Особенности гранулометрического состава автоморфных почв северо- и среднетаёжной подзон Карелии

В настоящее время при большом интересе к проблеме сохранения почв как незаменимого компонента биосферы разработка представлений о почвообразовательных процессах особенно актуальна. Более того, новые подходы к оценке почвообразовательных процессов отдельных регионов недостаточно разработаны и не вполне отвечают современным требованиям, подразумевающим оперативное получение и предоставление объективной экологической информации пользователю. Четыре основные задачи почвоведения в XXI веке должны акцентировать внимание на изучении почв в пространстве и времени, почвенных свойств и процессов, оптимальных методов использования почв, природоохранных аспектах почвоведения на местном, региональном и глобальном уровнях [1]. Установление особенностей современных процессов почвообразования и формирования почвенного плодородия в севе-ро- и среднетаежных подзонах Карелии, оценка экологического состояния лесных почв фоновых и урбанизированных территорий необходимы для разработки мероприятий по рациональному использованию и охране почвенных ресурсов.

Коллектив лаборатории лесного почвоведения Института леса КарНЦ РАН на протяжении многих лет проводит экспериментальные исследова-

ния почвообразования на Северо-Западе России, исследованы особенности строения почвенного покрова данной территории, собран большой материал по составу, статическим и динамическим свойствам почв.

Установление закономерностей почвообразования и выветривания на различных почвообразующих породах продолжает оставаться одной из точек роста современного генетико-географического почвоведения и представляет интерес для понимания глобальных закономерностей распространения процессов, идущих в педосфере, а также биологических и биогеохимических процессов, в том числе имеющих прикладное значение [3].

Почвообразующие породы в процессе почвообразования претерпевают существенные изменения: происходит трансформация минеральных частиц, накапливается органическое вещество (гумус). Минералогический и химический состав почвообразующих пород определяет особенности почвообразования: скорость и интенсивность трансформации минеральной массы, вынос или накопление подвижных форм химических элементов, взаимодействие их с органическими кислотами и формирование почвенного профиля, обладающего определенным уровнем плодородия. Решающую роль на первичном этапе поч- вообразования в трансформации минеральной массы играют гидротермические условия, под воздействием которых идет физическое разрушение и измельчение горных пород и рыхлых отложений.

Запасы элементов минерального питания в почвах зависят от соотношения интенсивности процессов их образования и скорости использования растениями. В свою очередь, интенсивность процессов их образования зависит от факторов почвообразования: состава материнской породы, расположения почвы в рельефе, от климатических особенностей и живых организмов. Воздействие климата на процессы почвообразования может быть прямым (количество осадков, температура) и опосредованным, то есть через воздействие на живые организмы.

В настоящее время исследованиям процесса массообмена между компонентами природной среды посвящено значительное число исследований как в нашей стране, так и за рубежом, что свидетельствует об их актуальности [2], [6], [8], [9], [10].

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

В соответствии с различием климатических условий А. А. Романов [7] на территории Карелии выделяет следующие климатические зоны: северную, среднюю, южную и юго-западную. Однако особенности почвообразования обусловлены не только биоклиматическими, но и геоморфологическими условиями. Для Карелии в целом характерно широкое распространение грубых песчаных и супесчаных отложений и грубых скелетных пород, слабо затронутых процессами химического выветривания. Состав минералов, входящих в почвообразующие породы, довольно разнообразен.

По сочетанию природных условий и характеру почвообразования на территории Карелии А. И. Марченко [4] выделил две почвенные зоны: а) северную (северная и средняя климатические) и б) южную (южная и юго-западная). Граница между ними проходит около 63о с. ш. и в целом соответствует современной условной границе между северной и среднетаежной подзонами.

Северная почвенная зона отличается неблагоприятными климатическими условиями, а также значительной пестротой форм рельефа, грубым и сравнительно однообразным гранулометрическим составом почвообразующих пород. Для этой территории республики характерны частые выходы на дневную поверхность кристаллических пород, достигающих в отдельных случаях 600 м над уровнем моря. Малая мощность толщи покрывающих их рыхлых отложений обусловливает малую мощность почвенного профиля. Наряду с песчаными подзолами, составляющими основной фон, значительны площади гидроморфных почв. Средняя глубина промерзания песчаных и супесчаных почв 50–70, суглинистых 45–60 см. Почва продолжительное время находится в мерзлом состоянии. Оттаивание почвы происходит медленно и продолжается до июня. Частые зимние оттепели, замерзание и оттаивание почв, а также суточные перепады температур способствуют физическому выветриванию, особенно в поверхностных горизонтах. Низкие температуры тормозят химическое выветривание и приводят к замедленному разложению растительного опада. В связи с этим здесь формируются почвы с укороченным профилем и мощной лесной подстилкой, продуцирующей большое количество кислых органических веществ, которые способствуют формированию мощных подзолистого и иллювиально-гумусового горизонтов. Здесь же происходит медленный распад растительных остатков и быстрое промывание продуктов распада органического вещества, которые оседают в нижележащих горизонтах. Кроме общих зональных закономерностей в структуре почвенного покрова четко прослеживается влияние рельефа территории. На вершинах песчаных холмов и гряд преобладают подзолы иллювиально-железистые песчаные, а на склонах песчаные подзолы с иллювиально-гумусово-железистым иллювиальным горизонтом. На хорошо дренированных песчаных равнинах распространены песчаные поверхностно-подзолистые почвы. Понижения рельефа заняты болотами и полугидроморфны-ми и гидроморфными почвами. В северотаежной подзоне на древнеморских или озерных террасах, сложенных глинами, распространены глееподзолистые почвы.

Резкой смены строения почвенного покрова при переходе к среднетажной подзоне на территории Карелии не происходит, однако почвенный покров становится более сложным. Это объясняется широким распространением возвышенностей и плоских озерно-ледниковых равнин, а также сменой почвообразующих пород, хотя в основном также преобладают водно-ледниковые отложения. В почвенном покрове среднетаежной подзоны подзолистые почвы занимают 2/3 территории. Среди подзолистых почв наиболее распространены подзолы иллювиально-железистые и иллювиально-гумусово-железистые. Для южной части среднетаежной подзоны характерно широкое распространение грубогумусных буроземов, формирование которых связано с богатством некоторых почвообразующих пород соединениями железа, кальция и магния. Для Карелии буроземы являются азональными почвами. В среднетаежной подзоне (южная и югозападная климатические зоны) в связи с лучшими климатическими условиями и большей испаряемостью автоморфные почвы занимают значительно большие площади, чем в северной тайге, а болотно-подзолистые и болотные – поч- ти в 2 раза меньшие площади. Песчаные подзолы в среднетаежной подзоне Карелии относятся к группе почв с длительным сезонным промерзанием. Среднегодовая температура на глубине 0,2 м равна +5,7 °С. Максимальное промерзание не превышает глубины 1 м, минимальная температура –4 °С. Почва в мерзлом состоянии находится 4–5 месяцев. Изменение температуры от 0 до +10 °С на глубине 0,2 м происходит в течение 1–1,5 месяца, с конца апреля до середины июня, а на глубине 1 м – 3–4 месяца, с мая по август. Глубина прогревания почвы до +10 °С составляет 1 м [5].

Несмотря на значительную информацию о почвах и почвенном покрове северотаежной и среднетаежной подзон Карелии, целесообразным является проведение глубокого анализа особенностей почвообразования на основе проведенных оригинальных исследований.

Цель исследований – провести сравнительный анализ гранулометрического состава автоморфных почв близкой таксономической принадлежности северо- и среднетаежной подзон Карелии.

Для сравнения гранулометрического состава автоморфных почв северо- и среднетаежной подзон данные были получены при выполнении проекта «ICP Forests» (2010–2012 годы) на 100 пробных площадях, охватывающих всю территорию Карелии. В северотаежной подзоне было заложено 42, а на территории среднетаежной – 37 почвенных разрезов. Описанные почвы – подзолы иллювиально-железистые, иллювиально-гумусово-железистые и иллювиально-железистогумусовые, подбуры, а в среднетаежной подзоне и буроземы, оподзоленные под сосновыми и еловыми лесами.

Определение гранулометрического состава почвы проводили при помощи универсального лазерного дифракционного анализатора размера частиц SALD-201V фирмы SHIMADZU (Япония). Полученные количественные показатели сопоставлены и статистически обработаны при помощи статистических программ Microsoft Excel 2003, Statistica 6. Проведены расчеты среднеарифметических значений содержания гранулометрических фракций, пределов их колебания, стандартного отклонения, коэффициентов вариации. С помощью критерия Стьюдента определена существенность различий между определенными параметрами почв в северо- и среднетаежной подзонах Карелии.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Известно, что отдельные гранулометрические фракции почвы отличаются по минералогическому и химическому составу. От гранулометрического состава, как известно, зависят физические, физико-химические и химические свойства почв. Содержание в почвах железа, кальция, магния, калия, натрия и других элементов питания, которые входят только в минеральную часть почвы, а в некоторой степени и фосфора, находящегося как в минеральной, так и органической частях почвы, определяется, главным образом, ее гранулометрическим составом. Преобладание песчаной фракции, состоящей в основном из кварца, и низкое количество илистой фракции изначально свидетельствуют о низком содержании питательных элементов.

Общая закономерность, отражающая изменение содержания большинства химических элементов в почвах в зависимости от дисперсности гранулометрических фракций, заключается в том, что, кроме большего содержания питательных элементов, мелкодисперсные фракции обусловливают адсорбционные процессы в почве и ее поглотительную способность.

Сопряженное изучение гранулометрического состава генетических горизонтов почв северо-и среднетаежной подзон Карелии позволило выявить как различия, так и общие черты важнейшего почвенного показателя в географическом аспекте.

Определение гранулометрического состава в подподстилочных горизонтах А2 (А1А2, А2В, А1В) автоморфных почв сосновых и еловых лесов северо- и среднетаежной подзон Карелии показало, что среднее арифметическое содержание песка, пыли, ила и физической глины в подзолистом горизонте почв северотаежной подзоны составляло соответственно: 83,2; 12,4; 0,60; 3,7 %, а в среднетаежной: 83,6; 13,3; 0,56; 4,8 % (табл. 1). Однако различия полученных данных оказались статистически недостоверными (табл. 2).

Результаты статистического анализа накопления различных гранулометрических фракций в иллювиальном горизонте В (Вf, Bfh, Bhf) свидетельствуют, что средние арифметические показатели содержания песка и ила составляют соответственно для северотаежной подзоны: 88,6 и 0,51 %, для среднетаежной – 83,9 и 0,60 %. Однако различия в показателях северной и средней тайги оказались незначимыми. Среднее содержание пыли в почвах нормального увлажнения северотаежной подзоны составляет 11,5 %; физической глины – 2,1 %. В среднетаежной эти показатели выше – пыли 15,5 %; физической глины – 4,5 % (см. табл. 1). Проведенный анализ с использованием критерия Стьюдента показал, что при уровне значимости 95 % статистически достоверны различия в содержании фракции пыли и физической глины в почвенном горизонте В северо- и среднетаежной подзон (табл. 3).

Результаты статистического анализа количественных показателей гранулометрических фракций в материнской породе С (ВС) свидетельствуют, что среднее арифметическое содержание песка, пыли, ила и физической глины в горизонте С (ВС) почв в сосновых и еловых лесах среднетаежной

Таблица 1

Статистические показатели содержания гранулометрических фракций в горизонтах почв сосновых и еловых лесов северо- и среднетаежной подзон Карелии

Показатель	Горизонт почвы	Крупный и средний песок	Мелкий песок	Пыль	Ил	Физическая глина
		1–0,25	0,25–0,05	0,05–0,001	< 0,001	> 0,01
		%

Северотаежная подзона, n = 42

Среднее арифметическое	A2*	38,4 ± 13,9	44,8 ± 9,9	12,4 ± 5,5	0,60 ± 0,18	3,7 ± 1,85
	B**	39,4 ± 16,7	49,2 ± 14,1	11,6 ± 6,4	0,51 ± 0,17	2,1 ± 1,2
	C	34,2 ± 21,2	43,8 ± 17,4	20,5 ± 12,6	0,70 ± 0,31	5,5 ± 3,6
Коэффициент вариации	A2*	0,36	0,22	0,44	0,30	0,51
	B**	0,43	0,29	0,55	0,33	0,57
	C	0,62	0,40	0,61	0,45	0,66

Среднетаежная подзона, n = 37

Среднее арифметическое	A2*	34,9 ± 15,8	48,7 ± 13,7	13,3 ± 14,8	0,56 ± 0,26	4,8 ± 4,5
	B**	37,9 ± 20,2	45,9 ± 16,1	15,5 ± 9,4	0,60 ± 0,26	4,5 ± 4,0
	C	38,3 ± 24,7	43,6 ± 17,7	17,7 ± 13,4	0,67 ± 0,40	5,9 ± 6,3
Коэффициент вариации	A2*	0,45	0,28	1,11	0,47	0,94
	B**	0,53	0,35	0,61	0,44	0,90
	C	0,65	0,41	0,76	0,60	1,06

Примечание. * – 10 см слой подподстилочного горизонта (А2, А1А2, А2В, А1В). ** – Вf, Bfh, Bhf.

Таблица 2

Показатель	Крупный и средний песок	Мелкий песок	Пыль	Ил	Физическая глина
	1–0,25 мм	0,25–0,05 мм	0,05–0,001 мм	< 0,001 мм	> 0,01 мм
Стандартная средняя ошибка средних арифметических, m	3,30	2,63	2,41	0,05	0,76
Средняя ошибка разности, t	1,11	1,38	0,94	0,00	1,41
Число степеней свободы, f	79	79	79	78	79
t-критерий (Стьюдента) табл. для (Р ≤ 0,01)	2,65	2,65	2,65	2,65	2,65
t-критерий (Стьюдента) табл. для (Р ≤ 0,05)	1,99	1,99	1,99	1,99	1,99
Значимость различий	незначимы

Таблица 3

Показатель	Крупный и средний песок	Мелкий песок	Пыль	Ил	Физическая глина
	1–0,25 мм	0,25–0,05 мм	0,05–0,001 мм	< 0,001 мм	> 0,01 мм
Стандартная средняя ошибка средних арифметических, m	4,12	3,04	1,79	0,05	0,66
Средняя ошибка разности, t	0,21	0,80	2,03	1,67	2,74
Число степеней свободы, f	77	77	77	77	77
t-критерий (Стьюдента) табл. для (Р ≤ 0,05)	1,99	1,99	1,99	1,99	1,99
Значимость различий	незначимы		значимы, при уровне ошибки не более 5 %	незначимы	значимы, при уровне ошибки не более 5 %

Оценка достоверности различий содержания гранулометрических фракций в подподстилочном горизонте автоморфных почв сосновых и еловых лесов северо- и среднетаежной подзон Карелии,%

Оценка достоверности различий содержания гранулометрических фракций в горизонте В автоморфных почв сосновых и еловых лесов северо- и среднетаежной подзон Карелии,%

и северотаежной подзон близки между собой и составляют соответственно: в северной тайге – 77,4; 20,5; 0,7; 5,5 %, в среднетаежной подзоне – 81,9; 17,7; 0,67; 5,9 % (см. табл. 1). В связи с вышесказанным различия в содержании гранулометрических фракций оказались незначимыми (табл. 4).

Проведенные исследования гранулометрического состава автоморфных почв северо- и среднетаежной подзон показали, что исследованные подзолы близки по содержанию песчаной фракции, однако характер ее распределения по профилю различается. В северотаежной подзо-

Таблица 4

Оценка достоверности различий содержания гранулометрических фракций в горизонте С автоморфных почв сосновых лесов северо- и среднетаежной подзон

Карелии,%

Показатель Крупный и средний песок Мелкий песок Пыль Ил Физическая глина 1–0,25 мм 0,25–0,05 мм 0,05–0,001 мм < 0,001 мм > 0,01 мм Стандартная средняя ошибка средних арифметических, m 5,16 3,96 2,88 0,08 1,15 Средняя ошибка разности, t 0,86 0,04 0,99 0,43 0,32 Число степеней свободы, f 77 77 77 77 77 t-критерий (Стьюдента) табл. для (Р ≤ 0,01) 2,64 2,64 2,64 2,64 2,64 t-критерий (Стьюдента) табл. для (Р ≤ 0,05) 1,99 1,99 1,99 1,99 1,99 Значимость различий незначимы не количество песчаной фракции по профилю уменьшается с глубиной от 83,2 до 77,4 %, составляя максимум в иллювиальном горизонте (88,6 %). В среднетаежной подзоне количество песка плавно уменьшается вниз по профилю от 83,6 до 81,9 %.

Характер распределения по профилю почв северной тайги фракции пыли отличается от распределения фракции песка, количество ее увеличивается с глубиной от 12,4 до 20 % при минимуме в иллювиальном горизонте (11,5 %). В почвах среднетаежной подзоны содержание этой фракции плавно увеличивается с глубиной от 13,3 до 17,7 %.

Незначительные различия прослеживаются по содержанию илистой фракции, количество которой колеблется по профилю всех исследованных почв в северотаежной подзоне от 0,60 до 0,70 % при наименьших показателях (0,51 %) в иллювиальном горизонте. В аналогичных почвах в средней тайге эти величины составляют 0,56–0,67 % с постепенным снижением с глубиной.

Что касается суммарной фракции физической глины, то характер ее распределения по почвенным профилям в северной и средней тайге аналогичен распределению мелкодисперсных фракций, а именно – в северной тайге отмечается увеличение вниз по профилю от 3,7 до 5,5 % с минимумом в горизонте В, в то время как в почвах среднетаежной подзоны отмечено плавное увеличение содержания физической глины с глубиной от 4,8 до 5,9 %.

Таким образом, в почвах северотаежной подзоны выявлено более высокое содержание фрак- ции песка в иллювиальном горизонте В и меньшее по сравнению с элювиальным горизонтом количество мелкодисперсных фракций. В почвах средней тайги происходит уменьшение содержания мелких фракций в элювиальных горизонтах и накопление их в иллювиальных. Данный характер распределения частиц свидетельствует о более ярком проявлении процессов подзолообразования в почвах на территории среднетаежной подзоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование гранулометрического состава подподстилочного горизонта (А2, А1А2, А2В, А1В) и материнской породы (горизонты ВС и С) автоморфных почв сосновых и еловых лесов и статистическая обработка данных с использованием критерия Стьюдента показали, что при уровне значимости 95 % различия в содержании песка, пыли, ила и физической глины в указанных горизонтах почв северо- и среднетаежной подзон статистически недостоверны.

Статистически достоверны различия в содержании фракции пыли и физической глины в почвенном горизонте В северо- и среднетаежной подзон с преобладанием в почвах средней тайги.

На основании распределения гранулометрических фракций в профиле почв установлено, что процесс подзолообразования более отчетливо проявляется в условиях среднетаежной подзоны.

В целом можно отметить близкий гранулометрический состав автоморфных почв на территориях северо- и среднетаежной подзон Карелии.

PARTICLE SIZE COMPOSITION FEATURES OF AUTOMORPHIC SOILS

IN NORTH- AND MID-TAIGA SUBZONES OF KARELIA