ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 1, с. 39-47
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 631.445.2:631.417:630*231(470.1)
ИЗМЕНЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ТАЕЖНЫХ ПОЧВ В ПРОЦЕССЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ЛЕСОВОЗОБНОВЛЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ПОСЛЕ РУБОК (СРЕДНЯЯ ТАЙГА РЕСПУБЛИКИ КОМИ)*
© 2014 г. А. А. Дымов1, Е. Ю. Милановский2
1 Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, 167982, Сыктывкар,
ул. Коммунистическая, 28 e-mail: aadymov@gmail.com 2Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
Поступила в редакцию 22.03.2012 г.
Показано, что для ненарушенных подзолистых почв и подзолов литобарьерных характерны близкие закономерности распределения гидрофильных и гидрофобных фракций гумусовых веществ (ГВ) в верхних генетических горизонтах. Концентрации отдельных фракции ГВ в минеральных горизонтах в значительной мере определяются гранулометрическим составом почв. В лесных подстилках вторичных фитоценозов, формирующихся после рубки ельников, на суглинистых отложениях наблюдается увеличение гидрофильных соединений, при уменьшении доли лигниноподобных органических соединений. В минеральных горизонтах почв вторичных фитоценозов выявлено увеличение доли Al-Fe-гумусовых соединений. Предложено использовать степень гидрофильности (DH) для характеристики особенностей органического вещества таежных почв. Показано, что в элювиальных горизонтах молодой вырубки наблюдается увеличение содержания фракций окклюдированного и связанного с минералами (плотность 1.6—2.2 г/см3) органического вещества.
Ключевые слова: лесные почвы, почвенное органическое вещество, рубка леса, хроматография гидрофобного взаимодействия.
Б01: 10.7868/80032180X14010043
ВВЕДЕНИЕ
Таежные леса являются основным биомом Европейского севера России. Освоение природных богатств леса, а в частности проведение рубок главного пользования привели к существенному изменению лесного покрова этого региона. К настоящему времени более 25% лесной территории Республики Коми затронуто различными способами рубок [20]. Исследования на территории Коми и в других регионах Севера России показали, что рубки леса оказывают существенное экологическое влияние на все компоненты таежных экосистем. Так, при сведении леса выявлены кардинальные изменения ландшафтов, приводящие к внутригодовому перераспределению водного стока [31], химического состава водотоков [8], мощности снежного покрова [34]. На вырубках наблюдается изменение энергетических потоков
* Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ (11-04-01241-а, 13-04-00570-а, 12-04-90700 моб_ст), гранта МК-1027.2013.4 и программы Президиума РАН № 12-П-4-1065.
солнечной радиации, альбедо поверхности, температуры почв [10, 29], а также показателей биологической активности [1]. Возобновление растительности после сплошнолесосечных рубок происходит через смену пород, что способствует изменению качественного и количественного состава растительного опада, поступающего на поверхность почв, изменению морфологических свойств подстилок [5]. До момента смыкания крон древесных растений лидирующая роль в поступлении растительного опада остается за растениями напочвенного покрова, изменяющимися в зависимости от микроклиматических условий. На молодых вырубках проявляется доминирование мхов и трав, при некотором уменьшении вклада кустарничков. В ходе естественного возобновления растительности увеличивается содержание химических элементов растительного опа-да быстро минерализуемых компонентов — возрастает доля листьев и ветвей лиственных пород деревьев. Это приводит к увеличению поступления на поверхность почв азота, кальция и ряда других элементов [9].
В виде стволовой древесины при преобладающих сплошнолесосечных рубках из экосистемы извлекается до 44% углерода фитомассы древостоя [4]. Большая часть органической массы древостоя остается на вырубках в виде корней [3], порубочных остатков и пней, относящихся к крупным древесным остаткам (КДО) [15, 26, 37, 42], являющихся длительными источниками ("очагами поступления") как органических, так и минеральных элементов. КДО в значительной степени окисляются за счет действия базидиальных грибов, инициируя увеличение эмиссии углекислого газа с территории вырубок. Оставшаяся часть органического вещества (ОВ) перерабатывается в детритных пищевых цепях лесных экосистем и пополняет пул почвенного углерода [25]. Территории необлесенных вырубок являются источником углекислого газа, благодаря повышенной минерализации ОВ. После смыкания крон древесных растений, формирующихся на вырубках, насаждения становятся "стоком" углерода из атмосферы [32]. Основным и наиболее стабильным является пул углерода лесных почв, составляющий по различным подсчетам от 40 до 60% углерода всего биогеоценоза [2, 19, 41]. Процессы трансформации ОВ в почвах при естественном возобновлении растительности на вырубках исследованы в меньшей степени, по сравнению с сукцессионной сменой древесной растительности и напочвенного покрова. Не изученными остаются изменение форм и функциональных особенностей органического вещества [40]. Значительная часть таежных почв расположена в климатических условиях, характеризуемых преобладанием количества выпадающей влаги над испарением. В бореальной зоне именно сродство органических соединений к воде обусловливает их способность находиться в растворе, мигрировать в водных потоках или оставаться на месте своего образования, формируя определенную дифференциацию гумусового профиля почв. Используя в качестве системного признака способность ГВ вступать в гидрофобные взаимодействия в лабораторных условиях, возможно воспроизвести генетическое природное свойство сродства ГВ к воде [39], которая является движущей силой и непременным участником процесса почвообразования.
Цель работы заключалась в изучении закономерностей изменения содержания амфифильных компонентов гумусовых веществ и органического вещества, входящего в различные денсиметриче-ские фракции почв, в ходе естественного лесовозобновления после рубок главного пользования ельника черничного и сосняка бруснично-зеле-номошного.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для изучения влияния сплошнолесосечных рубок были исследованы два хроноряда вырубок в среднетаежной зоне РК. Первый хроноряд (Усть-Куломский р-н) представлен участками, на которых происходит возобновление растительности после сплошнолесосечной рубки ельника черничного формирующегося на суглинистых подзолистых почвах. Исследуемые сообщества расположены в южной части Тиманского кряжа, на возвышенности Джежимпарма, состоящей из серии рассеченных высоких гряд и холмов, с абсолютными высотами 250—320 м [28]. Исследовали почвы коренного ельника (1-УК), молодой вырубки (2-УК) и почвы лиственно-хвойного леса, развивающегося после рубки ельника (3-УК).
Второй хроноряд представлен участками, на которых происходит естественное возобновление растительности после рубки сосняка бруснично-зеленомошного (Прилузский р-н). Объекты исследования расположены на южном пределе среднетаежной подзоны. В геоморфологическом отношении они принадлежат территории Вычегодской части Вычегодско-Мезенской равнины, характеризующейся преобладанием плоских водоразделов [6]. В работе проанализированы почвы трех участков, на которых рубку проводили в 1994 (2-ПР), 1983 (3-ПР), а также контрольный участок (1-ПР) — сосняк бруснично-зеленомош-ный (недоруб, оставленный в ходе лесозаготовки). В статье проанализированы особенности органического вещества почв пасечных участков, не испытывающих прямого воздействия тяжелой агрегатной техники [21]. Исследуемые разрезы заложены в межкроновых пространствах.
Растительность и морфологическая характеристика почв исследуемых участков подробно описаны ранее [9, 12, 28]. В табл. 1 приведены краткие описания объектов исследования.
Химический анализ почв выполнен классическими методами [30] в экоаналитической лаборатории "Экоаналит" Института биологии Коми НЦ УрО РАН, аккредитованной в Системе аккредитации аналитических лабораторий (центров) Росстандарта России (аттестат РОСС RU.0001.511257 от 16 апреля 2009). Общее содержание углерода и азота определяли на анализаторе EA-1100 (Carlo Erba). Обменные катионы извлекали ацетатно-аммонийной вытяжкой (рН 7) с последующим определением на атомно-эмис-сионном спектрофотометре ICP Spectro ciros. рН водной и солевой суспензий — потенциомет-рически со стеклянным электродом.
Для изучения амфифильных компонентов ГВ органического вещества почв использовали жидкостную хроматографию гидрофобного взаимодействия. Хроматографическое фракционирование проводили на колонке 1 х 10 см с гидрофоби-
Таблица 1. Краткая характеристика объектов исследования
Участок Год рубки Тип леса Состав древостоя Возраст древостоя, лет Тип почвы Строение профиля опорных разрезов
Хроноряд 1 (Х1)
1-УК — Ельник черничный 6Е4Пх + Б 60-230 Подзолистая иллюви-ально-железистая 0-ЕЬ-ЕШ"-Е2-BE-B-BC-C
2-УК 2002 Лиственно-хвойный кустар-ничково-зеленомошный молодняк 3Е3Б4Р 6 Подзолистая иллюви-ально-гумусово-желе-зистая поверхностно-глееватая O-ELgh-ELfhg-Е2-EB-B-BC
3-УК 1970 Березняк кустарничково-зе-леномошный 7Б2Е1Пх 38 Подзолистая глубоко-глееватая O-ELn-EB-B-BCg
Хроноряд 2 (Х2)
1-ПР — Сосняк бруснично-зелено-мошный 8С2Ос 110 Подзол литобарьерный O-E-BHF-De-Dg
2-ПР 1994 Бруснично-долгомошный молодняк 4Б4Ос2С + Е 10 Торфянисто-подзол гле-евый литобарьерный О-Eg-BHFg/ BGfn-Deg-Dg
3-ПР 1983 Березняк бруснично-долго-мошный 9Б1Ос + Е + С 21 Подзол литобарьерный глееватый O-Eg-BHFg-Deg-Dg
зированным гелем агарозы (Octyl Sepharose CL-4B, Pharmacia) на хроматографе BioLogic LP (BioRad, USA) в трехкратной повторности. Оптическая плотность элюата измерялась при 280 нм. Анализировали щелочные экстракты (0.1 н. NaOH) соотношение почва : раствор (1 : 10). От минеральных примесей экстракт и растворенные препараты очищали центрифугированием (10000 об./мин, в течении 20 мин). Элюирование ГВ сорбировавшихся на матрице геля осуществляли путем постепенного ослабления их гидрофобных контактов с матрицей геля. Сначала 0.05 М ТРИС-НС1 буфером при негативном градиенте концентрации сульфата аммония, а потом, п
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.