Почвенное органическое вещество и запасы углерода в почвах техногенных ландшафтов средней тайги европейского северо-востока России

Д обыча полезных ископаемых в таежной зоне сопровождается деградацией лесных экосистем с образованием техногенных ландшафтов. В посттехногенных экосистемах восстановление почвенно-растительного покрова происходит либо в процессе самозарастания, либо после проведения рекультивации.

Выявление закономерностей почвообразования на начальных стадиях лесовосстановления привлекает внимание многих исследователей [1–7]. Установлено, что достаточно быстрое формирование молодых почв происходит не только после рекультивационных мероприятий, но и при самовосстановлении растительного покрова на техногенных пустошах. Большинство отечественных авторов указывают, что ведущими процессами первичного почвообразования являются биогенная аккумуляция веществ и трансформация органического вещества. Именно эти процессы наиболее четко проявляются на ранних стадиях развития почв, а их характеристики авторы предлагают в качестве показателей интенсивности почвообразования [6, 7]. Особенности почвенного органического вещества на разных этапах сукцессии во многом определяются видовым составом растительного сообщества. На это указывают как отечественные [1, 5], так и зарубежные авторы [8–10]. Оценка запасов углерода в ходе восстановления природных экосистем на нарушенных территориях приобретает особую актуальность в связи с проблемой глобального изменения климата.

Цель исследования – оценка скорости формирования почвенного органического вещества и запасов углерода в почвах в ходе лесовосстановления на карьерах после добычи полезных ископаемых (строительного песка) в подзоне средней тайги.

Ранее нами рассмотрена динамика формирования растительности и почв на посттехногенных территориях северо-востока европейской части России (Республика Коми). Подробная характеристика объектов представлена в ряде публикаций [11–13]. В настоящей работе приведены результаты сравнительного изучения органического вещества молодых почв, формирующихся на техногенных субстратах различного гранулометрического состава.

Объекты и методы исследования

Исследования проводили на территории среднетаежной подзоны европейского северо-востока России (Республика Коми). Объектами исследований стали 3 карьера по добыче полезных ископаемых (строительного песка) после их отработки. Почвы карьеров формируются на субстратах разного гранулометрического состава: флювиогляциальные пески и супеси, моренные суглинки и древнеаллювиальные пески. В качестве контрольных в окрестностях карьеров выбраны участки с ненарушенным почвенно-растительным покровом.

На территории двух карьеров – «Даса» (субстрат супесчано-песчаный) и «Важель-Ю» (суглинистый), расположенных в 4–5 км от Сыктывкара, около 20 лет назад была проведена биологическая рекультивация с использованием 2-летних сеянцев сосны обыкновенной ( Pinus sylvestris ). Посадку лесных культур проводили без внесения удобрений и посева трав. Площадь карьера «Даса» – 5,8 га, «Важель-Ю» – 5 га. Густота посадки на карьере «Даса» – 4 тыс. шт./га, на карьере «Важель-Ю» – 5 тыс. шт./га. Ширина междурядий – 2,5–3,0 м. Почвы на контрольных участках: вблизи карьера «Даса» в сосняке бруснично-зеленомошном – подзол иллювиально-гумусово-железистый, вблизи карьера «Важель-Ю» в ельнике травяно-чернично-зеленомошном – подзолистая грубогумусовая потечногумусовая.

Третий карьер «Язель» (песчаный) находится в 35 км от Сыктывкара на боровой террасе р. Вычегды, сложенной мощными древнеаллювиальными песками. Здесь в пятом десятилетии сукцессии в процессе самозарастания в дренированных условиях сформировался молодой сосняк лишайниковый. Площадь карьера – 8 га. Почва контрольного участка – подзол иллювиально-железистый под сосняком лишайниковым.

Физико-химические исследования выполняли в экоаналитической лаборатории и отделе почвоведения Института биологии Коми научного центра УрО РАН. Показатель рН водной (рНН О) суспензии определяли потенциометрически (ГОСТ 26423–85). Содержание общего азота (Nобщ.) оценивали методом газовой хроматографии с применением CHNS-O анализатора ЕА 1110 (Carlo Erba, Италия). Содержание органического углерода (Cорг) в образцах почв устанавливали методом окисления бихроматом калия по Тюрину с фотометрическим окончанием [14]. Расчет запасов углерода (Q) в отдельных горизонтах (слоях) проводили с учетом плотности почв (г/см3), мощности и содержания в них углерода. Общие запасы углерода вычисляли суммированием: QS = Q1 + Q2 +…+ Qn, где n – количество горизонтов (слоев).

Для диагностики и идентификации почв использовали принципы классификации почв России [15].

Результаты и обсуждение

Посадка сосен на территории карьеров «Даса» и «Важель-Ю» обусловила ускоренное формирование древостоя, параметры которого на карьерах значимо не различались. К концу второго десятилетия (на 18-й год) высота сосны достигала 5–7 м при густоте 2,3–2,9 тыс. шт./га, сомкнутость крон – 0,4–0,5 (табл. 1). В мелком подросте песчано-супесчаного карьера преобладала сосна, суглинистого – береза и ель.

На территории песчано-супесчаного карьера «Даса» на 18-й год сукцессии в живом напочвенном покрове присутствуют пионерные лишайники ( Cladonia gracilis ssp. turbinata , C. mitis , C. subulata , C. verticillata и др.) и мхи ( Ceratodon purpureus , Pohlia nutans , Polytrichum juniperinum , P. piliferum ). Травяно-кустарничковый ярус развит слабо (проективное покрытие – 20 %), наиболее обильны Agrostis tenuis , Calamagrostis epigejos , Chamaenerion angustifolium , Hieracium umbellatum . Формирование лесной среды за счет роста лесных культур обусловливает внедрение сосудистых растений ( Antennaria dioica , Orthilia secunda , Pyrola chlorantha , P. media , Vaccinium myrtillus , V. vitis-idaea ) и мхов ( Dicranum polysetum , D. scoparium , Hylocomium splendens , Pleurozium schreberi ), характерных для сосняков зеленомошных. Около 80 % поверхности почвы покрыто сосновой хвоей. В профиле почвы под кроной сосны под подстилкой Wао выделяется гумусово-слаборазвитый органоминеральный подгоризонт с признаками оподзоливания. Минеральная часть преобразована незначительно. Строение профиля: Wао(0–2)–W1е(2–3)–W2е(3–5)–C˙˙ са(5–10)– С˙˙са,g(10–55 см). Почва: псаммозем гумусовый грубогумусированный оподзоленный остаточ-но-карбонатный глееватый.

На суглинистом карьере «Важель-Ю» на 18-й год сукцессии растительность междурядий представлена в основном травянистыми растениями. С формированием древостоя уменьшается роль

Таблица 1. Характеристика растительных сообществ карьеров и контрольных участков

Участок	Характеристика древостоя					Проективное покрытие яруса, %
	Состав	Сомкнутость крон	Густота, тыс. шт./га	Высота, м	Диаметр, см	Травяно-кустарничковый	Мохово-лишайниковый

Контрольные участки в окрестностях карьеров

Даса (контроль)	10С	0,6	0,9	22	20	30	95
Важель-Ю (контроль)	6Е3П1Ос	0,6	0,8	22	22	60	40
Язель (контроль)	10С	0,5	1,4	12	12	5	70

Участки на территории карьеров

Даса (карьер) 10С 0,4 2,9 5 6 20 40 Важель-Ю (карьер) 10С 0,5 2,3 7 8 85 10 Язель (карьер) 10С <0,1 0,55 3 5 1 80 луговых, лугово-сорных видов (Dactylis glomerata, Equisetum arvense, Lathyrus pratensis, Leucanthemum vulgare, Poa pratensis); усиливается – опушечного и лесного разнотравья (Aegopodium podagraria, Calamagrostis arundinacea, Chamaenerion angustifolium, Equisetum sylvaticum, Hieracium altipes, Pyrola rotundifolia, Rubus saxatilis, Vicia sylvatica) и лесных мхов (Rhytidiadelphus triquetrus, Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens). Под травостоем (в междурядье) подстилка представлена остатками трав, в меньшей мере мхов и хвоей разной степени разложения. Под кроной сосны травостой изрежен, поверхность покрыта хвоей сосны, что обусловило появление грубогумусированного подгоризонта Wао. Под подстилкой формируется органоминеральный подгоризонт с признаками элювиирования (наличие осветленных минеральных зерен). Ниже минеральная часть профиля дифференцирована слабо. Строение профиля: Wао(0–1,5)–W1el(1,5–2)–W2el(2–4)–C=са(4–10)– C=ca,g(10–40 см). Почва: пелозем гумусовый грубогумусированный элювиированный оста-точно-карбонатный глееватый.

На песчаном субстрате карьера «Язель» с первых лет процесса самовосстановления началось внедрение сосны ( Pinus sylvestris ), и в пятом десятилетии сукцессии здесь в автоморфных условиях сформировался сосняк лишайниковый. Высота сосны – 2–3 м при сомкнутости крон <0,1 и густоте насаждений 0,5–0,6 тыс. шт./ га. В живом напочвенном покрове преобладает кустистый лишайник Cladonia mitis , характерны пятна накипного лишайника Trapeliopsis granulosa . В ходе сукцессии изменение субстрата в основном наблюдается в верхних 0–10(12) см в связи с постепенным обособлением горизонта лесной подстилки и гумусово-слаборазвитого слоя. Подстилку мощностью до нескольких миллиметров образует опад из хвои, листьев, отмерших остатков лишайников. Под подстилкой выделяется органоминеральный подгоризонт: в верхней части темно-серый за счет окрашивания гумусом, в нижней – белесоватый. Ниже, в минеральной части профиля, изменения незначительны. Строение профиля:

W1(0–0,2)–W2(0,2–2)–Wе(2–10)–C˙˙(10–40)– С˙˙g(40–70 см). Почва: псаммозем гумусовый оподзоленный глееватый.

Почвообразующие породы на карьерах «Даса» и «Важель-Ю» обогащены CaCO3 (вскипание при обработке 10 %-м раствором HCl), реакция среды – слабощелочная (рНН О – 8) в связи с присутствием карбонатов (2–3 %). В подзолистых почвах, представленных в окрестностях Сыктывкара, карбонаты обычно встречаются с глубины 140–170 см [16]. Во втором десятилетии сукцессии значения рН водных вытяжек из почв уменьшаются в верхних горизонтах, однако подкисление по сравнению с почвами контрольных участков охватывает только верхнюю 10-сантиметровую толщу новообразованных почв. Более высокая кислотность отмечена в горизонте W – 5,9–6,9 («Даса»); 6,6–7,0 («Важель-Ю»). На территории карьера «Язель» почвы кислые по всему профилю: рН от 5,1 в горизонте Wе до 5,8 в горизонте С. Почвы контрольных участков вблизи всех трех карьеров характеризуются кислой реакцией, что свойственно подзолистым почвам в окрестностях Сыктывкара [16].

Содержание органического углерода и азота в исходном субстрате карьеров низкое, отношение Сорг./Nобщ. составляет 8–11 (табл. 2). В почвах карьеров в соответствии с дифференциацией горизонтов W на грубогумусовую и гумусо-аккумулятивную части количества Сорг. и Nобщ. в них приближаются к таковым в органогенных горизонтах почв контрольных участков, но еще не достигают их значений. Вниз по профилю отношение Сорг./Nобщ. во всех почвах закономерно уменьшается.

В верхнем 20-сантиметровом слое почвы карьера «Даса» запасы Сорг. возросли от 6,2 в первые годы сукцессии до 8,7 (междурядье) и до 10,2 т/га (под кроной сосны) на 18-й год. Тем не менее это в 2,7–3,1 раза ниже по сравнению с запасами Сорг. в слое 0–20 см в автоморфной почве под сосняком зеленомошным контрольного участка (27,2 т/га). По данным Д.С. Орлова [17], в зональных автоморфных почвах сосновых лесов подзоны средней тайги данный параметр составляет 22 т/га. Скорость накопления Сорг.

Таблица 2. Содержание углерода и азота и отношение С_орг./N_общв профилях почв контрольных участков и молодых почв

Характеристика участка Горизонт Сорг., % Nобщ., % Сорг./Nобщ. Контрольные участки O 0-5 42,6 1,100 38,7 Еh 5-6 17,0 0,380 44,7 Сосняк бруснично-зеленомошный E 6-10(18) 0,25 0,022 11,4 Подзол иллювиально-гумусово- ВHF 10(18)-23 0,42 0,036 11,7 железистый ВHF 23-31 0,26 0,023 11,3 BF 31-38 0,13 0,013 10,0 В 38-50 0,16 0,012 13,0 Оао 0-8 35,7 1,630 21,9 Ельник ЕL 8-16 0,75 0,051 14,7 травяно-чернично-зеленомошный BEL 16-27 0,43 0,043 10,0 Почва подзолистая грубогумусо- BT1 27-48 0,30 0,031 9,7 вая потечногумусовая BT2 48-74 0,22 0,033 6,7 BT3 74-100 0,20 0,033 6,06 О 0-2 36,6 0,864 42,4 Epir 2-11 0,73 0,024 30,4 Сосняк лишайниковый ВF 11-30 0,42 0,023 18,0 Подзол иллювиально-железистый Вg 30-52 0,06 0,006 10,0 ВС 52-100 0,03 0,003 10,0 Участки на территории карьеров Wао 0-2 15,20 0,55 27,6 W1е 2-3 0,67 0,054 12,4 W2е 3-5 0,18 0,013 13,9 Карьер Даса C˙˙са 5-10 0,18 0,019 9,5 Псаммозем гумусовый C˙˙са,g 10-20 0,10 0,014 7,1 C˙˙са,g 20-28 0,16 0,014 11,4 C˙˙са,g 28-42 0,20 <0,01 – C˙˙са,g 46-55 0,09 <0,01 – Wао 0-1,5 18,0 0,70 25,7 W1еl 1,5-2 5,58 0,310 18,0 Карьер Важель-Ю W2el 2-4 1,00 0,076 13,2 Пелозем гумусовый C=са 4-10 0,49 0,047 10,4 C=са,g 10-22 0,24 0,029 8,3 C=са,g 22-40 0,22 0,024 9,17 W1 0-0,2 24,60 0,467 52,7 W2 0,2-2 0,66 0,023 28,6 Карьер Язель We 2-10 0,12 0,007 17,1 Псаммозем гумусовый C˙˙ 10-40 0,04 0,002 20,0 C˙˙g 40-70 0,03 0,003 10,0 в формирующейся почве варьирует от 0,22 (междурядье) до 0,30 т/га/год (под кроной сосны). Таким образом, к концу второго десятилетия в 0–20-сантиметровом слое песчано-супесчаных почв аккумулируется 3,9–5,4 т/га органического углерода.

На карьере «Важель-Ю» запасы Сорг. в верхнем 20-сантиметровом слое почв были выше по сравнению с почвами карьера «Даса». В первые годы сукцессии они составили 9,6, к концу второго десятилетия – 20,5 (междурядье) и 16,9 т/га (под кроной сосны). Скорость накопления Сорг. достигала 0,61 (междурядье) и 0,40 т/га/год (под кроной сосны). Таким образом, к концу второго десятилетия в слое 0–20 см суглинистых почв аккумулируется 7,3–10,9 т/га органического углерода. Накопление органического вещества на суглинке происходит более активно по сравнению с песчано-супесчаным субстратом в связи с лучшим формированием напочвенного покрова. В подзолистых почвах еловых лесов окрестностей карьера запасы углерода в слое 0–20 см составляют 36,1 т/га, что выше данных, приведенных К.С. Бобковой и др. [18] для подзолистых почв еловых лесов – 28 т/га. В молодой почве карьера запасы органического углерода примерно в 2 раза ниже, чем в почве контрольного участка.

В пятом десятилетии самовосстановительной сукцессии в 0–20-сантиметровом слое песчаной почвы, формирующейся на древнеаллювиальных отложениях под сосняком лишайниковым (карьер «Язель»), запасы органического углерода составляют 4,5 т/га, что в 5 раз ниже, чем в почве контрольного участка – подзоле иллювиально-железистом, где запасы равны 22,9 т/га. Скорость накопления Сорг. составила 0,07 т/га/год, что значительно ниже, чем в почвах карьеров «Даса» и «Важель-Ю». Кварцевый состав почвообразующей породы, дефицит влаги в вегетационный период обусловливают сравнительно медленное формирование и низкую продуктивность растительных сообществ. С этими факторами связана и замедленность процессов почвообразования на древнеаллювиальных отложениях.

Близки к полученным характеристикам данные по скорости накопления Сорг. (0,2–0,3 т/га/год) в почвах начальных этапов развития на песчаных карьерах северо-запада России [2] и на промышленных отвалах в таежной зоне Урала [1]. В более благоприятных биоклима-тических условиях Польши процесс накопления углерода происходит быстрее: скорость накопления Сорг. в почвах, развитых на отвалах и карьерах в районах добычи полезных ископаемых, варьирует в пределах от 0,7 до 5,3 т/га/год [19].

Минеральная часть формирующихся на карьерах почв преобразована незначительно. Во втором десятилетии сукцессии наблюдаются слабовыраженные процессы элювиирования и иллювиирования (начало оподзоливания), о чем свидетельствуют морфологические признаки (наличие отбеленных кварцевых зерен в нижней части гумусово-аккумулятивного горизонта) и перераспределение фракции физической глины в профиле почв [12]. В почве карьера «Язель» морфологически выражен органоминеральный горизонт Wе, нижняя часть которого имеет белесоватый цвет. Е.М. Копцева и Е.В. Абакумов [20] также не отмечают формирования горизонтов в минеральной толще профиля в первые два десятилетия восстановления почв на карьерах в подзоне северной тайги (Республика Коми).

Выводы

Формирование почвенного органического вещества в процессе первичного почвообразования определяется особенностями видового состава и структуры растительного сообщества. Более быстрые темпы накопления органического углерода в почвах, формирующихся на суглинистых породах, по сравнению с песчано-супесчаными и песчаными связаны с лучшим развитием растительного покрова, обусловленным более высоким содержанием в почвообразующей породе глинистых частиц. По сравнению с подзолистыми почвами контрольных участков запасы углерода в молодых почвах карьеров в 2–5 раза ниже.

Работа выполнена в рамках темы НИР отдела почвоведения на 2022–2024 гг. «Криогенез как фактор формирования и эволюции почв арктических и бореальных экосистем европейского

Северо-Востока в условиях современных антропогенных воздействий, глобальных и региональных климатических трендов», регистрационный номер: 122040600023-8