Dynamics of organic matter under the afforestation of the former agricultural sod-podzolic soils
Автор: Taller E.B., Artemyeva Z.S., Kirillova N.P., Danchenko N.N.
Журнал: Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева @byulleten-esoil
Рубрика: Статьи
Статья в выпуске: 98, 2019 года.
Бесплатный доступ
The dynamics of the organic matter of the chronosequence of sod-podzolic soils in the process of reforestation has been investigated using the granulo-densitometric fractionation.The objects of research were sod-podzolic soils of the chronosequence of abandoned areas, including the main stages of the development of secondary succession: from overgrowing by grass vegetation to zonal spruce forests of the specially protected natural territory of the Central Forest State Natural Biosphere Reserve. In the first 20-25 years after the reduction of agrocenosis, degradation changes of the humus state of sod-podzolic soils were observed, due to the lack of agrotechnological treatments and the lack of fresh organic matter (OM) of cultivated plants. It is shown that only after 50 years functioning in the reservoir regime, the qualitative and quantitative indicators of organic matter of sod-podzolic soils begin to approach those of spruce forests of different species composition over 100 years old. This is manifested in an increase in the amount of discrete OM, the level of carbon accumulation of this fraction of OM in the soil and the value of its share in the total carbon accumulation in the soil.
Afforestation, organic matter, granulo-densitometric fractionation, discrete organic matter, light fractions, clay
Короткий адрес: https://sciup.org/143168551
IDR: 143168551 | DOI: 10.19047/0136-1694-2019-98-77-104
Текст научной статьи Dynamics of organic matter under the afforestation of the former agricultural sod-podzolic soils
За последние 30 лет около 38 млн га пахотных земель России, что составляет 1/3 общей посевной площади 1990 г., было выведено из сельскохозяйственного оборота (Россия в цифрах, 2017) . Эта часть пахотного фонда перешла в залежь и постепенно зарастает кустарником и мелколесьем. В пахотных почвах, выпавших из сферы сельскохозяйственного использования, восстанавливается естественный зональный тип почвообразования с последовательной сменой биогеоценозов в ряду: агроценоз – залежь – лес. Смена культурного ценоза естественной зональной растительностью на бывших пахотных почвах способствует трансформации пахотного слоя и постепенному восстановлению генетического профиля зональных лесных почв. Таким образом, лесовозобновление на старопахотных землях сопровождается обратным переходом почвы от сельскохозяйственной освоенной к почвам лесного ряда (Владыченский, Телеснина, 2007; Люри, Горячкин, 2010; Телеснина и др., 2017; Артемьева, 2017) . Наибольший интерес исследователей вызывают изменения содержания органического вещества (ОВ) при лесовозобновлении. Этому посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных (Баранова, 1987; Баранова и др., 1989; Литвинович и др., 2002; Курганова и др., 2006, 2007; Артемьева и др., 2013; Артемьева, 2017; Vesterdal et al., 2002; Paul et al., 2003; Hooker, Compton, 2003; Falkengen-Grerup et al., 2005; Morris et al., 2007; Smal, Olszewska, 2008; Kalinina et al., 2009; 2015; Artemyeva et al., 2018) .
Тем не менее, несмотря на большое количество работ, посвященных данной проблеме, однозначное мнение о направлении и характере динамики содержания и запасов ОВ при лесовозобновлении отсутствует. Большинство исследователей отмечают, что отсутствие отчуждения растительного материала в виде урожая и последующее восстановление многолетней растительности на бывших пахотных почвах инициируют процессы накопления углерода (Артемьева и др., 2013; Рыжова и др., 2015; Артемьева, 2017; Ерохова и др., 2014; Artemyeva et al., 2018) . Многие исследователи обращают внимание на то, что вновь образованное органическое вещество должно характеризоваться разными количественным и качественным составами (Lopes de Gerenyu et al., 2008; Артемьева и др., 2013; Рыжова и др., 2015; Артемьева, 2017; Ерохова и др., 2014) . При этом направленность и интенсивность этих процессов зависит от продолжительности периода восстановительной сукцессии. Наиболее противоречивые данные отмечены для небольших сроков функционирования в режиме залежи бывших пахотных почв. В некоторых работах выявлено, что содержание углерода в первые 4–10 лет после вывода пахотных почв из сельскохозяйственного оборота меняется незначительно (Kalinina et al., 2013; Артемьева, 2017) . В то же время в литературе имеются свидетельства о снижении содержания и запасов ОВ в первые 10 лет после вывода пахотных почв из сельскохозяйственного оборота в первую очередь за счет ослабления выраженности дернового процесса при сведении культурного ценоза (Литвинович и др., 2011) . Тем не менее после 15–20 лет наблюдается устойчивое увеличение содержания и запасов углерода в залежных почвах (Kalinina et al., 2013; Артемьева, 2017) .
Большое значение имеет гранулометрический состав почв, на которых протекает лесовозобновление, и степень окультурен-ности пахотной почвы. Так для песчаных почв отмечено, что при их интенсивной окультуренности запасы ОВ в них убывают, тогда как при зарастании пашни, образованной на суглинистой почве, запасы ОВ сначала убывают, а далее возрастают на стадии щучко-вого луга (Матинян и др., 2007). В то же время при изучении зарастания пашни, образованной на флювиогляциальных песках, было выявлено, что содержание и запасы ОВ сначала увеличива- лись на луговой стадии, а затем, после появления леса, постепенно уменьшались (Фомина, 2009).
Использование новых методологических подходов к оценке свойств почв могло бы существенно обогатить информационную базу для такого рода исследований. В частности, такая возможность может быть реализована на основе изучения составляющих ОВ почвы с помощью грануло-денсиметрического фракционирования. Метод гранулоденсиметрического фракционирования позволяет выделять достаточно гомогенные по морфологическим признакам, химическому составу и устойчивости к минерализации функционально значимые компоненты ОВ почвы разных периодов круговорота в мало измененном состоянии. Данный метод был успешно применен при исследовании динамики ОВ в процессе лесовозобновления в том числе на дерново-подзолистых почвах (Артемьева и др., 2013; Артемьева, 2017; Artemyeva et al., 2017, 2018) , Kalinina et al., 2013, 2015; Popelau, Don, 2013; Li et al., 2016) . Учитывая роль ОВ почвы в углеродном балансе наземных экосистем и глобальном цикле углерода, а также широкое распространение залежных земель в мире, и в России в частности, изучение динамики разных пулов ОВ почвы в процессе лесовозобновления актуально.
Целью настоящей работы является изучение динамики разных пулов ОВ в процессе постагрогенного развития в сопоставимом ряду дерново-подзолистых почв южной тайги почв разновременных залежных участков.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования послужили дерново-подзолистые почвы хроноряда залежных участков, включающих основные стадии развития вторичной сукцессии: от зарастания травянистой растительностью до зональных ельников особо охраняемой природной территории Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника (ООПТ ЦЛГПБЗ). Заповедник расположен в Тверской области, в верховьях реки Межи, к северу от города Нелидово.
Центрально-Лесной государственный природный биосферный заповедник служит эталоном южно-таежных лесов в цен- тральной части европейской России. Это область умеренноконтинентального климата. Среднегодовая температура воздуха составляет + 3.6 °С. Среднегодовая сумма осадков составляет 700 мм. Среднее значение гидротермического коэффициента Селянинова – 1.6. Основные данные, включая географические координаты, климатические параметры, почвы, породы, видовой состав растительности приведены в таблице 1.
Исследуемые залежные участки находятся в средней части длинного склона западной экспозиции, что обеспечивает преимущественно автоморфные условия увлажнения. Зарастающие участки являются краевыми фрагментами постепенно зарастающей пашни, где почти все культурные растения сменились естественной флорой. Все залежные участки расположены на сопоставимых дерново-палево-подзолистых легкосуглинистых почвах, подстилаемых моренным суглинком в пределах 300-метровой трансекты и в сопоставимых геоморфологических и литологических условиях (диагностируются по плотности сложения почв).
Объекты исследования: 1) свежая залежь с луговым разнотравьем (5–7 лет); 2) залежь, заросшая березняком с включением подроста осины ( Betula pendula + Pópulus trémula ) возрастом 10– 15 лет; 3) залежь, заросшая березняком ( Betula pendula ) возрастом 20–25 лет; 4) березняк с примесью осины ( Betula pendula + Pópulus trémula ) возрастом 50–60 лет; 5) ельник чернично-разнотравный ( Picea abies – Vaccinium myrtillus – Hylocomium splendns + Pleurozium schreberi) возрастом старше 100–120 лет; ельник чернично-кисличный (Picea abies – Vaccinium myrtillus + Oxalis acetosella) возрастом старше 100–120 лет; ельник кислично-щитовниковый ( Picea abies – Oxalis acetosella + Dryopteris dilatata) возрастом старше 100–120 лет.
Для исследования состояния ОВ был использован модифицированный вариант грануло-денсиметрического метода, позволяющий выделить три качественно различные группы органических и органо-минеральных составляющих почвы, концентрирующих основную массу ОВ и тонкодисперсных минеральных компонентов почвы (Артемьева, 2010) .
Таблица 1. Расположение района исследования, растительность и исследуемые почвы
Table 1. Location of study area, vegetation and investigated soil type
|
Возраст |
Видовой состав |
Почва |
Горизонт |
Глубина, см |
С общ , % в почве |
ρ, г/см3 |
|
5–7 лет |
Луговое разнотравье |
Дерновопалевоподзолистая легкосуглинистая |
A1 |
3–12 |
1.86 |
0.89 |
|
A 1 ’ |
12–29 |
1.09 |
0.95 |
|||
|
A2 |
29–35 |
0.75 |
1.13 |
|||
|
10–15 лет |
Береза |
A 1 |
3–15 |
1.43 |
0.96 |
|
|
A 1 A 2 |
15–28 |
1.12 |
1.36 |
|||
|
А 2 |
28–43 |
0.46 |
1.38 |
|||
|
20–25 лет |
Береза |
A 1 |
4–20 |
1.20 |
1.04 |
|
|
A 1 A 2 |
20–26 |
1.25 |
1.21 |
|||
|
А 2 |
26–40 |
0.57 |
1.56 |
|||
|
50–60 лет |
Береза + осина |
A 1 |
3–16 |
1.90 |
1.04 |
|
|
A 1 A 2 |
16–30 |
1.29 |
1.33 |
|||
|
А2 |
30–44 |
0.64 |
1.38 |
|||
|
100–120 лет |
Ельник черничноразнотравный (ЕЧР) |
A 1 |
4–10 |
3.57 |
1.16 |
|
|
A 1 ’ |
10–16 |
1.74 |
1.23 |
|||
|
А 1 A 2 |
16–26 |
1.13 |
1.48 |
|||
|
Ельник черничнокисличный (ЕЧК) |
A 1 |
4–10 |
4.76 |
1.08 |
||
|
A 1 A 2 |
10–20 |
0.85 |
1.09 |
|||
|
А 2 |
20–30 |
0.31 |
1.24 |
|||
|
Ельник кислично-щитовниковый (ЕКЩ) |
A 1 |
3–7 |
5.68 |
0.87 |
||
|
A 1 ’ |
7–17 |
2.73 |
1.05 |
|||
|
A 1 A 2 |
17–32 |
0.92 |
1.23 |
Примечание: горизонты А 1 и А 1 ’ в залежной почве (5 – 7 лет) были выделены по плотности.
В первую группу входят легкие фракции (ЛФ) плотностью < 1.8 г/см3, ОВ которых не связано прочными химическими связями с глинистыми минералами и представленно органическими остатками разной степени гумификации. Вторая группа – органоглинистые комплексы плотностью > 1.8 г/см3, размером < 1 мкм – продукты взаимодействия гумусовых соединений с глинистыми минералами (ил). Третья группа – остаток после выделения первых двух фракций, включает крупнозернистый минеральный компонент, устойчивые в УЗ-поле микроагрегаты, а также угли и углеподобные вещества.
ЛФ были выделены с помощью бромоформ-этанольной смеси (БЭМ) плотностью 1.8 г/см3 до и после того, как из почвы после 15-минутного воздействия ультразвуком (УЗ) на почвенную суспензию была удалена илистая фракция. Для физического диспергирования был использован ультразвуковой диспергатор зондового типа (LUZD-0,5K-02-00000 PS (Criamid, Russia). Озвучивание (69.7 J мл-1) образца почвы (10 г + 50 мл деионизированной воды) проводилось в течение 1 минуты с последующим центрифугированием в соответствии с законом Стокса, и повторялось 15 раз. Водная суспензия глинистых частиц (< 1 μм) собиралась и высушивалась (60 °C). Свободное ОВ (ЛФ СВ ), не входящее в состав микроагрегатов, сосредоточено в ЛФ плотностью < 1.8 г/см3, выделяемых до процедуры озвучивания, а агрегированное ОВ, включенное в состав микроагрегатов (ЛФ АГР ), выделяется после озвучивания (Артемьева, 2010; Артемьева, Федотов, 2013) .
Общий углерод (С общ ) и углерод органических и органоминеральных фракций (С ЛФ СВ, С ЛФ АГР, С Ил и С Ост ) определяли методом каталитического сжигания на анализаторе ТОС Analyzer (Shimadzu, Japan).
Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета Microsoft Excel 2010 (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Выбранный уровень значимости P < 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Выявлено, что в первые 20–25 лет функционирования в режиме залежи в дерново-подзолистых почвах рассмотренного хроноряда наблюдается снижение количества дискретного ОВ (ЛФ)
(табл. 2, рис. 1). Это обусловлено тем, что масштаб восстановления естественной растительности не компенсирует недостаток свежего ОВ в результате сведения агроценоза.
Рис. 1. Масса органических и органоминеральных фракций в верхних горизонтах исследованных почв хроноряда (%).
Fig. 1. The bulk of organic and organo-mineral fractions in the upper horizons of the studied soils (%).
По достижении срока функционирования в режиме залежи 50 лет наблюдается резкое повышение уровня накопления дискретного ОВ, что обусловлено накоплением мертвой биомассы в почве данного участка в течение достаточно продолжительного срока. Следует отметить, что количество дискретного ОВ в почвах ельников превышает таковое разновозрастных залежных участков в 2.6–6.3 раза (табл. 2).
Анализ экспериментальных данных по концентрации углерода органических и органо-минеральных фракций показал, что все рассматриваемые группы ОВ существенно различаются между собой по данному показателю (табл. 3).
Таблица 2. Распределение органических и органо-минеральных фракций в почвах исследованного хроноряда
Table 2. Distribution of organic and organo-mineral fractions in the studied soils
|
Ценоз |
Возраст, годы |
Видовой состав |
Горизонт |
Глубина, см |
Масса, % |
|||
|
Легкие фракции, пл. < 1.8 г/см3 |
Ил |
Остаток |
||||||
|
ЛФ СВ |
ЛФ АГР |
|||||||
|
Залежь |
5–7 |
Луговое разнотравье |
A 1 |
3–12 |
0.51 (0.23) |
3.35 (0.10) |
2.58 (0.06) |
93.57 (0.21) |
|
A 1 ’ |
12–29 |
3.41 (0.04) |
96.59 (0.04) |
|||||
|
A 1 A 2 |
29–35 |
3.18 (0.08) |
96.82 (0.08) |
|||||
|
10–15 |
Береза |
A 1 |
3–15 |
0.54 (0.07) |
1.68 (0.05) |
3.78 (0.08) |
94.00 (0.11) |
|
|
A 1 A 2 |
15–28 |
4.32 (0.19) |
95.68 (0.16) |
|||||
|
А 2 |
28–43 |
2.90 (0.08) |
97.10 (0.08) |
|||||
|
20–25 |
Береза |
A 1 |
4–20 |
0.23 (0.04) |
1.67 (0.06) |
7.52 (0.02) |
90.59 (0.12) |
|
|
A 1 A 2 |
20–26 |
8.23 (0.08) |
91.77 (0.08) |
|||||
|
А 2 |
26–40 |
6.35 (0.12) |
93.65 (0.12) |
|||||
|
50–60 |
Береза + осина |
A 1 |
3–16 |
0.59 (0.06) |
4.06 (0.04) |
3.69 (0.1) |
91.67 (0.00) |
|
|
A 1 A 2 |
16–30 |
5.33 (0.08) |
94.67 (0.08) |
|||||
|
А 2 |
30–44 |
5.27 (0.11) |
94.77 (0.11) |
|||||
|
Лес |
100–120 |
Ельник черничноразнотравный |
A 1 |
4–10 |
2.45 (0.14) |
5.19 (0.13) |
7.99 (0.65) |
84.37 (0.92) |
|
A 1 ’ |
10–16 |
10.00 (0.78) |
90.00 (0.78) |
|||||
|
A 1 A 2 |
16–26 |
5.54 (0.27) |
94.46 (0.27) |
|||||
|
100–120 |
Ельник черничнокисличный |
A 1 |
4–10 |
6.24 (0.27) |
5.74 (0.13) |
7.39 (0.14) |
80.63 (0.55) |
|
|
A 1 A 2 |
10–20 |
5.71 (0.21) |
94.29 (0.21) |
|||||
|
А 2 |
20–30 |
1.92 (0.63) |
98.08 (0.63) |
|||||
|
100–120 |
Ельник кислично-щитовниковый |
A 1 |
3–7 |
2.56 (0.20) |
11.5 (0.28) |
5.97 (0.19) |
79.97 (0.67) |
|
|
A 1 ’ |
7–17 |
6.12 (0.03) |
93.88 (0.02) |
|||||
|
A 1 A 2 |
17–32 |
5.49 0.18 |
94.51 (0.18) |
|||||
Примечание: в скобках – доверительный интервал.
Таблица 3. Величина концентрации углерода органических и органо-минеральных фракций в дерновоподзолистых почвах исследованного хронологического ряда
Table 3. The carbon content (% in fraction) in organic and organo-mineral fractions of the studied sod-podzolic soils
|
Ценоз |
Возраст, годы |
Видовой состав |
Горизонт |
Глубина, см |
Легкие фракции пл. < 1.8 г/см3 |
Ил |
Остаток |
|
|
ЛФ СВ |
ЛФ АГР |
|||||||
|
Залежь |
5–7 |
Луговое разнотравье |
A 1 |
3–12 |
20.34 (2.04) |
22.58 (2.11) |
12.36 (0.12) |
0.73 (0.05) |
|
A 1 ’ |
12–29 |
12.54 (0.10) |
0.68 (0.04) |
|||||
|
A 1 A 2 |
29–35 |
10.14 (0.08) |
0.44 (0.12) |
|||||
|
10–15 |
Береза |
A 1 |
3–15 |
24.14 (1.70) |
26.66 (0.41) |
10.09 (0.42) |
0.50 (0.00) |
|
|
A 1 A 2 |
15–28 |
12.15 (0.10) |
0.63 (0.05) |
|||||
|
А 2 |
28–43 |
9.56 (0.14) |
0.18 (0.03) |
|||||
|
20–25 |
Береза |
A 1 |
4–20 |
21.43 (0.14) |
20.32 (0.12) |
6.62 (0.08) |
0.34 (0.06) |
|
|
A 1 A 2 |
20–26 |
8.60 (0.11) |
0.59 (0.04) |
|||||
|
А 2 |
26–40 |
6.11 (0.12) |
0.19 (0.04) |
|||||
|
50–60 |
Береза + осина |
A 1 |
3–16 |
30.90 (0.59) |
19.40 (0.09) |
10.88 (0.07) |
0.58 (0.00) |
|
|
A 1 A 2 |
16–30 |
10.91 (0.46) |
0.75 (0.05) |
|||||
|
А 2 |
30–44 |
7.31 (0.07) |
0.27 (0.06) |
|||||
|
Лес |
100–120 |
Ельник черничноразнотравный |
A 1 |
4–10 |
24.38 (0.24) |
21.80 (0.00) |
10.88 (0.24) |
1.15 (0.04) |
|
A 1 ’ |
10–16 |
10.71 (0.34) |
0.74 (0.08) |
|||||
|
A 1 A 2 |
16–26 |
12.21 (0.41) |
0.48 (0.11) |
|||||
|
100–120 |
Ельник черничнокисличный |
A 1 |
4–10 |
30.77 (0.43) |
20.52 (0.25) |
10.11 (0.11) |
1.13 (0.04) |
|
|
A 1 A 2 |
10–20 |
7.28 (0.24) |
0.46 (0.04) |
|||||
|
А 2 |
20–30 |
7.88 (0.39) |
0.16 (0.08) |
|||||
|
100–120 |
Ельник кислично-щитовниковый |
A 1 |
3–7 |
23.26 (0.12) |
22.85 (0.29) |
17.69 (0.02) |
1.76 (0.04) |
|
|
A 1 ’ |
7–17 |
13.91 (0.04) |
2.00 (0.06) |
|||||
|
A 1 A 2 |
17–32 |
9.34 (0.12) |
0.43 (0.10) |
|||||
Примечание: в скобках – доверительный интервал.
Свободное ОВ (ЛФ СВ ), обогащенное легкоразлагаемыми остатками растительного и микробного происхождения, локализуется в межагрегатном поровом пространстве почвы, являясь фракцией с наименьшей массой, обладает наиболее высокой величиной концентрации углерода: 20.3–30.9 % (М фракции). Чуть меньшими величинами концентрации углерода характеризуется агрегированное ОВ (ЛФ АГР ) – 20.5–26.6 % (М фракции (табл. 3).
Величина концентрации С Ил , в которой органические соединения прочно связанны с глинистыми минералами и оксидами-гидроксидами Fe и Al, гумусоаккумулятивных горизонтов почв исследованного хроноряда варьирует от 6.6 % до 17.7 % (M фракции) (в верхних горизонтах) и в пределах 6.1–10.1 % (М фракции) в горизонте А 2 (табл. 3). Исключение отмечено лишь для ельника чернично-разнотравного, где величина концентрации С Ил сопоставима с таковыми верхних горизонтов.
Величина концентрации углерода фракции Остатка верхних двух горизонтов разновозрастных залежных участков колеблется в широких пределах – от 0.34 до 0.75 % (М фракции), в горизонте А 1 А 2 / А 2 отмечена меньшая степень варьирования: от 0.2 до 0.48 % (М фракции) (табл. 3). В ельниках разного видового состава величина концентрации углерода фракции Остатка в горизонте А 1 существенно выше (в 2.4–5.2 раза) таковой залежных участков.
Уровень накопления углерода в гумусово-аккумулятивных горизонтах дерново-подзолистых почв исследованного хроноряда колеблется в пределах 1.2–5.8 % (М почвы), в горизонте A 1 ’ / А 1 А 2 величина С общ существенно ниже и колеблется в пределах 0.9– 2.7 % (M почвы). Для нижних горизонтов отмечены минимальные наблюдаемые значения (табл. 4).
Таблица 4. Уровень накопления углерода органическими и органо-минеральными фракциями в дерново- подзолистых почвах исследованного хронологического ряда
Table 4. The carbon content (% in soil) in organic and organo-mineral fractions of the studied sod-podzolic soils
|
Ценоз |
Возраст, годы |
Видовой состав |
Горизонт |
Глубина, см |
Углерод, % М почвы |
С общ |
|||
|
егкие фракции, пл. < 1.8 г/см3 |
Ил |
Остаток |
|||||||
|
ЛФ СВ |
ЛФ АГР |
||||||||
|
Залежь |
5–7 |
Луговое разнотравье |
A 1 |
3–12 |
0.10 (0.00) |
0.76 (0.05) |
0.32 (0.00) |
0.68 (0.04) |
1.86 (0.00) |
|
A 1 ’ |
12–29 |
0.43 (0.01) |
0.66 (0.04) |
1.09 (0.05) |
|||||
|
A 1 A 2 |
29–35 |
0.32 (0.01) |
0.43 (0.11) |
0.75 (0.12) |
|||||
|
10–15 |
Береза |
A 1 |
3–15 |
0.13 (0.03) |
0.45 (0.01) |
0.38 (0.01) |
0.47 (0.00) |
1.43 (0.01) |
|
|
A 1 A 2 |
15–28 |
0.52 (0.01) |
0.60 (0.05) |
1.12 (0.06) |
|||||
|
А 2 |
28–43 |
0.28 (0.00) |
0.18 (0.03) |
0.46 (0.03) |
|||||
|
20–25 |
Береза |
A 1 |
4–20 |
0.05 (0.01) |
0.34 (0.01) |
0.50 (0.00) |
0.31 (0.06) |
1.20 (0.07) |
|
|
A 1 A 2 |
20–26 |
0.71 (0.00) |
0.54 (0.04) |
1.25 (0.03) |
|||||
|
А 2 |
26–40 |
0.39 (0.01) |
0.18 (0.04) |
0.57 (0.00) |
|||||
|
50–60 |
Береза + осина |
A 1 |
3–16 |
0.18 (0.02) |
0.79 (0.00) |
0.40 (0.01) |
0.53 (0.00) |
1.90 (0.01) |
|
|
A 1 A 2 |
16–30 |
0.58 (0.03) |
0.71 (0.05) |
1.29 (0.01) |
|||||
|
А 2 |
30–44 |
0.38 (0.00) |
0.26 (0.06) |
0.64 (0.05) |
|||||
|
Лес |
100–120 |
Ельник черничноразнотравный |
A 1 |
4–10 |
0.60 (0.04) |
1.13 (0.03) |
0.87 (0.09) |
0.97 (0.02) |
3.57 (0.18) |
|
A 1 ’ |
10–16 |
1.07 (0.05) |
0.67 (0.06) |
1.74 (0.11) |
|||||
|
A 1 A 2 |
16–26 |
0.68 (0.01) |
0.45 (0.11) |
1.13 (0.10) |
|||||
|
100–120 |
Ельник черничнокисличный |
A 1 |
4–10 |
1.92 (0.06) |
1.18 (0.01) |
0.75 (0.01) |
0.91 (0.04) |
4.76 (0.04) |
|
|
A 1 A 2 |
10–20 |
0.42 (0.00) |
0.43 (0.04) |
0.85 (0.04) |
|||||
|
А 2 |
20–30 |
0.15 (0.04) |
0.16 (0.08) |
0.31 (0.12) |
|||||
|
100–120 |
Ельник кислично-щитовниковый |
A 1 |
3–7 |
0.60 (0.04) |
2.63 (0.10) |
1.06 (0.03) |
1.41 (0.02) |
5.68 (0.20) |
|
|
A 1 ’ |
7–17 |
0.85 (0.00) |
1.88 (0.05) |
2.73 (0.06) |
|||||
|
A 1 A 2 |
17–32 |
0.51 (0.01) |
0.41 (0.09) |
0.92 (0.08) |
|||||
Примечание: в скобках – доверительный интервал.
Рис. 2. Содержание углерода органических и органоминеральных фракций в верхних горизонтах исследованных почв хроноряда (% в почве).
Fig. 2. The carbon content (% in soil) in organic and organo-mineral fractions of the upper horizons of the studied soils.
При анализе уровня накопления С общ четко выделяются почвы лесных участков возрастом более 100 лет, в которых уровень накопления углерода в верхнем гумусоаккумулятивном горизонте превышает таковой почв залежей: 3.6–5.8 vs. 1.2–1.9 (% М почвы). Средние величины С общ для ельников разного видового состава почти в три раза выше по сравнению с таковыми почв рассмотренного хроноряда (табл. 4, рис. 2). Учитывая, что ельник кислич-но-щитовниковый представляет последнюю (5-ю) стадию сукцессии, полученные аналитические данные согласуются с литературными данными об увеличении С общ при зарастании дерновоподзолистых почв, выведенных из сельскохозяйственного использования (Баранова, 1987; Leifeld, Kogel-Knabner, 2005; Christensen, 1992; Guggenberger, Zech, 1999; Артемьева и др., 2013, 2014; Ар темьева, 2017; Artemyeva et al., 2017, 2018) .
Прослеживается тенденция к снижению Собщ в верхних горизонтах исследованных почв хроноряда в течение первых 25 лет лесовосстановления с последующим повышением величины Собщ, по мере увеличения сроков залежи (табл. 4, рис. 2). Достаточно высокие значения Собщ в почвах, развивающихся под луговым разнотравьем, обусловлено, по-видимому, пролонгированным последействием положительного влияния их сельскохозяйственного прошлого.
Это сопровождается развитием процессов, способствующих дифференциации верхних горизонтов по содержанию углерода, отмечаемое многими авторами, что связывают в первую очередь с протекающими процессами восстановления профиля, характерного данному биоценозу (Литвинович и др., 2002; Артемьева, 2017) . С увеличением сроков лесовосстановления свыше 50 лет разница в содержании С общ в верхнем и нижележащем горизонтах достигает 1.5–5.6 раз соответственно, что обусловлено прежде всего высокой степенью аккумуляции С ЛФ (в 3.2–4.4 раза) в гумусоаккумулятивном горизонте почв возрастом более 50–60 лет: 1.7–3.2 vs. 0.4–1.0 (% M почвы) (залежные участки возрастом менее 50 лет) (табл. 4).
Изменение уровня накопления С ЛФ в исследуемом хроноряду прежде всего обусловлено заметным увеличением содержания углерода свободного ОВ (С СВ ) – от 0.1 до 0.6–1.9 (% М почвы) (табл. 4, рис. 2). Исключение отмечено лишь для почвы залежи сроком 20–25 лет, развивающейся под пологом березового леса. По-видимому, это обусловлено минимальным наблюдаемым проективным покрытием почвы по сравнению с остальными исследованными почвами, исключая почву под лугом (10–15 % vs. 25–30 ÷ 60–70 %) (Комарова и др., 2018) .
Уровень накопления углерода фракции ЛФАГР в почвах исследованного хроноряда также имеет тенденцию к увеличению в ряду: 20–25 лет < 10–20 лет < 50–60 лет < ельники (табл. 4, рис.2). Следует отметить, что в первые 20 лет уровень накопления данной фракции снижается, увеличение СЛФАГР наблюдается лишь после 50 лет функционирования почв в режиме залежи. При исследовании залежных дерново-подзолистых почв Костромской области было зафиксировано увеличение САГР, начиная с 20 лет после вывода почв из активного сельскохозяйственного оборота (Артемьева, 2017). Однако в литературе имеются сведения и об обратной тенденции (Kalinina et al., 2013; Artemyeva et al., 2018). Следует отметить, что почвы залежей аккумулируют в 1 .4–8 раз меньше САГР по сравнению с почвами ельников разного видового состава.
Уровень накопления С Ил в гумусоаккумулятивных горизонтах в изученных почвах хроноряда колеблется в пределах от 0.3– 0.5 % (М почвы) (разновременные залежные участки) до 0.8–1.1 % (М почвы) (ельники) (табл. 4). Наблюдается тенденция к увеличению дифференциации верхних горизонтов по содержанию С Ил в ряду разновременных залежных участков: луг (в 1 .3 раза) < 10–15 лет (в 1.4 раза) ≤ 20–25 лет (в 1.4 раза) < 50–60 лет (в 1.5 раза) (табл. 4).
Содержание С Ост , ОВ которого локализуется в устойчивых в УЗ-поле микроагрегатах в гумусоаккумулятивных горизонтах изученных почв хроноряда, колеблется в пределах от 0.31 до 0.68 % (М почвы), и это в 2.1–4.6 раза меньше по сравнению с ельниками разного видового состава (табл. 4, рис. 2). Это согласуется с литературными данными об увеличении С Ост в залежных почвах, начиная с 45–50 лет после прекращения функционирования агроценоза (Артемьева, 2017; Artemyeva et al., 2018) . Аналогичная тенденция увеличения содержания ОВ устойчивых агрегатов < 20 мкм отмечалась и при исследовании ОВ почв при смене характера землепользования на территории Баварии (Leifeld, Ko- gel-Knabner, 2005) .
Таким образом, снижение уровня накопления углерода всех исследованных фракций в верхних горизонтах, за исключением илистой, в первые 20–25 лет после вывода почв из активного сельскохозяйственного оборота обусловлено тем, что масштаб восстановления естественной растительности не компенсирует недостаток свежего ОВ в результате сведения агроценоза. С увеличением сроков залежи прирост биомассы увеличивается и, начиная с 50 лет функционирования в режиме залежи, наблюдается устойчивый рост уровня накопления углерода всех исследованных фракций.
Состав компонентов ОВ гумусоаккумулятивных горизонтов. Анализ долевого участия углерода изучаемых фракций в составе Собщ исследованных дерново-подзолистых почв хроноряда показал, что доля дискретного ОВ увеличивается по мере увели- чения возраста залежи: 20–25 лет < 10–15 лет < 5–7 лет < 50–60 лет (табл. 5).
Следует отметить, что долевое участие дискретного ОВ в почвах ельников в 1.3–2.0 раза выше по сравнению с таковым разновозрастных залежных участков, достигает 57–65 % С общ (табл. 5).
Величина долевого участия С Ил в гумусоаккумулятиных горизонтах почв исследованного хроноряда, начиная с 50–60 лет, демонстрирует тенденцию к уменьшению: доля С Ил закономерно снижается с 42 до 16–24 % от С общ (табл. 5).
В целом, анализ распределения величины долевого участия С Ил и С Ост показал, что они отчетливо увеличиваются от гумусоаккумулятивного горизонта к нижележащим.
Запасы углерода в гумусоаккумулятивных горизонтах. Анализ распределения запасов углерода изучаемых фракций в слое 0– 20 см исследованных дерново-подзолистых почв хроноряда продемонстрировал тенденцию к увеличению по мере увеличения срока функционирования в режиме залежи (табл. 6, рис. 3).
Рис. 3. Величина запасов углерода в слое 0–20 см дерново-подзолистых почв исследованного хроноряда (т/га).
Fig. 3. The carbon content (t ha-1) in the 0–20 cm of the studied sod-podzolic soils.
Таблица 5. Распределение углерода органических и органо-минеральных фракций в дерново-подзолистых почвах исследованного хронологического ряда
Table 5. The carbon content (% of total C) in organic and organo-mineral fractions in studied sod-podzolic soils
|
Ценоз |
Возраст, годы |
Видовой состав |
Горизонт |
Глубина, см |
Углерод, % С общ |
|||
|
Легкие фракции пл. < 1.8 г/см3 |
Ил |
Остаток |
||||||
|
ЛФ СВ |
ЛФ АГР |
|||||||
|
Залежь |
5–7 |
Луговое разнотравье |
A 1 A 1 ’ A 1 A 2 |
3–12 12–29 29–35 |
5.52 (0.02) |
40.74 (2.62) |
17.17 (0.26) 39.26 (1.07) 43.34 (6.17) |
36.57 (2.38) 60.74 (1.07) 56.66 (6.17) |
|
10–15 |
Береза |
A 1 A 1 A 2 А 2 |
3–15 15–28 28–43 |
9.15 (1.88) |
31.27 (0.71) |
26.71 (0.77) 46.72 (1.28) 60.82 (3.86) |
32.88 (0.40) 53.28 (1.28) 39.18 (3.86) |
|
|
20–25 |
Береза |
A 1 A 1 A 2 А 2 |
4–20 20–26 26–40 |
4.07 (0.37) |
28.36 (0.56) |
41.69 (2.94) 56.65 (1.69) 68.07 (2.57) |
25.87 (3.13) 43.35 (1.69) 31.21 (6.40) |
|
|
50–60 |
Береза + осина |
A 1 A 1 A 2 А 2 |
3–16 16–30 30–44 |
9.59 (1.07) |
41.39 (0.07) |
21.07 (0.82) 45.21 (3.06) 60.17 (5.53) |
27.95 (0.18) 54.79 (3.06) 39.83 (5.53) |
|
|
Лес |
100–120 |
Ельник черничноразнотравный |
A 1 A 1 ’ A 1 A 2 |
4–10 10–16 16–26 |
16.74 (0.26) |
31.69 (0.82) |
24.37 (1.29) 61.66 (1.20) 60.09 (6.17) |
27.20 (0.74) 38.34 (1.20) 39.91 (6.17) |
|
100–120 |
Ельник черничнокисличный |
A 1 A 1 A 2 А 2 |
4–10 10–20 20–30 |
40.37 (0.89) |
24.75 (0.05) |
15.73 (0.02) 49.06 (2.53) 49.53 (5.35) |
19.16 (0.96) 50.94 (2.53) 50.47 (5.35) |
|
|
100–120 |
Ельник кислично-щитовниковый |
A 1 A 1 ’ A 1 A 2 |
3–7 7–17 17–32 |
10.47 (0.39) |
46.20 (0.15) |
18.56 (0.04) 31.21 (0.57) 55.93 (6.16) |
24.76 (0.50) 68.79 (0.57) 44.07 (6.16) |
|
Примечание: в скобках – доверительный интервал.
Таблица 6. Запасы углерода органических и органо-минеральных фракций в исследованных дерновоподзолистых почв хроноряда (слой 0–20 см)
Table 6. Carbon content (t ha-1) in organic and organo-mineral fractions of the studied sod-podzolic soils (0–20 cm layer)
|
Ценоз |
Возраст, годы |
Видовой состав |
Запасы С (т/га) |
|||||
|
Легкие фракции, пл. < 1.8 г/см3 |
Ил |
Остаток |
С общ |
|||||
|
ЛФ СВ |
ЛФ АГР |
∑ |
||||||
|
Залежь |
5–7 |
Луговое разнотравье |
0.82 (0.00) |
6.05 (0.39) |
6.87 (0.39) |
6.19 (0.03) |
11.07 (0.01) |
24.14 (0.43) |
|
10–15 |
Береза |
1.51 (0.32) |
5.14 (0.07) |
6.65 (0.25) |
12.01 (3.81) |
11.93 (0.50) |
30.58 (4.57) |
|
|
20–25 |
Береза |
0.51 (0.08) |
3.52 (0.15) |
4.03 (0.22) |
11.78 (0.56) |
18.98 (1.19) |
34.79 (1.98) |
|
|
50–60 |
Береза + осина |
2.47 (0.29) |
10.60 (0.05) |
13.10 (0.34) |
12.60 (0.31) |
32.30 (0.27) |
58.00 (0.38) |
|
|
Лес |
100–120 |
Ельник черничноразнотравный |
5.20 (0.34) |
9.83 (0.24) |
15.03 (0.58) |
19.54 (0.46) |
37.88 (1.94) |
72.45 (2.98) |
|
Ельник черничнокисличный |
12.44 (0.37) |
7.63 (0.07) |
20.07 (0.45) |
12.24 (0.22) |
37.40 (0.39) |
69.71 (0.17) |
||
|
Ельник кислично-щитовниковый |
4.83 (0.35) |
21.33 (0.80) |
26.16 (1.15) |
22.19 (0.31) |
41.45 (1.03) |
89.80 (2.49) |
||
Примечание: в скобках – доверительный интервал.
Интересно, что начиная с 50–60 лет функционирования в режиме залежи отмечено устойчивое увеличение величин запасов дискретного ОВ и фракции Остатка, в котором локализуются устойчивые в УЗ-поле микроагрегаты.
Выявленная зависимость описывается полиномиальным уравнением второй степени с коэффициентом детерминации R2 = 0.97 при Р < 0.05 (рис. 1).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Лесовосстановление с течением времени приводит к накоплению мертвой биомассы, что способствует увеличению содержания наиболее чувствительных к изменению экологических условий легких фракций (ЛФ).
Материалы исследования с применением грануло-денсиметрического фракционирования почв свидетельствуют о том, что в почвах после выведения их из сельскохозяйственного производства происходят качественные и количественные изменения его гумусового состояния. В первые 20–25 лет после сведения агроценоза наблюдаются деградационные изменения гумусового состояния дерново-подзолистых почв, обусловленные отсутствием агротехнологических обработок и недостатком свежего ОВ культурных растений. Лишь по прошествии 50 лет функционирования в режиме залежи качественные и количественные показатели ОВ дерново-подзолистых почв начинают приближаться к таковым ельников возрастом более 100 лет. Это проявляется в увеличении количества дискретного ОВ, уровне накопления углерода данной фракции ОВ в почве и величине ее долевого участия в общем уровне накопления углерода в почве. Это согласуется с ранее полученными данными о восстановлении гумусового состояния дерново-подзолистой почвы 45-летнего возраста, ОВ которой практически достигло показателей, характерных для автоморфных почв естественных ценозов (Артемьева и др., 2013; Артемьева, 2017) .
БЛАГОДАРНОСТЬ
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Президиума РАН (грант на проведение фундаментальных исследований в 2018–2020 гг.) с привлечением оборудования Центра коллективного пользования “Функции и свойства почв и почвенного покрова” Почвенного института им. В.В. Докучаева.
