вариограмме присущи следующие характеристики: ранг, частичный порог, наггет (эффект самородка). Ранг, или радиус корреляции, соответствует расстоянию, в пределах которого наблюдается связь значений обсуждаемого показателя. Частичный порог — структурная часть дисперсии, характеризующая силу этой связи. Наггет (значение вариогаммы при нулевом аргументе) представляет собой необъясненную часть дисперсии и характеризует некоррелированную составляющую. Сумма наггета и частичного порога определяет порог (плато) — значение, которое достигается вариограммой за пределами радиуса корреляции. Эта величина соответствует общей дисперсии показателя (или общей дисперсии регрессионных остатков в модели, включающей в себя тренд).
И трендовая, и автокорреляционная составляющие могут оказаться несущественными (статистически незначимыми), что требует проверки. К тому же, выборка из 50 точек наблюдений в данной работе, вполне репрезентативная в трудоемких биолого-почвенных исследованиях, представляется малочисленной с точки зрения выводов о значимости результатов в пространственной статистике. Заключение о наличии тренда сделано с помощью
Рис. 1. Логическая последовательность шагов в процессе оценки статистической значимости автокорреляционной составляющей.
проверки статистической значимости уравнения регрессии и его коэффициентов.
Статистическая значимость автокорреляционной составляющей оценена методами, разработанными в самое последнее время ШЪешэ, 2007; 1Шап et al, 2008; Grabarnik et al, 2011). Поэтому целесообразно подробнее изложить процедуру исследования автокорреляционной составляющей в виде логической последова-
тельности из пяти шагов, включающих в себя тестирование статистических гипотез (рис. 1).
Глобальный тренд представлен в виде линейной регрессионной зависимости кислотности от трех переменных, характеризующих гидрологические условия экологического профиля: весовой влажности подстилки, осеннего уровня стояния почвенно-грунтовых вод и расстояния от русла внутриболотной речки. Автокорреляционная со-
ставляющая описывается с помощью вариограмм регрессионных остатков — разностей между наблюдаемыми и трендовыми значениями кислотности.
Для расчета эмпирической изотропной
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.