ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2015, № 3, с. 182-190
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 630*114.12:551.482.215
АЗОТ И УГЛЕРОД В ГРУНТОВЫХ ВОДАХ ТЕЛЛЕРМАНОВСКОГО ЛЕСА*
© 2015 г. М. Г. Романовский
Институт лесоведения РАН 143030 Успенское Одинцовского р-на Московской обл., ул. Советская, 21 E-mail: michrom@ilan.ras.ru Поступила в редакцию 23.07.2014 г.
Под нагорными лесами, расположенными на днепровских суглинках в 150-160 м над ур. моря, выделяются водоносные песчаные горизонты ~120 и ~140 м над ур. моря. Общая минерализация грунтовых вод (ГВ) и концентрация SO-2 нарастают к подошве флювиогляциальных отложений. Из нагорных дубрав 10-12 мг С л-1 год-1 поступает в ГВ. Концентрация С(СО-2; НСО-1) согласуется с С-балансом вышележащих биогеоценозов и скоростью обмена ГВ. Концентрации N(NH+1; NO-1; NO-1) не связаны с фильтрацией влаги из биогеоценозов и одинаковы под солонцовыми полянами и высокопродуктивными древостоями. Основная доля N-содержащих ионов in situ синтезируется и разрушается анаэробными микроорганизмами, населяющими ГВ.
Лесостепные леса, грунтовые воды, углерод и азот, концентрации элементов.
Многолетние наблюдения за химическим составом грунтовых вод (ГВ) в лесном массиве, мало затронутом рекреационными и хозяйственными нагрузками, - большая редкость. Смысловые интерпретации данных о локальных и темпоральных изменениях концентраций ионов в ГВ уникальны. Слишком часто многолетние ряды анализов химического состава ГВ хранятся без дальнейшей "глубокой переработки" исходного материала и, в конце концов, теряются за ненадобностью. Поэтому спустя более 20 лет после завершения натурных исследований химического состава ГВ в Теллермановском опытном лесничестве Борисоглебского района Воронежской области (ТОЛ), ныне филиала Института лесоведения РАН, автор возвращается к анализу данных П.И. Быстрянце-ва за 1974-1978 гг. (Быстрянцев, 1982), дополнив их до 1990 г. не публиковавшимися ранее архивными материалами, хранившимися в ТОЛ.
В Воронежской области системы скважин, подобные ТОЛ, существуют на Новодевицкой гидрологической станции МГУ (Кашутина, 2002) и на стационаре Института почвоведения в Каменной степи (Басов, 1957, 1958, 1960). В ТОЛ в средине 1970-х годов анализ химического состава ГВ организовал П.И. Быстрянцев, на тот момент его
* Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ (НШ-1858.2014.4).
директор. Ежемесячно с 1974 по 1990 г. он отвозил образцы ГВ в Донскую водно-аналитическую станцию (г. Воронеж). Наблюдения за ГВ неоднократно прерывались из-за "аварий" на смотровых трубах (колодцах), преимущественно по причине умышленного засорения скважин. Сведения об ионном составе ГВ (мг • л-1) накапливались и хранились в ТОЛ и были отчасти опубликованы. В статье П.И. Быстрянцева описаны расположение скважин, их абсолютные высоты, уровни и температура ГВ в период 1972-1978 гг. (Быстрянцев, 1982).
В настоящей статье рассмотрена динамика элементов, в наибольшей мере вовлеченных в биогенные циклы экосистем: азота N и углерода С; а также динамика общей минерализации ГВ (величина сухого остатка), характеризующая темпы выщелачивания моренных суглинков, слагающих водораздел. Как показатель, мало связанный с деятельностью фитоценозов, анализируется содержание в ГВ аниона БО-2.
Дополнительно привлечена информация о химическом составе ГВ поймы р. Хопер и речной воды, содержащаяся в публикациях Хоперского государственного заповедника (Дадыкин, Грище-ко, 1976), а также фильтратов из-под всей толщи флювиогляциальных отложений в ТОЛ (Дубравы..., 1975). Источники (Дадыкин, Грищенко,
1976; Дубравы..., 1975) подводят итоги 10-летних наблюдений.
Целью нашего исследования служило уточнение параметров С- и К-циклов автоморфных лесных биогеоценозов в условиях лимитированного водообеспечения южной лесостепи (Романовский, Мамаев, 2002; Экосистемы., 2004 и др.).
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Система скважин ТОЛ, задуманная А.А. Молчановым (Стационарные., 1984), охватывала ГВ разных элементов рельефа. Скважины вскрывали ГВ, связанные с тонкими, мощностью менее 1 м, песчаными водоносными горизонтами на 140-144 м (кв. 6, 7, 37) и на 120-123 м над ур. моря (кв. 18); ниже эти горизонты ГВ обозначены как ~140 и ~120 м над ур. моря. Скважина в устье балки Крутец (кв. 39) обнаруживает ГВ, в которые основной вклад в летнюю межень вносит разгрузка ГВ из горизонтов ~120 и ~140 м над ур. моря. Номера скважин совпадают с номерами лесоустроительных кварталов, в которых они заложены.
Под нагорными ясене-дубравами 1-11 классов бонитета, произрастающими на водораздельном плато на высотах 150-160 м над ур. моря (кв. 6, 7, 37), ГВ находятся на ~140 м над ур. моря на 55-60 м выше уровня р. Хопер. От сообщения с ГВ, поверхность которых лежит на той же высоте, они изолированы оврагами, седловинами, мизерной скоростью горизонтальных перемещений влаги по подстилающему песчаному водоносному горизонту в связи с его малой мощностью, прерывистостью и замыканием разгрузок по периферии бассейнов ГВ (Отоцкий, 1915; Романовский, Мамаев, 2002; Экосистемы., 2004). ГВ горизонта ~140 м на левом (кв. 37) и правом (кв. 6, 7) берегах балки Крутец, открывающейся в р. Хопер, не сообщаются между собой. Вертикальное перемещение осадков от поверхности водораздела к горизонту ~140 м над ур. моря занимает 2.5 года (Ватковский, Быстрянцев, 1989; Мамаев, Романовский, 1998; Романовский, Мамаев, 2002; Экосистемы., 2004). Этот горизонт ГВ имеет общий небольшой ~0.0001 уклон к юго-западу, в долину р. Хопер.
ГВ следующего горизонта, на ~120 м над ур. моря, представляют собой фильтрат, прошедший дважды через ~20 м толщи днепровских суглинков. Вертикальное перемещение влаги на этот уровень в области распространения вышележащих геологических отложений занимает 4-5 лет (Мамаев, Романовский, 1998; Романовский, Ма-
маев, 2002). Горизонт ~120 м вскрывали скважины в кв. 18 и 36 на противоположных склонах балки Крутец. Скважина в кв. 36 проработала менее 5 лет. Скважина в кв. 18 расположена среди безлесной поляны в 100-150 м от опушек порослевых дубрав, окаймляющих солонцовую поляну на высоте 145 и 142 м над ур. моря. ГВ пополняются снизу из водоносного горизонта ~120 м и вскрываются скважиной 18 на высоте ~130 м над ур. моря (Экосистемы., 2004).
Воды, фильтрующиеся на высоте 89 м над ур. моря из-под слоев днепровских, окских, донских суглинков (их общая мощность превышает 60 м; рисунок; (Дубянский, 1939; Экосистемы., 2004)), прошли через всю толщу флювиогляци-альных отложений. Здесь пробы ГВ отбирали из укрепленного естественного обнажения, завершающего склон ~40о (Дубравы., 1975).
В плоской, местами заболоченной средней части балки Крутец разгружаются ГВ слоя ~120 м. Смешиваясь с водами ~140 м над ур. моря, поступающими из ручьев по склонам балки, они питают ГВ, перемещающиеся по тальвегу балки на глубине 1.5-2 м. Летом сток ГВ по балке полностью скрыт в толще аллювиальных отложений (в редкие годы обилия осадков ручей, текущий по балке, не пересыхает до августа). В устье балки, открывающемся в верхнюю пойму р. Хопер в
-150
-100
-50
О
10
20
30 Ь, км
Сечение междуречья рек Хопер и Карачан по линии Народное - Ульяновка.
Отложения: Б - девонские; Сг - меловые; Pg - палеогеновые: Pg1 - нижние и Pg2 - средние; Щ - неогеновые; Ц -четвертичные: Ц - донские, Ц4 - окские, QI2 - днепровские, QI3I - одинцовские, Цд- микулинские.
Во время лихвинского Ц111 межледниковья на поверхности окских отложений Ц4 сформировались мощные черноземы, отмеченные на схеме черной полосой. Днепровские отложения Цц подразделены на три слоя а, Ь и с, разделенные маломощными (< 1 м) прослойками песчаных отложений. На основе схемы А.А. Дубянского с изменениями и дополнениями (Дубянский, 1939; Экосистемы., 2004).
Таблица 1. Пределы варьирования среднегодовых значений минерализации (сухой остаток), концентрации ионов НСО-1 и БО-2 в ГВ разного происхождения
Положение места отбора ГВ Скважина*, источник данных** Высота над ур. моря, м Сухой остаток, г л-1 НСО3-1, г л-1 БО-2, г л-1
Нагорное плато 6, 7, 37 140 < 1 0.8-0.9 0
Бровка склона 18 120 2-3 0.1-0.2 0.9-1
Подошва склона (Дубравы., 1975) 89 4-5 0.2-0.4*** 1-1.2
Верхняя пойма 39 87 0.3-0.4 0.2-0.4*** 0
Русло р. Хопер (Дадыкин, Грищенко, 82-84 0-0.3 0-0.2 0
1976)
Выходы нижнемело- (Дадыкин, Грищенко, 82-83 0.4 0 0.1-0.2
вых песков в нижней 1976)
пойме
* Номер скважины соответствует номеру квартала ТОЛ. ** Источники (Дадыкин, Грищенко, 1976; Дубравы..., 1975) приводят данные за 10 лет. *** Обогащение биогенными элементами вызвано неглубоким залеганием корневых систем фитоценозов в местах взятия образцов ГВ.
выделе кв. 39, занятом высокопродуктивной кле-ново-липовой дубравой, на отметке 87 м над ур. моря расположена скважина 39. В летне-осеннюю межень ГВ в скважине 39 стоят на 1-2 м ниже поверхности выдела, на 85-86 м над ур. моря.
Ниже, на 82-84 м над ур. моря, течет р. Хопер; и по меловым пескам, галечникам и супесям на 82-83 м перемещаются воды из горизонтов, выходящих далеко за пределы бассейнов рек Хопер и Ворона и охватывающих, вероятно, всю Окско-Донскую синклиналь (Басов, 1957; Михно, 2005; Романовский, Мамаев, 2002; Романовский, Суш-ков, 2005).
Расход ГВ из слоя ~140 м над ур. моря был определен при маршрутных обследованиях склонов балки, по суммарной разгрузке ГВ, на этой высоте, - 12.5 мм год-1. Сток ГВ из слоя ~120 м над ур. моря оценен по минимальной интенсивности летного меженного стока по балке - 7.5 мм год-1 (минимальная суммарная интенсивность стока вод по балке - 20 мм год-1, минус 12.5 мм год-1 - разгрузка горизонта ~140 м над ур. моря). Остальные 5 мм год-1 фильтруются глубже (Романовский, Мамаев, 2002; Экосистемы., 2004).
Нами проанализирована концентрация ионов, содержащих углерод С(НСО-1; СО-2) и азот К(КН+1; КО-1; КО-1); помимо них рассмотрены содержание иона БО42 и сухой остаток образцов ГВ. Концентрации ионов (мг л-1), включающих С и К, пересчитаны в концентрации соответствующих элементов. Основное внимание сосредоточено на скважинах, функционировавших в течение не менее 13-16 лет.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Слоистому сло
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.