Влияние покрытия из щепы лиственных пород на органическое вещество почв

Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук (ГБС РАН), основанный в 1945 г., является крупнейшим ботаническим садом России и входит в перечень особо охраняемых природных территорий (ООПТ) федерального значения. Основная площадь сада – около 330 га, почти половину территории занимают лесные насаждения естественного и искусственного происхождения. Здесь собраны наиболее обширные в России коллекции живых растений, которые насчитывают около 17 тыс. таксонов (2023) [1].

Деятельность ГБС РАН как ООПТ регламентируется Федеральным законом «Об особо охраняемых природных территориях» № 33-ФЗ [2], что накладывает строгие ограничения на хозяйственное использование территории. В условиях роста антропогенной нагрузки на экосистемы Москвы особую актуальность приобретает разработка методов утилизации древесных отходов, образующихся при санитарных рубках в лесных насаждениях и в процессе ухода за коллекциями. Одним из ключевых методов, применяемых в ГБС РАН, является измельчение древесины в щепу, которая используется для мульчирования почв в питомнике, защиты ценных растений, а также создания покрытия на дорожно-тропиночной сети. Однако влияние такого материала на почвы изучено недостаточно. Отсутствие комплексных исследований, особенно в условиях ООПТ, затрудняет прогнозирование долгосрочных последствий. Проведённая в ГБС РАН работа направлена на устранение этого пробела. Результаты исследования позволят оптимизировать применение древесной щепы в рамках природоохранного режима, обеспечить сохранение плодородия почв и повысить эффективность восстановительных мероприятий для редких видов растений. Это соответствует стратегическим задачам ботанического сада как научного учреждения, сочетающего фундаментальные исследования с практикой охраны биоразнообразия.

В научной литературе описываются как положительные, так и отрицательные последствия воздействия щепы на свойства почв. К ним относятся: снижение уплотнения почвы, регулирование температуры почвы, подавление роста сорняков и улучшение микробиологической активности, увеличение популяции бактерий. Покрытие почвы щепой может привести как к повышению, так и к снижению содержания азота в почве, способно изменять её кислотность. Исследования разных авторов свидетельствуют о том, что используемые для мульчирования органические материалы, такие как древесная щепа и кора, являются источником питательных веществ для растений [3–6]. Кроме того, мульчирование щепой оказывает комплексное воздействие на почву, и оно неоднозначно [7]. В то же время исследований и данных по влиянию покрытия из щепы на свойства и состав органического вещества почвы очень мало. Это создаёт существенные пробелы в понимании долгосрочных последствий применения этого метода утилизации древесных отходов, что требует проведения дополнительных научных исследований.

Цель исследований – проанализировать влияние покрытия из щепы древесных пород на свойства почв и, в частности, на органическое вещество почв.

Объекты и методы исследования

На территории Главного Ботанического сада РАН в 2022 г. был проведён модельный эксперимент по оценке влияния покрытия из щепы древесных пород на свойства почв и, в частности, на органическое вещество почв. Почва (фоновая, она же использована как контроль в эксперименте) – дерново-подзолистая контактно-глееватая глубокоподзолистая старопахотная легко- и тяжелосуглинистая на моренных суглинках [8]. Опытные площадки в количестве 5 шт. были заложены на опушке небольшой вырубки площадью 0,6 га, которая образовалась в год проведения исследования при реконструкции деградирующего насаждения в южной части дубравы.

На площадках 1-4 (2,5 *0,8 м) была выложена щепа слоем 10 см. Для засыпки использовали смесь несортированной разноразмерной щепы, полученной при измельчении древесины исключительно лиственных пород, удалённых в ходе санитарных рубок насаждений на территории ГБС РАН. В составе смеси преобладала щепа лещины, рябины, черёмухи, берёзы и клёна остролистного; также присутствовало небольшое количество щепы дуба. Площадка 5 служит контролем (без щепы). При этом на площадках 1 и 3 была смоделирована полугодовая рекреационная нагрузка, т. е. путём многократных проходов имитировалось умеренное антропогенное воздействие, характерное для зон с периодическим пешеходным трафиком: локальное уплотнение материала и возможное частичное перемешивание верхнего слоя щепы с почвой. На площадках 2 и 4 рекреационного воздействия не проводилось и исследовалось воздействие на почву только щепы лиственных пород. Пробы почвы для анализа отбирали из верхних гумусовых горизонтов AY (0–8(10) см) и AYpa (8(10)–18 см). Эти горизонты содержат наибольшее количество органического вещества и характеризуются максимальной биологической активностью.

Помимо опытных площадок, для оценки влияния покрытия дорожек щепой лиственных пород на почвы по обе стороны от троп была использована трансекта, проложенная в естественных природных условиях от середины тропы с многолетним покрытием щепой до территории без щепы.

По трансекте из верхних горизонтов AY и AYpa отобраны образцы почв в трёх точках: центр (середина) тропы (непосредственно под щепой), на расстоянии 80 см от центра тропы (переходная зона от покрытой щепой к не покрытой почве) и 2 м от центра (почва без щепы, контроль). На расстоянии 2 м от тропы фрагменты щепы в почве и на её поверхности отсутствуют, поэтому полученные данные для варианта эксперимента с тропой в естественных условиях сравнивали с данными в этой точке.

Для исследований применяли традиционные методы. Содержание углерода органических соединений (Сорг) установлено титриметрически по методу Тюрина [9]), углерод водорастворимых органических соединений (Свов) определён в последовательных вытяжках: а) методом холодной экстракции (30 мин при 20 °С) – первая вытяжка; б) далее 16-часовая экстракция водой при 60 °С – вторая вытяжка [10]. Каталазная активность установлена газометрическим методом по количеству кислорода, выделившегося при взаимодействии Н2О2 с почвой, содержание дегидрогеназы – по количеству образовавшегося фор-мазана, а инвертазы (β-фруктофуранозидазы) – на основе учёта восстанавливающих сахаров по Бертрану [10]. Лабильные гумусовые вещества (Слгв) определены в 0,1 н щелочной вытяжке без предварительного компостирования, в свежих пробах [11].

Результаты и обсуждение

Исследование органического вещества гумусовых горизонтов показало, что за первые 2 года модельного эксперимента значимого увеличения содержания углерода органических соединений (Сорг) в обоих горизонтах не произошло, тенденция к его накоплению только намечается. В почве под тропой можно говорить о значимой разнице между содержанием Сорг в центре и по краям тропы в горизонте AY, где содержание Сорг увеличивается (рис. 1а). В нижележащем горизонте AYpa эта тенденция проявляется ярче: содержание Сорг резко снижается в центре тропы, а по её краям, где меньше вытаптываемость, отмечается большее содержание углерода (рис. 1б), что свидетельствует о перераспределении органических веществ в почве под щепой при постоянной антропогенной нагрузке.

На опытных площадках содержание Свов в верхнем горизонте выше, чем в контроле. Различий в содержании Свов в верхнем горизонте почвы модельных площадок с нагрузкой и без неё нет. В реальных условиях (тропа под щепой) почва в центре тропы обеднена Свов, по краям тропы почва богаче Свов (рис. 2а). С глубиной содержание Свов снижается (рис. 2б). Полученные данные согласуются с ранее опубликованными сведениями о разложении порубочных остатков и коры после

Рис. 1. Содержание С_орг в горизонтах AY ( а ) и AYpa ( б )

(планками отмечен доверительный интервал, каждый вариант представлен 6-ю повторностями)

Рис. 2. Содержание С_вов в горизонтах AY ( а ) и AYpa ( б )

(планками отмечен доверительный интервал, каждый вариант представлен 6-ю повторностями)

сплошных рубок в южно- и среднетаежных лесах и увеличении содержания водорастворимых органических веществ в почвах [13–15]. Тенденция к увеличению содержания Сорг в почве связана

1,20

1,00

0,80

0,60

0,40

0,20

1,07

1,01

1,01

^0,87                                                            0,83           0,82

0,240,640,300,720,170,470,26

AY Контроль

AY

Пл. с нагрузкой

AY Пл. без нагрузки

Модельный эксперимент

С лгв

AY центр     AY 80 см

Трансекта

Тропа под щепой

AY 2 м

С лгк

Рис. 3. Содержание углерода лабильных гумусовых веществ (С_лгв) и углерода лабильных гуминовых кислот (С_лгк) в верхнем гумусовом горизонте почвы (планками отмечен доверительный интервал, каждый вариант представлен 6-ю повторностями)

с повышенной скоростью разложения, свойственной древесным остаткам лиственных пород, в древесине которых, в отличие от хвойных, отсутствуют смолистые вещества [15].

В модельном эксперименте отмечено увеличение по сравнению с контролем как общего содержания углерода лабильных гумусовых веществ (ЛГВ), так и фракции лабильных гуминовых кислот (ЛГК). В центре тропы содержание углерода ЛГВ ниже, чем по её краям, где оно возрастает и достигает контрольных значений (рис. 3).

Изменение содержания Слгк в почве в модельном эксперименте и в почве под тропой характеризуется такой же тенденцией. Максимальное значение этот показатель имеет при небольшой нагрузке, т. е. на опытных площадках и по краям тропы (80 см). Это говорит о том, что органические вещества, поступающие при трансформации щепы в почве, обогащают последнюю углеродом лабильных гуминовых кислот. В контроле во

всех случаях так же, как и в центре тропы, содержание Слгк минимально.

Была исследована ферментативная активность верхних горизонтов почв по каталазе, инвертазе и дегидрогеназе. По литературным данным, ферментативная активность значительно выше в естественных почвах, чем в почвах, на которые оказывается антропогенное воздействие [16]. Полученные нами результаты согласуются с литературными сведениями. В модельном эксперименте каталазная активность в горизонте AY под площадкой с щепой без рекреационной нагрузки несколько выше по сравнению с контролем и площадками с нагрузкой (таблица). В естественных условиях также отмечено увеличение каталазной активности в центре тропы по сравнению с её краями и периферией, но в обоих случаях речь идет только о намечающейся тенденции. Нижние горизонты (AYpa) по степени обогащения каталазой относятся к очень бедным, дегидрогеназная активность не выявлена.

Исследование гумусовых горизонтов почв показало отсутствие различий в активности инвертазы как в вариантах модельного эксперимента, так и в почве под щепой на тропе (рис. 4).

Согласно [17], обогащённость всех вариантов исследованных гумусовых горизонтов инвертазой – средняя, покрытие щепой не повлияло на инвертазную активность почв.

Заключение

По итогам 2-летнего эксперимента и наблюдений в дендрарии ГБС за покрытой щепой лиственных пород дорожкой можно утверждать, что щепа оказывает слабое влияние на ферментативную активность и органическое вещество почвы под тропами и в непосредственной близости от них. На периферии покрытых щепой дорожек это воздействие можно охарактеризовать как слабоположительное.

• ❖    Обнаружена тенденция к увеличению содержания С_орг в вариантах модельного эксперимента с рекреационной нагрузкой, что может быть связано с увеличением скорости потери массы щепой за счёт не только минерализации, но и возможной гумификации. В модельном эксперименте в горизонте AY содержание С_орг выше, чем в контроле, вероятно, за счет втаптывания щепы в почву.

Оценка почв под тропами по степени обогащения каталазой

Горизонт	Модельные площадки			Трансекта
	Контроль	С нагрузкой	Без нагрузки	Центр тропы	80 см от центра тропы	2 м от тропы
AY	Очень бедная	Очень бедная	Бедная	Бедная	Очень бедная	Очень бедная
AYpa	Очень бедная	Очень бедная	Очень бедная	Очень бедная	Очень бедная	Очень бедная

Рис. 4. Содержание инвертазы в горизонтах AY ( а ) и AYpa ( б )

• ❖    Почва в середине тропы под щепой обеднена С_вов по сравнению с почвой по краям тропы и фоновой почвой, которая более богата С_вов.

• ❖    К окончанию 2-го года модельного эксперимента в почве отмечено увеличение содержания как углерода лабильных гумусовых веществ в целом (С_лгв), так и лабильных гуминовых кислот (С_лгк), по сравнению с контролем. В почве под тропой с многолетним покрытием щепой в реальных условиях распределение С_лгв в поверхностных горизонтах (AY) неравномерно: в середине тропы, где рекреационная нагрузка максимальна, почва обедняется углеродом лабильных гумусовых

веществ, ближе к краю тропы его становится больше.

• ❖    Покрытие почвы щепой не повлияло на инвертазную активность, все исследованные горизонты характеризуются средней обогащён-ностью инвертазой. Горизонты AY и AYpa очень бедны каталазой. В реальных условиях в центре тропы отмечается более высокая каталазная активность по сравнению с почвой по краям тропы и на периферии, однако можно говорить только о намечающейся тенденции. Дегидрогеназная активность в исследованных почвенных горизонтах не выявлена.

Работа частично выполнена в рамках государственного задания ГБС РАН по теме № 122042700002-6