Mobile humic substances in the forest-tundra zone podzols.pdf Введение В последнее время изменения глобального климата стали общепризнанным фактом, при этом они наблюдаются в разных природных зонах и фиксируются практически всеми компонентами экосистем [1]. Почва является надежным индикатором изменений природной среды и климата. Глобальное потепление может повлечь за собой дальнейшее изменение цикла углерода, особенно на территории распространения многолетнемерзлого слоя. В стабильных условиях система гумусовых веществ находится в состоянии равновесия, означающего динамический баланс между вновь образуемыми и минерализуемыми фрагментами макромолекул. В этом случае доля СО2, выделяющаяся за счет минерализации гумуса, оценивается в 1,1-4,2% от общей эмиссии [2]. Однако даже в процессе сезонного оттаивания мерзлотных почв фиксируется разрушение криогенных агрегатов, влекущее за собой резкое возрастание подвижности органического вещества в их профиле [3]. В случае направленных изменений условий функционирования системы гумусовых веществ (например, в результате потепления) процессу минерализации дополнительно будут подвергаться в первую очередь подвижные гумусовые вещества, что, безусловно, отразится на почвенной эмиссии диоксида углерода. В настоящее время вопросу общих запасов углерода в разных типах почв Заполярья посвящен ряд публикаций [4-6 и др.]. Дальнейшее накопление данных по пулам углерода в почвах мерзлотных территорий конкретных условий функционирования необходимо для получения целостной картины стоков этого элемента. Однако для прогнозных оценок поведения почв необходимы также сведения о доли подвижных форм гумуса, представляющих собой наименее устойчивую его часть. Цель исследования - установить вклад лабильных гумусовых веществ в общие запасы органического углерода подзолов лесотундры. Материалы и методики исследования Территория исследования расположена в лесотундровой зоне на левом берегу р. Оби в районе г. Лабытнанги. Среднегодовая температура воздуха изучаемого района составляет -1,1°С, средняя температура воздуха самого холодного месяца -минус 24,4°С, самого теплого - +13,1°С. Средняя продолжительность безморозного периода три месяца. Число дней с температурой выше 10°С немногим превышает 60. Сумма средних суточных температур воздуха >10°С составляет около 800°С, среднегодовых осадков - 400 мм/г [1]. Рельеф изучаемой территории Ямало-Ненецкого автономного округа равнинный, почвообразующими породами являются четвертичные наносы суглинистого и песчано-суглинистого состава. На типичном для лесотундры участке площадью 1 км2 около 3/4 его площади оказалось под тундровой растительностью, примерно 1/10 - под редколесьем, остальная территория пришлась на болота и ложбины стока. На участках с относительно хорошим дренажом как под бугристой кустарничково-мохово-ли-шайниковой тундрой, так и под кустарничково-лишайниково-лиственничным редколесьем сформированы подзолы, которые были вскрыты разрезами 3.3.1 и 3.4.1 соответственно. Образцы почв отбирались в пределах видимых горизонтов подробно, каждые 5-10 см, из верхней 20-сантиметровой почвенной толщи дополнительно были взяты пробы для определения объемной массы, необходимой для расчета запасов элементов. Подготовка к анализу осуществлялась по стандартной методике. значения рН водной и солевой вытяжки определялись потенциометрическим методом, с помощью Аниона 4100, гидролитическая кислотность - по Каппену-Гильковицу. Общий углерод определялся по Тюрину, групповой и фракционный состав гумуса - методом Пономаревой-Плотниковой [8]. Результаты исследования и обсуждение Разрез 3.3.1, заложенный в лиственничном редколесье, имеет следующее морфологическое строение (см. рис. 1): Ао 0-1 см Опад багульника, сфагнума и зеленых мхов, переплетенный корнями растений А2 1-3(4) см Имеет прерывистый характер, светло-серый, рыхлый с включениями мелких корней бесструктурный легкий суглинок, граница волнистая, переход по окраске и плотности резкий Bhf 3(4) -7(8) см Серо-бурый, более плотный, чем вышележащий, с включениями мелких и средних корней средне-мелкоореховатый легкий суглинок, граница волнистая, переход по окраске резкий Bg j 7(8) -52 см Светло-бурая, со светло-серыми и сизоватыми пятнами, имеющая такое же, как в предыдущем горизонте, сложение, с редкими включениями корней, пластинчатая супесь, граница ровная, переход по плотности заметный Bg 2 52-120 см Светло-бурый, со светло-серыми и сизоватыми глее-выми пятнами, составляющими 50% площади, более плотный, по сравнению с предыдущим горизонтом, с включениями единичных корней до глубины 63 см, со слабовыраженной пластинчатой структурой легкий суглинок. С глубины 102 см горизонт Bg2 становится тиксо-тропным. Многолетнемерзлый слой залегает на глубине 233 см Почва под тундровым сообществом, вскрытая разрезом 3.4.1, имеет следующее морфологическое строение (см. рис. 1): Полуразложившиеся растительные остатки, переплетенные корнями Светло-серая, рыхлая, с включениями единичных корней бесструктурная супесь, граница ровная, переход по окраске резкий. Горизонт имеет фрагментарный характер, местами отсутствует Бурая, рыхлая, с включениями мелких корней среднеком-коватая супесь, граница волнистая, переход по окраске ясный, местами резкий. Горизонт тиксотропный Сизо-серая, рыхлая, с включениями мелких корней средне-комковатая супесь. Горизонт тиксотропный. С 25 см разрез затоплен водой, многолетнемерзлый слой начинается со 149 см А 0-1(2) см А 1(2) -4 см 4-6 см В„, 6-25 В Сравниваемые почвенные разрезы формируются на суглинках и супесях, их подзолистые горизонты, имеющие мощность не более 3 см, залегают непосредственно под подстилкой. Железисто-гумусовые горизонты также являются маломощными. Морфологическое строение обеих почв соответствует подзолу криогенно-глеевому Al-Fe-гумусовому. Названия почвам даны в соответствии с основополагающей работой, в которой приведены результаты исследования почв исследуемой территории [9]. В соответствии с Международной реферативной базой эти почвы диагностируются как Albic Gleyic Podzols [10]. Наличие глеевого горизонта в разрезе 3.4.1 обусловлено более тяжелым гранулометрическим составом почвы под тундровым сообществом. Мощность активного слоя в сравниваемых подзолах различается практически в полтора раза, что обусловлено как различиями их гранулометрического состава, так и особенностями растительных сообществ, под которыми они функционируют. Подзол криогенно-глеевый Al-Fe-гумусовый (Р.3.3.1) Рис. 1. Лесотундровые растительные сообщества (а) и профили почв (б) Бугристая кустарничково-мохово-лишайниковая тундра Подзол криогенно-глеевый Al-Fe-гумусовый (Р.3.4.1) Обе лесотундровые почвы (рис. 2) имеют кислую реакцию среды (рНКС1 не превышает 4,4). Значения рН в минеральных горизонтах увеличиваются с глубиной почвенного профиля. Актуальная кислотность, обусловленная почвенными органическими кислотами, имеет большие значения в почве редколесья. значения гидролитической кислотности максимальны в органических горизонтах и различаются в сравниваемых почвах практически в 2 раза, составляя 13 и 25 ммоль/кг. В минеральных горизонтах значения этого показателя составляют 1-3 ммоль/кг почвы. Таким образом, гумусообразование происходит в кислой среде, обусловленной биогенным фактором. Распределение органического углерода в изучаемых разрезах (рис. 3) носит регрессивно-аккумулятивный характер [11]. В разрезе 3.3.1 значение содержания углерода уменьшается от 18% в горизонте подстилки до сотых долей процента в горизонте В2. В разрезе 3.4.1 максимальное содержание углерода в органическом горизонте составляет около 9%, минимальное значение приходится на глеевый горизонт. Содержание углерода в подзолистом и железисто-гумусовом горизонте почвы под лиственничным редколесьем в 3 раза выше по сравнению с аналогичными горизонтами почвы под тундровой группировкой. Гумус изучаемых почв в верхней 25-сантиметровой толще имеет близкий состав (рис. 4). Фульвокислоты являются доминирующей группой гумусовых веществ, в подзолистых горизонтах их содержание достигает 67%. Гуминовые кислоты представлены в наименьших количествах. Это отражается на соотношении СГк:Сфк, значение которого, за исключением органогенного горизонта, не превышает 0,5 и соответствует фульватному составу гумуса. Негидролизуемые формы гумуса в наименьших количествах обнаружены в горизонте А^. шаш/кг О 5 10 15 MMfflft'ir О 5 10 15 20 25 30 -рНН20 - pHKCL Рис. 2. Некоторые физико-химические характеристики почв: 1 - pH водной и солевой вытяжки; 2 - гидролитическая кислотность Рис. 3. Распределение общего органического углерода по почвенному профилю (a - разрез 3.3.1, б - разрез 3.4.1) Фракция наиболее подвижных бурых ГК1 превалирует над другими фракциями гуминовых кислот, её содержание в отдельных горизонтах превышает 80% от суммы гуминовых кислот. Количество этих свободных и связанных с полуторными окислами гуминовых кислот в целом убывает с глубиной почвенного профиля. Фракция гуминовых кислот, связанная с глинистыми частицами (ГК3), имеет среднее содержание в составе гумуса, не превышающее 8%. Фракция черных гуминовых кислот (ГК2), связанная с кальцием, присутствует в наименьшем количестве, а в некоторых горизонтах не обнаружена. Среди фульвокислот преобладают связанная с бурыми гуминовыми кислотами (ФК1) и агрессивная (ФК^) фракции. Итак, в составе гумуса преобладают фракции агрессивных и связанных с бурыми гуминовыми кислотами фульвокислот, значительную долю также имеет фракция свободных и связанных с полуторными окислами гуминовых кислот. К выделению среди гумусовых кислот устойчивых и лабильных веществ в настоящее время существует два основных теоретических подхода. В соответствии с [8, 12], подвижные гумусовые вещества представляют собой извлекаемые 0,1н. NaOH вытяжкой бурые, находящиеся в почве либо в свободном состоянии, либо в форме непрочных соединений с полуторными окислами, и связанные с ними фульвокислоты. Среднее содержание этих гумусовых веществ в верхних 20 см почвенных профилей составляет 38% для подзола под редколесьем и 31% для подзола под тундровым сообществом. По мнению [13], к устойчивым гумусовым веществам относятся гуминовые кислоты и гумин; фульвокислоты принадлежат к группе лабильных веществ. Среднее суммарное содержание фульвокислот в верхней 20-сантиметровой почвенной толще в лиственничнике и тундре равно 47 и 54% соответственно. Запасы углерода в верхних 20 см изучаемых подзолов оцениваются как очень низкие [13] и различаются под разными растительными сообществами более чем в 2 раза (рис. 5). Большее накопление органического углерода в почве редколесья, вероятно, связано с особенностями химического состава лиственницы, в большей степени благоприятствующего процессу гумусообразования. Рассчитанные запасы получились несколько ниже, чем в аналогичных почвах горной части Приполярья, что связано с различиями на порядок в мощности органических горизонтов этих почв [5]. аЛ К Почве к с орг 10 О -С О J" ЗС О 35 33 С 33 3D 0 30 30 0 30 30 О 303D 0 300,0 0,S l.C CU А V ПОЧ1Г %*Сорг i0J№G«JO0M№ О JOJOeMJOCJOMO »SC 0 S0O.C 0.3 ].0 tH Рис. 4. Гумусовый профиль подзолов под редколесьем (А) и тундровым сообществом (Б): a - общий органический углерод, % к почве; % к общему органическому углероду: б - сумма гуминовых кислот (ГК); в - сумма фульвокислот (ФК); г - негидролизуемые формы гумуса; д - ГК фр.1; е - ГК фр. 2; ж - ГК фр. 3; з - ФК фр. 1а; и - С^:^ При этом запасы подвижных фракций гумусовых веществ в этой же почвенной толще, рассчитанные как сумма Гк1 и Фк1, составляют 7,9 т/га в почве под древесной растительностью и 2,9 т/га - под тундровой; а как сумма всех ФК - 9,8 и 5,1 т/га соответственно. Рис. 5. Запасы углерода в составе гумуса и его подвижных форм в верхних 20 см почвы: 1 - общий органический углерод; 2 - углерод подвижных фракций (ГК1+ФК1); 3 - углерод подвижных фракций (сумма ФК) Заключение Подзолы криогенно-глеевые Al-Fe-гумусовые, формирующиеся на породах различного гранулометрического состава под разными растительными сообществами лесотундры, достаточно близки по своим физико-химическим свойствам. В групповом и фракционном составе их гумуса также обнаружено сходство, заключающееся в ведущем вкладе среди фульвокислот агрессивной фракций ФК1а и связанной с бурыми гуминовыми кислотами фракции ФК1, а среди гуминовых кислот - фракции бурых ГК. Запасы углерода в почве лиственничного редколесья в два раза превышают таковые для почвы кустарнич-ково-мохово-лишайниковой тундры и в обоих случаях являются очень низкими. Однако лабильные гумусовые вещества, подсчитанные в соответствии с разными подходами, составляют от 31-38 до 47-54% от общих запасов почвенного углерода. Таким образом, не менее трети гумусовых веществ подзолов лесотундры представлено наименее стабильными подвижными фракциями гумуса, что может привести к быстрому увеличению эмиссии CO2 из почвы в случае глобального потепления климата.

Скачать электронную версию публикации