Гумусное состояние почв в районе биологической станции Уральского федерального университета

Введение. Исследования органического вещества, в частности состава гумуса почв, ведутся продолжительное время. Чаще всего почвенные органические соединения рассматривают в качестве факторов при взаимодействии с тяжелыми металлами [14] либо при моделировании круговорота вещества в экосистемах [9]. Хотя формирование гумуса того или иного типа почв обычно связывают с водным режимом, эрозией, составом лесной подстилки, влияние внутри-профильного распределения веществ на отношение гумусовых кислот все еще остается малоизученным. До сих пор не было предпринято попыток объединить почвенные факторы с отношением гумусовых кислот в виде математической зависимости.

Цель работы . Изучение группового состава гумуса почв в районе Биологической станции Уральского федерального университета (УрФУ), а также влияния на него возможных факторов.

Объект исследования . Биологическая станция УрФУ расположена в 1,7 км к западу от поселка Двуреченск Сысертского района Свердловской области и в 2,5 км от места слияния рек Исеть и Сысерть. Территория относится к Восточным предгорьям Урала, Лялинско-Уфалейскому округу низких предгорий Сысерт-ского равнинно-увалистого подокруга [7]. Почвы относятся к Двуреченскому почвенному району Западно-Сибирской предлесостепной почвенной провинции [2].

Все площадки расположены в лесном массиве по одной трансекте на расстоянии 0,9–1,4 км в северо-западном направлении от Биостанции УрФУ. Исследуемая территория представляет собой холм с пологими сторонами. Абсолютные высоты достигают 245–261 м. Древесный ярус состоит преимущественно из сосняков с подростами березы. В травяно-кустарничковом ярусе преобладают черника, папоротник, злаки. Площадки Sch-3 и Szl-2 расположены с двух проти- воположных сторон холма, почвы – бурозем оподзоленный. Площадка Spap-1 расположена на вершине холма, почва дерново-подзолистая типичная (горная). В августе 2013 г. на этих площадках было заложено по одному полнопрофильному разрезу и с каждого генетического горизонта отобраны образцы почвы (всего 16 образцов). Диагностика почв и их морфологическое описание сделаны С.Ю. Кайгородовой (лаборатория экотоксикологии популяций и сообществ ИЭРиЖ УрО РАН).

Методы исследования. Образцы были высушены при комнатной температуре, размельчены на механической мельнице MF 10 basic (IKA Werke, Германия) и просеяны через сито диаметром 2 мм.

Концентрации общего углерода, гумуса и его групповой состав (экстрагирование по методике Кононовой-Бельчиковой) измерены на анализаторе Multi N/C 2100 (AnalytikJena, Германия). Реакция почвенной среды измерена на иономере. Концентрации обменного кальция и магния определены комплексонометрическим титрованием трилоном Б. Для определения содержания физической глины (суммы фракций менее 10 мкм) использован анализатор Analysette 22 Nanotec (Fritsch, Германия). Связанное с органическим веществом железо определяли по методу Баскомба. Обменный кремний экстрагировали из почвы 5%-м гидроксидом калия при температуре 105°C, его концентрацию определяли на спектрофотометре, окрашивая раствор молибденовокислым аммонием и винной кислотой. Создана регрессионная модель зависимости профильного распределения Сгк/Сфк от физико-химических параметров почвы для двух площадок с буроземом. Выбор потенциальных предикторов для построения моделей основывался на информации о способности тех или иных соединений влиять на физико-химические свойства гумусовых веществ, в частности образовывать с ними комплексные соединения. Химические анализы выполнены в лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ ИЭРиЖ УрО РАН.

Результаты и их обсуждение . Распределение общего углерода и углерода гумуса в почвенном профиле на всех площадках регрессивно-аккумулятивное: максимальные концентрации зарегистрированы в подстилке, а с глубиной происходит их снижение (табл. 1).

Содержание углерода и состав гумуса почвы 3 площадок

Таблица 1

Площадка, вид почвы	Горизонт	Глубина, см	ТС, г/100г	C Гум мг/100г	С ГК	С ФК	С ГК /С ФК
					% от ТС
Sch-3 Бурозем оподзолен-ный	О	0-3	28,42	14587,1	27,2	24,1	1,1
	AY	3-8	4,32	1207,82	17,5	10,5	1,7
	AYe	8-13	1,43	756,02	17,2	35,5	0,5
	ELM	13-21	0,54	239,42	11,6	32,9	0,4
	BEL	21-26	0,54	202,02	8,1	29,1	0,3
	BM	26-40	0,31	150,52	13,1	35,1	0,4
Szl-2 Бурозем оподзолен-ный на делювии серпентенита	О	0-5,5	24,02	12087,1	28,1	22,2	1,3
	AY	5,5-10	3,34	1053,02	21,4	10,0	2,1
	ELM	10-25	0,49	246,02	14,9	35,8	0,4
	BEL	25-32	0,25	156,98	8,9	54,4	0,2
	BM	32-48	0,17	116,92	10,6	59,4	0,2
Spap-1 Дерново-подзолистая типичная (горная)	О	0-5	33,45	15287,1	27,5	18,2	1,5
	AY	5-8	4,90	1377,82	10,2	17,9	0,6
	EL	8-18	1,62	754,22	15,1	31,6	0,5
	BEL	18-32	0,37	197,82	14,9	38,1	0,4
	BT	32-…	0,27	157,1	9,5	48,2	0,2

Примечание. TC – общий углерод .

В подстилке, гумусовом и элювиальном горизонте дерново-подзолистой почвы концентрации общего углерода и углерода гумуса выше, чем на площадках с буроземом. Содержание углерода гуминовых кислот на всех площадках равномерно уменьшается с глубиной. Содержание углерода фульвокислот снижается от подстилки к гумусовому горизонту, а затем резко увеличивается. В подстилке всех исследуемых площадок гумус фульватно-гуматного типа. Максимальные отношения Сгк/Сфк в профиле бурозема формируются в гумусовом горизонте, а в профиле дерново-подзолистой почвы – в подстилке. В средней и нижней частях профиля всех площадок происходит сужение отношений Сгк/Сфк с формированием гуматно-фульватного и фульватного типов гумуса.

Как было отмечено [10], увеличение доли гуминовых кислот в составе органического вещества лесных подстилок – это основная особенность южной тайги и предлесостепной подзоны. Причина увеличения гуматности состоит в увеличении степени разложения подстилки в сосняках с разным составом травянистой расти- тельности в южной тайге. Если в подстилке формируются гумусовые вещества фульватно-гуматного типа, то в нижележащих горизонтах (в буроземах) возрастает роль фульвокислот. Фульватный гумус может формироваться на разной глубине, но наиболее благоприятные условия для новообразования гуминовых кислот создаются именно на вершинах горных склонов [11]. Это подтверждалось фульватно-гуматным составом гумуса в гумусовом горизонте. Состав гумуса средней и нижней части профиля буроземов был хорошо описан в почвах Южной Сибири (Восточный Саян) [6]. В элювиальных и иллювиальных горизонтах буроземов формировался фульватный тип гумуса со слабой степенью гумификации органического вещества. Это объяснялось тем, что вновь образовавшиеся «молодые» гуминовые кислоты в условиях избыточного проточного увлажнения, характерного для почв этого региона, подвергаются гидролизу и трансформируются в фульвокислоты, в том числе в зимний период.

Реакция среды в пределах каждого исследованного профиля варьирует от кислой до слабокислой (табл. 2), что характерно для данных почв [3]. Гранулометрический состав гумусового горизонта площадки Sch-3 диагностирован как суглинок легкий. Далее, вниз по профилю, он трансформируется до легкой и средней глины. По гранулометрическому составу все горизонты с площадки Szl-2 представлены суглинком тя- желым. Гумусовый горизонт площадки Spap-1 тяжелосуглинистый, затем он трансформируется до легкой глины, а в нижнем горизонте до связного песка. На всех площадках содержание суммы обменного кальция и магния высокое в подстилке и в нижней части профиля.

Аналогичное распределение кальция и магния было обнаружено в некоторых почвенных разрезах в южно-таежных лесах Урала [12].

Физико-химические показатели почв

Таблица 2

Площадка	Горизонт	Глубина, см	pH водн.	Физическая глина, %	ΣCa+Mg	Siобм.	Feорг.
					мг/кг
Sch-3	О	0-3	5,3	Не опр.	5503,1	4803,2	2215,8
	AY	3-8	5,2	27,0	1272,8	16061,0	2137,5
	AYe	8-13	5,4	24,4	877,2	3697,9	1287,2
	ELM	13-21	5,9	12,5	347,4	3742,4	486,9
	BEL	21-26	4,6	64,5	2186,9	3456,6	310,7
	BM	26-40…	5,3	74,5	2303,8	3893,3	155,4
Szl-2	О	0-5,5	5,3	Не опр.	3663,5	9246,4	2773,0
	AY	5,5-10	4,6	43,8	1389,6	21868,5	2352,1
	ELM	10-25	4,8	42,9	232,1	4955,2	734,6
	BEL	25-32	4,9	44,3	1099,1	4402,6	430,0
	BM	32-48	5,1	50,2	9620,3	5041,2	408,2
Spap-1	О	0-5	5,9	Не опр.	4875,4	10416,7	2534,4
	AY	5-8	4,5	49,0	1196,9	12364,1	2063,7
	EL	8-18	5,5	53,9	887,5	4004,4	1567,6
	BEL	18-32	5,6	58,0	1275,9	6548,0	407,7
	BT	32-…	5,7	5,3	1626,4	4216,9	560,8

Внутрипрофильное распределение органического железа на всех площадках аккумулятивного типа. Такая же закономерность проявлялась в буроземах верхних частей склонов в горно-лесных почвах [11].

Внутрипрофильное распределение обменного кремния недифференцированное. Максимальные концентрации обменного кремния обнаружены в гумусовом горизонте.

По результатам регрессионного анализа было получено уравнение зависимости Сгк/Сфк от возможных предикторов (для площадок Sch-3 и Szl-2)

Сгк/Сфк = –0,0367+0,80×10^–4 Si обм. +1,88× ×10^–4 Fe орг. –0,22×10^–4 Σ Ca+Mg

(N = 9; R2 = 0,99).

Переменные Fe орг. и Σ Ca+Mg из уравнения можно исключить, поскольку их вклад не значим (p<0,05).

Тип гумуса в профиле площадок в большей степени зависит от содержания обменного кремния. Полученную зависимость можно интерпретировать исходя из имеющихся литературных данных. Известно, что образование кремнегумусовых комплексов возможно на поверхности кристаллических или аморфных форм кремнезема [1, 5]. Подвижность и растворимость кремния зависит от pH, содержания почвенной влаги и гумусовых веществ [4, 13]. Гуминовые кислоты могут стабилизировать растворимые формы кремния, формируя малорастворимые продукты поликонденсации [8]. Полученная модель носит скорее описательный характер, поскольку она строится только по кон- кретному числу параметров на данном участке почвы. Безусловно, в число возможных факторов, влияющих на состав гумуса, могут входить и другие соединения, в частности содержание тяжелых металлов.

Заключение . Содержание и состав органического вещества, распределение физикохимических компонентов исследуемых почв с площадок района Биологической станции УрФУ типичны для данной почвенной провинции Урала. Различия в профильном распределении веществ между двумя почвами, помимо их генетических особенностей, также могут зависеть от рельефа. Тип гумуса бурозема в большей степени определяется содержанием обменного кремния в почве. Использование регрессионного анализа позволяет оценить значимость каждого параметра в образовании гумуса различных типов почв. Почвы Биологической станции можно использовать в качестве полигона сравнения с другими объектами. В зависимости от поставленных целей количество предикторов состава гумуса можно расширить.