Влияние палеокриогенного микрорельефа на свойства современных чернозёмов заказника «Каменная степь»

«Каменная степь», расположенного на юго-востоке Воронежской области. Детальные исследования, проведенные В.М. Алифановым с соавторами [1, 2] показали, что данная территория имеет четко выраженный палео-криогенный микрорельеф, сформированный позднеледниковыми (17-15 тыс. л.н.) палео-криогенными процессами. Палеокриогенный микрорельеф представляет собой систему блоковых повышений (блоков) и межблочных понижений (межблочий) с относительными превышениями блоков над межблочь-ями 20-40 см. Размеры блоков на водоразделах составляют 15-20 м. Исследованы три ключевых участка: на пашне, целине и лесополосе. На наиболее выраженных элементах системы палеокриогенного микрорельефа (блок – межблочье) закладывались почвенные разрезы глубиной 2-3 м или траншеи, вскрывающие почву от середины блока до середины межблочья.

Анализ физико-химических характеристик проводился с использованием традиционных методов в химико-аналитической группе ИФХиБПП РАН (рук. к. с-х. н. И.И. Скрипниченко). Биологическую активность (БА) определяли по результатам инкубации в специальных камерах, обеспечивающих равновесие внутреннего и внешнего давления газовой фазы с постоянным учетом выделяющегося СО 2 в течении 50 суток при температуре 22^◦С и влажности 60% от полной капиллярной влагоёмкости [3, 4].

Результаты морфогенетического исследования. Анализ результатов морфо- генетического исследования разрезов, заложенных на каждом элементе палеокриоген-ного микрорельефа в системе блок-межблочье на исследуемых ключевых участках позволил выделить ряд особенностей:

• -    самые значительные изменения, связанные с микрорельефом, происходят с гумусовой частью профиля почвы. Суммарная мощность гумусовых горизонтов на блочном повышении составляет около 100см, в межблочном понижении – около 50 см. Гумусовый горизонт почв блочного повышения более светлый по сравнению с гумусовым горизонтом почв в межблочном понижении;

• -    в почвах присутствует отчетливо выраженный второй гумусовый горизонт (ВГГ) мощностью около 40 см;

• -    в межблочном понижении ВГГ перекрывается охристым железистоиллювиальным горизонтом, то есть Bf присутствует только в межблочных понижениях;

• -    окремневшие карбонатные конкреции на блоке приурочены к верхней части погребенной почвы, в межблочном понижении верхняя граница ареала конкреций опускается в нижнюю часть погребенной почвы;

• -    горизонты В2са и В3са существенно (в 1,5 раза) увеличивают свою мощность в межблочном понижении.

Погребенная почва (ПП) залегает на глубине 1,5-2 м практически горизонтально, независимо от микрорельефа на поверхности. Отличительная особенность погребенной почвы – её сильный криоморфизм: языками-клиньями, выполненными светлым лёссовидным материалом вышележащего гор. В3са, она разбита на отдельные вытянутые по вертикали заклинки. В местах скопления языков-клиньев в результате перераспределения материала современная дневная поверхность оказалась опущенной на несколько десятков сантиметров с образованием межблочного понижения.

Результаты физико-химических исследований. На ключевом участке, заложенном на целине, содержание и распределение Corg по профилю почвы блока и меж-блочья различаются заметно. Снижение содержания Corg с глубиной на блоке более плавное по сравнению с межблочьем, где содержание Corg (в верхних 3-5 см) более чем в 1,5 раза превышает таковое в почве на блоке, однако уже на глубине около 20 см содержание Corg в почве межблочного понижения становится меньше, чем в почве на блоке (рис 1).

В черноземе под лесополосой и на пашне количество и распределение C org в гумусовом горизонте в межблочье сходное. Распределение C org , на блоках под лесополосой отличается от такового на блоках на других ключевых участках более низким его содержанием в верхних 50 см (в среднем 2,8%) и более плавным уменьшением до глубины около 1 м (0,7%). По сравнению с целинным черноземом, чернозем на пашне характеризуется меньшим содержанием C org в верхних горизонтах почвы (около 4%) и более постепенным снижением его содержания с глубиной.

Результаты исследования биологической активности почв. Распределение БА по профилям чернозема пашни, целины и лесополосы в системе блок-межблочье представлено на рис 2. Показано, что вместе с С org вниз по профилю почв происходит снижение биологической активности, что согласуется с литературными данными [6]. Количество продуцируемого С-СО 2 в верхних горизонтах составляло 20-30, 70-80, 90-100 мг/100 г почвы для пахотного, целинного и чернозема лесополосы соответственно.

Гумусовый горизонт чернозема меж-блочья в лесополосе отличается большей скоростью продукции С-СО 2 . При этом происходит более быстрое ее уменьшение и в течение инкубации, и с глубиной. Уменьшение скорости выделения СО 2 со временем инкубации связано с исчерпанием энергетически доступного органического материала, что отмечается и в других исследованиях [7]. В нашем эксперименте уменьшение скорости выделения СО 2 обусловлено утилизацией отмершей в результате эффекта высушивания микробной биомассы [8]. В целом характер изменения БА соответствует содержанию в профилях органического вещества. Однако следует отметить, что в лесополосе в нижней части профиля чернозема на блоке количество C org существенно ниже (0.05-0,07%), чем в соответствующих горизонтах чернозема в межблочье (0,2-0,3%), при том, что по количеству образующегося СО 2 эта часть профиля на разных элементах микрорельефа различается в значительно меньшей степени. Возможно, что в лесополосе в нижней части профиля образование СО 2 обусловлено не только биологическими процессами.

Рис. 1. Распределение по профилю черноземов общего органического углерода (C org )

Рис. 2. Изменение биологической активности в профиле черноземов, суммарная за 50 суток.

Результаты факторного анализа. Для изучения влияния микрорельефа на современные свойства почв как наиболее представительный был выбран ключевой участок в лесополосе. Нагрузка на первый фактор составляет на блоке около 75%, в межблочье – 65%, а на второй фактор 18 и 21% соответственно. На рис. 3 показана ориентация различных показателей по двум факторам. На блочном повышении под влиянием первого фактора (по горизонтали) группируются, с одной стороны, такие показатели как значение рН и содержание карбонатов, с другой стороны содержание органического углерода, обменного калия и продуцирование СО2. Таким образом, на блоке по первому фактору распределены свойства, имеющие ярко выраженную дифференциацию по профилю почвы. При этом значения одних свойств увеличиваются с глубиной, а других -уменьшаются. По вертикали под влиянием второго фактора, имеющего меньший вес, находятся обменные основания (кальций, магний, натрий), то есть, второй фактор определяет свойства, имеющие отношение к почвенному поглощающему комплексу.

Примерно так же выглядит структура взаимосвязи различных показателей в профиле чернозема в межблочье, за исключением более выраженной дифференциации по профилю кальция. При включении в анализ параметра микрорельефа количество выявленных значимых факторов увеличивается до 3 (рис. 4).

Рис. 3. Структура взаимосвязи свойств черноземов на блочном повышении (В) и межблочном понижении (I – B). (Факторный анализ методом главных компонент: ■ - ориентированные по фактору 1, ▲- ориентированные по фактору 2).

I - B

К+ С-СО2 Сorg рН

СО2(carb)

Prof.

-1

-0,5          0           0,5

Factor 1: 64,75%

0,5

0,5

С-СО2 — с

С org

-1

-1

Factor 1: 48,96%

К+

-0,5

B

рН

СО2(carb)

Са2+   Mg2+

Na+

М-Р

0,5

Prof.

Factor 1: 48,96%

Рис. 4. Влияние микрорельефа на структуру взаимосвязи различных свойств черноземов. (Распределение показателей (A) по первому - ■ и второму -▲ фактору, (B) - по первому - ■ и третьему - • фактору. Закрашенные маркеры имеют достоверную связь).

Основная нагрузка приходится на первый фактор и составляет примерно 49%. На второй и третий фактор нагрузка распределилась более равномерно (23 и 17% соответственно). Суммарная нагрузка на основные факторы составила 89%. На рис. 4 показана группировка свойств по первому и второму фактору (А) и по первому и третьему фактору (B). Из рисунка следует, что первый фактор, характеризующий дифференциацию свойств по профилю, имеет наибольший вес и к нему приурочены свойства, непосредственно связанные с биологическими процессами (Corg, С-СО2 и К+), поэтому показатели свойств уменьшаются с глубиной. Второй фактор оказывает влияние в основном на содержание в профиле обменных оснований (кальция, магния и натрия), мы определили его как ответственный за состав почвенно-поглощающего комплекса. При расположении свойств почв в соответствии с первым и третьим факторами, где третий фактор связан с влиянием микрорельефа, было определено, что от микрорельефа зависит реакция почвенной среды, т.е. величина рН, и очень близко с ней связанное содержание СО2карбонатов.

Выводы: в работе приведена количественная оценка влияния отдельных факторов анализа на педогенетическую дифференциацию различных современных свойств черноземов на разных элементах микрорельефа. Статистически найдено, что в пределах одинаковых климатических условий, на одних и тех же почвообразующих породах 90% свойств почвенного профиля под лесополосой определяется следующими факторами:

• -    биологическим, непосредственно связанным с растительностью и определяющим наиболее дифференцированные по профилю свойства почвы (C org , БА, К⁺). Этот фактор наиболее весом, на него приходится около 50% факторной нагрузки;

• -    почвенным поглощающим комплексом, определяемым составом обменных оснований, на который приходится около 23% факторной нагрузки;

• -    микрорельефом, определяющим, по-видимому, условия протекания современных физико-химических процессов, составляющих примерно 17% факторной нагрузки, которые находят отражение в таких показателях как реакция среды и содержание карбонатов.