Высотная дифференциация кислотно-основных свойств долинных торфяных почв Кузнецкого Алатау | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2018. № 41 . DOI: 10.17223/19988591/41/8

Высотная дифференциация кислотно-основных свойств долинных торфяных почв Кузнецкого Алатау

Впервые методами многомерного статистического анализа выполнена объективная группировка долинных торфяных почв по кислотно-основным показателям, которая отражает высотно-поясныезакономерности компонентов биогеосистем восточного макросклона Кузнецкого Алатау. Наибольший вклад в дискриминацию вносит насыщенность почвенного поглощающего комплекса щелочноземельными основаниями и потенциальная кислотность (рН солевой). Выделено три геохимические ассоциации торфяных почв: кислые ненасыщенные кальцием и магнием в высокогорном поясе 1 500-1 100 м над ур. м., слабокислые слабонасыщенные основаниями в среднегорье 1 100-800 и нейтральные умереннонасыщенные (Ca+Mg) в низкогорье 800-500 м над ур. м. Почвы различных гипсометрических ступеней рельефа в процессе торфогенеза воспроизводят общие признаки органогенного почвообразования - ацидификацию поверхностных горизонтов. Предложена высокоточная регрессионная модель прогноза значений обменной кислотности (рН^ по величине активной (рНН2С>}. Состояние древостоев болотных ельников может служить одним из объективных критериев изменения регионального климата в сторону сухости.

Altitudinal differentiation of the acid-base properties of the river valley peat soils of Kuznetsk Alatau.pdf Введение Обоснованные прогнозы реакции болот на угрозы глобального изменения климата и техногенного загрязнения природной среды нуждаются в оценке специфики современного торфогенеза в масштабах крупных регионов. Однако недостаточная проработанность этой проблемы сохраняется до настоящего времени. Существуют, в частности, сильно различающиеся экспертные оценки степени заболоченности горных территорий юга Сибири. С одной стороны, говорится о слабом развитии процессов болотоо-бразования [1, 2], с другой - отмечается широкое распространение болот в Алтае-Саянской горной стране [3]. При этом достаточно полно приводится их флористический состав и значительно в меньшей мере характеризуются свойства горных торфяных почв. Под названием болотные они включены в систематический список почв Западного Саяна и Кузнецкого Алатау [4, 5], ограничиваясь в то же время некоторыми физико-химическими показателями верхних торфяных горизонтов 0-5(10) см. В последнее время выполнена оценка промышленных выбросов Кузбасса на экологическое состояние болотных экосистем западного макросклона Кузнецкого Алатау [6]. Более подробные сведения о свойствах торфяных и гидроморфных почв, особенностях их районирования и рекомендации по хозяйственному освоению относятся к предгорной области Западного Саяна [7-10]. Важнейшей характеристикой физико-географического облика гор является, как известно, структура вертикальных почвенных поясов, множественность и внутренняя неоднородность которых в Алтае-Саянской горной стране приведена в работах [4, 5]. Вместе с тем в этих построениях торфяные почвы практически не представлены. Болотные экосистемы различных высотных поясов питаются, как известно, преимущественно подземными водами, которые выходят на поверхность благодаря резкой расчлененности рельефа, неодинаковой степени трещиноватости горных пород и наличию тектонических разломов. Разгрузка вод происходит обычно по горным склонам и речным долинам, которые, как правило, заболочены. Построение топографических рядов долинных торфяных почв Кузнецкого Алатау является целью настоящей работы. Понятно, что в условиях гидроморфного почвообразования режим увлажнения не может служить фактором дифференциации торфяных почв по ступеням рельефа. Поэтому в качестве критерия их вертикальной структурной организации использовали кислотно-основные свойства, которые играют ключевую роль в организации биогеоценотических процессов в болотных экосистемах, положены в основу классификации торфяных почв [11, 12] и принадлежности почв к геохимическим ассоциациям [13]. Материалы и методики исследования Объектами исследования послужили торфяные почвы бассейнов рек Белый Июс и Черный Июс, приуроченные к различным ступеням высот восточного макросклона Кузнецкого Алатау. Климат резко континентальный с холодной зимой и жарким летом. Увлажнение избыточное: коэффициент увлажнения по Н.Н. Иванову 1,75-2,4 [14]. В высокогорной области образцы торфяных почв отобраны на двух объектах. Торфяной массив Арарат площадью 1,8 га залегает на абсолютной высоте 1 460 м в естественном чашеобразном углублении (кресловине) горы Столовая с многолетним снежником (рис. 1). Географические координаты отбора почвенных образцов 54°41'04"N, 88°39'58''E. Торфяной массив Пихтерек (0,83 тыс. га) с горизонтами сезонной мерзлоты и перелеток расположен в заболоченной долине р. Пихтерек на абсолютной высоте 1 087 м (54°05'17"N, 89°05'49''E). В напочвенном покрове высокогорной области господствуют светолюбивые виды гипновых, сфагновых и зеленых мхов: проективное покрытие 85-100%. Доминируют: Sphagnum, Tomenthypnum, Aulacomnium, Helodium, Cslliergon, Polytrichum, Dicranum, Tuidium, Funaria, Bryum. Рис. 1. Карта-схема расположения изучаемых торфяных массивов Кузнецкого Алатау: 1 - Арарат; 2 - Пихтерек; 3 - Бюря; 4 - Тунгужуль; 5 - Печище; 6 - Тарча [Fig. 1. The schematic location map of the studied peatlands in the Kuznetsk Alatau: 1 - Ararat (54°41'04''N, 88°39'58''E); 2 - Pihterek (54°05'17''N, 89°05'49''E); 3 - Byurya (54°07'41"N, 90°15'31"E); 4 - Tunguzhul' (54°16'32''N, 89°39'02''E); 5 - Pechysche (54°57'54''N, 89°18'08''E); 6 - Tarcha (54°31'23"N, 89°21'13''E)] В пределах плоскогорья образцы почв отобраны в заболоченных межгорных долинах четырех рек, названия которых соответствуют наименованию объектов исследования. Торфяной массив Бюря (0,65 тыс. га) залегает на высоте 832 м Батеневского кряжа (54°07'41''N, 90°15'31''E). Массив Тунгужуль (1,77 тыс. га) расположен на абсолютной высоте 622 м (54°16'32''N, 89°39'02''E). Торфяной массив Печище (0,62 тыс. га) дислоцируется на высоте 573 м Солгонского кряжа (54°57'54''N, 89°18'08''E). Торфяной массив Тарча (1,8 тыс. га) сформирован вдоль подножья хребта Арга на высоте 547 м (54°31'23''N, 89°21'13''E). Торфяные массивы заняты хвойными и хвойно-лиственными древо-стоями с доминированием ели сибирской. Преобладают разновозрастные ельники гипново-зеленомошной группы типов леса. В ассоциациях напочвенного покрова господствующий ярус мхов занимает 90-95%. Доминируют: Tomenthypnum, Aulacomnium, Helodium, Drepanocladus, Cаlliergon, Pleurozium, Polytrichum, Hylocomium, Dicranum Rhytiadelphus, Tuidium, Brium, Ptilium. Исследованиями охвачена сфера современного почвообразования (корненасыщенная зона) - 0-30(40) см, которая ограничивалась в том числе наличием в профиле торфяных залежей мерзлотных горизонтов. Для отбора образцов почв вырезались торфяные монолиты размером 25x25x30(40) см и подразделялись на генетические горизонты. На каждом объекте отобрано по 5-6 монолитов сообразно доминирующим растительным ассоциациям. Торфяные почвы всех гипсометрических отметок слагаются торфами моховой группы. Верхние слабо разложившиеся горизонты 0-5(7) см характеризуются нормальной зольностью (7-11%). Нижние анализируемые слои 7-30(40) см отличаются повышенной зольностью (17-49%) и более высокой разложенностью торфа (28-34%). Кислотно-основные свойства почв определялись по руководству [15]: рН водной (водная вытяжка), рН солевой (вытяжка 1М KCl), общая потенциальная - гидролитическая кислотность (вытяжка 1М CH3COONa), найденную величину кислотности умножали на эмпирический коэффициент 1,75. Сумму обменных катионов (по Каппену-Гильковицу) находили в вытяжке 0,1М НС1, в которой комплексометрическим титрованием определяли Ca2++Mg2+. По разности между суммой и количеством Ca2++Mg2+ находили содержание прочих (не идентифицированных) катионов. Степень насыщенности почв основаниями, выраженная в %, рассчитывалась как доля обменных оснований к сумме (обменные основания + гидролитческая кислотность) и оценивалась согласно [16]. Реакцию среды характеризовали по [15]. Степень разложения устанавливали объемно-весовым методом [17]. Многомерный статистический анализ выполнен в программе EXCEL и StatSoft STATISTICA 6.0 [18]. Результаты исследования и обсуждение Заболоченные речные долины восточного склона Кузнецкого Алатау характеризуются средней и значительной вариацией признаков, которые используются для оценки кислотно-основных свойств почв: рН водной вытяжки 4,7-7,7, рН солевой вытяжки 3,8-6,9, гидролитическая кислотность 3,5-81,1 ммоль(+)/100 г, сумма поглощенных оснований 110-387, обменные щелочноземельные катионы 43,6-357, емкость катионного обмена 170-392 ммоль(+)/100 г. Все показатели тесно связаны между собой: индекс детерминации (R2) составляет 0,71-0,94. Чтобы сопоставить кислотно-основные свойства торфяных почв, сформированных на разных абсолютных высотах, обратились к концепции кислотного следа почвообразования посредством создания F-диаграмм [19, 20]. Для построения диаграмм применили понятие функциональной зависимости между варьирующими признаками. В качестве аргумента использовали показатели степени насыщенности щелочноземельными основаниями, в качестве функции - величины рН водной и рН солевой. Кислотный след почвообразования в высокогорной торфяной почве массива Арарат отличается монотонностью, судя по величине кислой реакции среды (рН водной), сильной ненасыщенности почвенного поглощающего комплекса (ППК) щелочноземельными основаниями, практически одинаковым содержанием ионов водорода Н+ и прочих катионов по всей стратиграфической колонке (рис. 2, А; 3, А). B А • рНвод [Water pH] АрНсол [Salt pH] 18-22 23-27 0-17 -G Кислая [Acidic] Сильноненасыщенны [Highly unsaturated] 20 25 30 • рНвод [Water pH] АрНсол [Salt pH] Кислая [Acidic] 0-5 6-15 16-28 Сильноненасыщен ^насыщенные [Highly unsaturated] [Unsaturated] 30 40 20 3 E 4 5 Слабокислая Г~ 0-5 6-10 [Slightly acidic] ""у --....^а 11-25 ^йтр аль ная Слабо- [Neutral] насыщенные Умеренно 8 [Slightly насыщенные saturated] [Moderately saturated] 6 ^тральная [Neutral] -^ Слабощелочная -^ [Slightly alkaline] 60 90 70 F 0-7 21-30 P Сильно" насыщенные [Strongly saturated] насыщенные [Moderately saturated] 00 /и 90 80 Степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса Ca+ Mg, % [Saturation degree of the soil absorption complex] Рис. 2. Распределение в поле кислотности F-диаграммы генетических горизонтов почв горных торфяников: A - Арарат; B - Пихтерек; C - Бюря; D - Тарча; E - Печище; F - Тунгужуль [Fig. 2. F-diagrams: distribution of soil genetic horizons of mountain peatlands in acidity fields: A - Ararat; B - Pihterek; C - Byurya; D - Tarcha; E - Pechysche; F - Tunguzhul'] Торфяник Пихтерек (1 087 м над ур. м.) характеризуется сходным кислотным следом почвообразования: профиль находится в интервале кислых показателей рН и не насыщен основаниями (рис. 2, B; 3, B). Отличается от массива Арарат явным проявлением ацидофикации поверхностного горизонта: относительно нижнего анализируемого (16-28 см) наблюдается примерно вдвое повышение ионов Н+ и снижение щелочноземельных оснований в составе ППК. Горизонтограмма массива Бюря (832 м над ур. м.) характеризует дифференцированный кислотный след почвообразования в ходе торфогенеза (рис. 2, C; 3, C). Нижний анализируемый горизонт торфяного массива уме-реннонасыщенный (Ca+Mg) с нейтральной реакцией среды, по мере роста вверх последовательно трансформируется в слабонасыщенный и слабокислый субстрат, затем в ненасыщенный кислый поверхностный слой (0-5 см). С позиции каскадно-геохимических оценок торфяные почвы массива Бюря можно определить как систему переходного типа, играющую буферную (ба-рьерно-трансляционную) роль в формировании кислотно-основных свойств сопряженных торфяников. Вышележащие торфяные почвы - кислые ненасыщенные щелочноземельными основаниями по всему профилю, расположенные по склону ниже - преимущественно нейтральные, насыщенные в той или иной мере обменными катионами. 0-5 6-12 13-17 18-26 6".6 "2." 1 25.3 Н ^ F 0-7 "3.3 ■ 23." | 8-17 86." 18-20 21-30 91.5 0 25 50 75 100 C А B 0-5 6-15 16-28 |' м^ЦЦ 4U.3 39.1 38.8 38.4 38.11 0-17 18-22 23-27 28-32 33-40 0-5 6-10 11-29 25 50 75 0-3 4-10 11-16 17-30 Доля катионов к емкости обмена, % [Cation proportion to the soil exchange capacity] Нг (гидролитическая кислотность) 25 50 75 100 j-j Прочие катионы [Other cations] (Ca + Mg) [Hr (nonexchangeble acidity] Рис. 3. Доля катионов к емкости обмена горных торфяных почв различных высотных отметок: А - Арарат; B - Пихтерек; C - Бюря; D - Тарча; E - Печище; F - Тунгужуль [Fig. 3. The composition of soil absorption complex of mountain peatlands: A - Ararat; B - Pihterek; C - Byurya; D - Tarcha; E - Pechysche; F - Tunguzhul'] Так, кислотный след почвообразования массива Тунгужуль (622 м над ур. м.) в нижней части профиля характеризуется слабощелочной реакцией среды и сильнонасыщенными основаниями торфами, преобразуясь в поверхностных слоях до нейтральных значений рН и умеренного насыщения залежи Ca2++Mg2+ (рис. 2, F; 3, F). Доля катионов неопределенной природы незначительна и только в поверхностном горизонте (0-7 см) достигает 24%. F-диаграмма массива Печище (579 м над ур. м.) показывает, что умереннонасыщенные (Ca+Mg) с нейтральной реакцией нижние слои залежи сменяются в ходе торфогенеза горизонтами, обедненными основаниями со слабокислой средой (рис. 2, E; 3, E). Близкие характеристики по кислотности среды и степени насыщенности основаниями имеет F-диаграмма почв торфяного массива Тарча (547 м над у. м.), однако отличается несколько возросшей долей не идентифицированных катионов (рис. 2, D; 3, D). Таким образом, почвы различных гипсометрических ступеней рельефа в процессе торфонакопления воспроизводят в той или иной мере общие признаки органогенного почвообразования - ацидификацию поверхностных горизонтов главным образом за счет поступления органических кислот в составе свежих растительных остатков, а также выноса оснований латеральными миграционными потоками. Для принятия решения о том, какие показатели (признаки) кислотно-основного состояния лучше всего различают (дискриминируют) обсуждаемые торфяные почвы, воспользовались процедурой дискриминантного анализа. Построенная по кислотно-основным свойствам модель, судя по статистике Уилкса и ее оценкам, показывает: статистически значимыми дискриминаторами почв торфяных массивов являются содержание обменных щелочноземельных оснований и рН солевой вытяжки, при этом вклад последнего показателя более мощный (табл. 1). Т а б л и ц а 1 [Table 1] Оценка вклада кислотно-основных показателей в дискриминацию торфяных почв и формирование кластеров [Evaluation of the acid-base parameters' contribution into discrimination of peat soils and cluster formation] Частная Переменные модели [Parameters of models] Лямбда Уилкса [Wilks' Lambda] лямбда [Partial Lambda] F-критерий [F-statistics] p-уровень [p-level] Почвы торфяных массивов [Peatland soils] Оценка качества дискриминации: лямбда Уилкса - 0,224, F-критерий - 13,37, р-уровень значимости

Ключевые слова

гидролитическая кислотность, рНш, рННю, горные торфяные почвы, насыщенность основаниями, геохимические ассоциации, многомерный статистический анализ, mountain peatlands, water pH, salt pH, nonexchangeable acidity, saturation with bases, buffering, geochemical association, multivariate statistical analysis

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Мелентьева Надежда ВасильевнаИнститут леса им. В.Н. Сукачева СО РАНм.н.с. лаборатории фитоценологии и лесного ресурсоведенияavrova@ksc.krasn.ru
Аврова Ада ФёдоровнаИнститут леса им. В.Н. Сукачева СО РАНканд. биол. наук, н.с. лаборатории фитоценологии и лесного ресурсоведенияavrova@ksc.krasn.ru
Ефремов Станислав ПетровичИнститут леса им. В.Н. Сукачева СО РАНд-р биол. наук, проф., гл.н.с. лаборатории фитоценологии и лесного ресурсоведенияefr2@ksc.krasn.ru
Ефремова Тамара ТимофеевнаИнститут леса им. В.Н. Сукачева СО РАНд-р биол. наук, в.н.с. лаборатории фитоценологии и лесного ре-сурсоведенияefr2@ksc.krasn.ru
Всего: 4

Ссылки

Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М. : Астрея, 1999. 768 с.
Елисеева И.И., Курышева С.В., Костеева Т.В., Бабаева И.В., Михайлов Б.А. Эконометрика. М. : Финансы и статистика, 2003. 344 с.
Шамрикова Е.В., Денева С.В., Кубик О.С., Пунегов В.В., Кызъюрова Е.В., Боброва Ю.И., Зуева О.М. Кислотность органогенных горизонтов арктических почв побережья Баренцева моря // Почвоведение. 2017. № 11. С. 1325-1336. doi: 10.1134/ S1064229317110102
Ефремова Т. Т., Ефремов С.П. Природа кислотных свойств подстилки болотных березняков // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. 2013. № 2. С. 205-219.
Соколова Т.А, Толпешта И.И, Трофимов С.Я. Почвенная кислотность. Кислотно-основная буферность почв. Соединения алюминия в твердой фазе почвы и почвенном растворе. Изд. 2-е, испр. и доп. Тула : Гриф и К, 2012. 124 с.
Investment-analysis.ru. URL: http://investment-analysis.ru/metodFC2/daily-variance-arithmetic-mean-deviation.html
Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Суханова Н.И. Химия почв. М. : Высшая школа, 2005. 558 с.
Peatlands of the Western Guayana Highlands, Venezuela / ed. by Zinck J.A., Huber O. Berlin Heidelberg : Springer-Verlag, 2011. 295 р.
Pfadenhauer J. Tropische und subtropische Moore // Moorund Torfkunde. Auflage 3. E. Stuttgart: Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung (Nagele und Obermiller), 1990. РР. 102-113.
Dammon A.W.H., French T.W. The ecology of peat bogs of the glaciated northeastern United States // Biological Report 85 (7.16). Supt. of Documents. U.S. Fish and Wildlife Service. Washington DC, 1987. 100 р.
Ефремова Т. Т., Аврова А.Ф., Ефремов С.П. Морфолого-генетические типы подстилок болотных ельников // Сибирский лесной журнал. 2015. № 1. С. 58-73.
Степанов В.М. Гидрогеологическая зональность в горных районах Восточной Сибири // Труды II совещания по подземным водам и инженерной геологии Восточной Сибири. Вып. I / под ред. В.Г. Ткачук. Иркутск, 1959. С. 71-84.
Бочарников М.В., Исмаилова Д.М. Высотная поясность растительного покрова восточного макросклона Кузнецкого Алатау // Вестник Московского университета. Серия 5. География. 2011. № 6. С. 76-84.
Кокотов Ю.А., Сухачева Е.Ю., Апарин Б.Ф. Анализ показателей кислотности почвенного профиля и их связи с процессом почвообразования // Почвоведение. 2016. № 1. С. 3-10. doi: 10.1134/S1064229316010087
Халафян А.А. STATISTICA 6. Статистический анализ данных : учебник. 3-е изд. М. : Бином-Пресс, 2007. 515 с.
Кокотов Ю.А., Сухачева Е.Ю, Апарин Б.Ф. Поле кислотности почв как ионообменных систем и диагностика генетических горизонтов // Почвоведение. 2014. № 12. С. 14481459. doi: 10.1134/S1064229314120072
Пьявченко Н.И. Степень разложения торфа и методы ее определения. Красноярск : ИЛиД СО АН СССР, 1963. 56 с.
Классификация почв России / под ред. Л.Л. Шишова, Г.В. Добровольского. М. : Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 2000. 235 с.
Научно-прикладной справочник по климату СССР. Вып. 21. Кн. 2. Красноярский край, Тувинская АССР / под ред. Н.С. Смирновой. Л. : Гидрометеоиздат, 1990. 408 с.
Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М. : МГУ, 1970. 487 с.
Глазовская М.А. Почвы мира. М. : Изд-во МГУ, 1972. 231 с.
Морозова Р.М. К вопросу о классификации болотных осушенных почв // Изменение лесоболотных биогеоценозов под влиянием осушения / под ред. Л.С. Козловской, В.М. Медведевой. Петрозаводск : КФ АН СССР, 1986. С. 108-124.
Пьявченко Н.И., Корнилова Л.И. О диагностических показателях типов торфа // Почвоведение. 1978. № 10. С. 146-153.
Кулижский С.П. Эффективный способ использования природоохранных территорий // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2008. № 1. С. 42-56.
Ефремова Т.Т. Некоторые вопросы хозяйственного освоения осушенных болот // Почвы зоны КАТЭКа / под ред. В.М. Корсунова, Л.С. Шугалей. Красноярск : ИЛиД СО АН СССР, 1981. С. 56-65.
Ефремов С.П. Болота зоны КАТЭКа в связи с перспективами их хозяйственного использования и охраны // Почвы зоны КАТЭКа / под ред. В.М. Корсунова, Л.С. Шугалей. Красноярск : ИЛиД СО АН СССР, 1981. С. 41-56.
Платонов Г.М. Болота лесостепи Средней Сибири. М. : Наука, 1964. 116 с.
Волкова И.И., Байков К.С., Сысо А.И. Болота Кузнецкого Алатау как естественные фильтры природных вод // Сибирский экологический журнал. 2010. № 3. С. 379-388. doi: 10.1134/S1995425510030021
Смирнов М.П. Почвы Западного Саяна. М. : Наука, 1970. 236 с.
Мульдияров Е.Я., Лапшина Е.Д. К изучению болот Кузнецкого Алатау // Сибирский экологический журнал. 2000. № 5. С. 645-652.
Ильиных Н.И. Почвы Кузнецкого Алатау. Красноярск: Краснояр. кн. изд-во, 1970. 166 с.
Семенов В.А. Водные ресурсы // Изменение климата и его воздействие на экосистемы, население и хозяйство российской части Алтае-Саянского экорегиона: оценочный доклад; Всемирный фонд дикой природы (WWF России) / под ред. А.О. Кокорина. М., 2011. С. 52-72.
Пьявченко Н.И. К изучению болот Красноярского края // Заболоченные леса и болота Сибири. М. : Изд-во АН СССР, 1963. С. 5-32.
 Высотная дифференциация кислотно-основных свойств долинных торфяных почв Кузнецкого Алатау | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2018. №  41 . DOI: 10.17223/19988591/41/8

Высотная дифференциация кислотно-основных свойств долинных торфяных почв Кузнецкого Алатау | Вестн. Том. гос. ун-та. Биология. 2018. № 41 . DOI: 10.17223/19988591/41/8