The Transformation of Morphological Properties of Soils Due to the Low Arctic Tundra Shrubification.pdf Введение Продолжающиеся климатические изменения в Субарктике и Арктике [14] сопровождаются увеличением продолжительности вегетационного периода, количества осадков, доступности элементов минерального питания для растений и как следствие продуктивности растительности [5-7]. Эффект повышения продуктивности растительности, или позеленения, достоверно установлен по данным дистанционного зондирования поверхности Земли [8-11]. Позеленение вызвано не только увеличением продуктивности тундровых растительных сообществ, но и сукцессионными процессами, такими как зарастание растительностью донных отложений осушенных бассейнов термокарстовых озёр [12, 13], оползней и термокарстовых понижений [14] либо закустаривание тундры [8, 15, 16]. Последний процесс является наиболее масштабным из сукцессионных процессов. Изучение закустаривания важно для моделирования будущих состояний ландшафтов, так как масштабное увеличение доли кустарникового покрова изменяет структуру экосистем тундры и потоки энергии, региональный климат, почвенноатмосферный обмен водой, углеродом и элементами питания растений, а также экологические взаимодействия между видами [17]. Вопросам закустаривания тундры посвящено значительное количество работ (см., например, обзоры [18-20]). Закустаривание вызвано поселением ольхи, ив и разрастанием ерников [21]. Часто все эти виды расселяются вместе с доминированием какого-либо одного вида. Наиболее подходящими для закустаривания являются балки и долины ручьев [22]. Ивняки чаще формируются на месте нарушенных местообитаний, например по местам развития оползневых процессов [23, 24]. Ольховники формируются как по местам нарушений, так и на зарастающих пятнах-медальонах [16, 25]. Ерник в южной тундре произрастает как в зональных условиях, так и под прикрытием ивняков и ольховников. Наиболее существенные экологические изменения происходят при колонизации тундры ольхой, так как она значительно обогащает почвы соединениями азота [26]. В ольховниках зимой образуются сугробы, оказывающие отепляющее воздействие [25], а из-за затенения летом температура почвы, наоборот, ниже. Зимнее отепляющее воздействие оказывается более весомым в годовом температурном режиме [27], в связи с чем под ольховниками происходит углубление многолетней мерзлоты, а криотурбационные процессы подавлены [28]. Листовой опад кустарников приводит к эффекту праймин-га - увеличивается скорость разложения органических соединений [20], в том числе ранее накопленных в верхних горизонтах почвы [29, 30]. Комплексное влияние ольховников на окружающую среду тундр требует их тщательного изучения, так как более глубокое понимание долгосрочных взаимодействий между многолетней мерзлотой, климатом, растительностью и снежным покровом, а также улучшение модельных представлений о грунтовой толще, включая подземный лед, снизит неопределенность в отношении состояния многолетней мерзлоты в будущем [31]. Проведенные ранее исследования были сосредоточены на экосистемных и ландшафтных последствиях от внедрения кустарников в тундровые 9 Агрохимия и почвоведение / Agrochemistry & Soil science экосистемы [32-34]. Хорошо изучено влияние ольховников на температурные режимы почв [27, 28] и биогеохимические циклы [35]. Вместе с тем нами не встречены работы, в которых бы изучалась эволюция почв тундры под влиянием их закустаривания. Характерное время почвенных процессов, протекающих в почвах тундр, например оглеения, невелико и измеряется первыми годами или десятками лет [36, 37]. Поэтому была сформулирована гипотеза о том, что за промежуток времени в более чем половину столетия, в течение которого наблюдается экспансия кустарников, изменения морфологических свойств почв могут достигнуть классификационно значимого выражения. Для проверки гипотезы было изучено изменение морфологических признаков и таксономической принадлежности почв под влиянием закустаривания. Использована методология иерархического морфосубстантивного исследования твердофазного каркаса почв [38-40], сочетающая изучение почвенного тела на макро-, мезо- и микроморфологических уровнях. Эта методология позволяет проводить интегральную оценку экологического состояния экосистемы с параллельным выявлением истории её формирования и возможностью прогнозирования ближайшего будущего. В качестве района исследований выбран юг тундровой зоны Западной Сибири, так как для этого обширного района региональные аспекты закустаривания изучены лишь в бассейне реки Собь (Приуральский район ЯНАО) [16, 28]. Изучение педологической стороны процесса закустарива-ния тундры для этого региона находится на начальном уровне. Дополнительным мотивом нашей работы было протестировать возможности иерархического морфологического анализа почв для диагностики эволюционных процессов в условиях тундры на малых характерных временах. Это исследование продолжает серию работ по иерархическому морфогенетическому анализу почв Западной Сибири, выполненных нами ранее [41-46]. Материалы и методики исследования Район исследований, критерии выбора и характеристика ключевого участка. Исследования проведены неподалёку от пос. Тазовский в Тазовской тундре, расположенной в северо-восточной части Пур-Тазовского междуречья (Западно-Сибирская равнина). В административном отношении это Тазовский район Ямало-Ненецкого автономного округа (Россия). Согласно схеме почвенно-экологического районирования территория относится к IV Тазовско-Гыданскому округу Западно-Сибирской тундровой провинции [47]. Работы проводили в пределах надпойменных озерно-аллювиальных террас р. Таз (рис. 1). Террасы сложены пылеватыми супесями, суглинками, реже глинами и песками, мерзлота имеет сплошное распространение [48]. В условиях суглинистых плакоров и склонов под тундровой растительностью встречаются два типа почв глеевого отдела: глеезёмы мерзлотные, распространённые на повышенных элементах рельефа (верхняя и средняя часть склона), и торфяно-глеезёмы мерзлотные, залегающие в мезо- и микропонижениях (ложбины, промоины, трещины) [49]. 10 Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Истигечев Г.И. и др. Трансформация морфологических свойств Москва Moscow] / Тазовский \\Tazov§ky] Россия [Russia] Ключевой участок [Key site] - Рис. 1. Ключевой участок «Тазовский»: a - место расположения; b - общий вид местности с дрона; c - центральная часть исследованного ольховника [Fig. 1. Tazovsky site: a - geographic location; b - aerial photograph of the key site; c - central part of the key alder shrubs] Для выбора ключевого участка весной 2021 г. были проведены маршрутные исследования, в ходе которых оценивали проективное покрытие мхов, травянистых видов и осок, в камеральных условиях сравнивали раз- 11 Агрохимия и почвоведение / Agrochemistry & Soil science новременные снимки, доступные через приложение Google Earth Pro, чтобы определить, какие заросли ольховника увеличиваются в площади, а какие стабильны. Возраст ольхи оценивался с помощью подсчёта годичных колец по кернам, полученным возрастным буравом Пресслера (Haglof, Швеция). Критериями выбора ключевого участка для дальнейшего проведения почвенно-морфологических исследований были: 1) наличие стволов ольхи возрастом в несколько десятилетий; 2) концентрическое строение кустов с разными сукцессионными стадиями от края к центру ольховника; 3) минимальные различия геометрии форм рельефа в ольховнике и соседней тундре, являющейся фоном для сравнения. Последнее условие оказалось наименее выполнимым, так как ольховники обычно растут на склонах [50]. В таких условиях фоновая тундра и место произрастания ольховника приурочены к различным секторам геохимической катены. В изучаемой местности ольховники также в большинстве случаев приурочены к бровкам мезосклонов, покатым склонам, лишь немногие из них расположены в верхней части пологих рассеивающих сток склонов и подходят для целей исследования. По результатам рекогносцировочных работ выбран ольховник, расположенный в верхней части пологого рассеивающего мезосклона долины ручья без выраженного бровочного перегиба. Самый старый ствол ольхи, обнаруженный в ольховнике, начал свой рост в 1957 г. Для заложения разрезов сравнения выбрана прилегающая тундра. Координаты центра ольховника -N67°22'17.4'', E78°42'11.7''. В пределах ольховника сформировалась термокарстовая псевдотерраска, связанная с понижением поверхности, вызванной опусканием кровли многолетней мерзлоты под кустарником. Полевые работы. В пределах тундры и выбранного модельного ольховника заложено 34 почвенных разреза, по восемь штук на четырех профилях, параллельных границе тундры и ольховника, и два дополнительных разреза. Каждый профиль характеризовал одну сукцессионную стадию и пересекал как рассеивающие, так и собирающие формы микрорельефа. Для характеристики рельефа проведена съемка высот с помощью электронного тахеометра Nikon Nivo 3.0 (Япония). Для создания фотоплана использована съемка с помощью дрона Mavic 2 Pro (DJI, Китай). Вблизи каждого из разрезов выполнены стандартные геоботанические описания - отмечали видовой состав сообщества или парцеллы, проективное покрытие всех слагающих видов, определяли возраст самого старого ствола ольхи. Каждый почвенный разрез был сфотографирован фотоаппаратом Nikon D850 (Япония) с объективом 14-24mm f/2.8G ED AF-S Nikkor и внешней фотовспышкой Nikon Speedlight SB-700. Для определения окраски отобрано по 2 образца из каждого почвенного разреза. Первый образец отбирался из горизонта, непосредственно контактирующего с органогенным, второй - из следующего за ним снизу, соответствуя в глееземах глеевому горизонту. Мощность сезонно-талого слоя определялась с использованием 12 Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Истигечев Г.И. и др. Трансформация морфологических свойств металлического прута длиной 1,5 м, вводившегося в дно разрезов. В случае глубокого залегания мерзлоты бурение проводили ручным буром Эдель-мана (Eijkelkamp, Нидерланды) до кровли мерзлоты, попутно отмечая уровень надмерзлотной верховодки. Для изучения микроморфологических признаков агрегации почвенной массы под воздействием сезонного промерзания был отобран микромонолит размером 40 мм в длину и 37 мм в ширину из диапазона глубин 913 см в горизонте AO/CRM+[AYao] (профиль Tz21-34). Отбор произведен из наименее гумусированной части горизонта. Камеральная обработка материалов. На изученный ключевой участок на основе съемок с дрона составлен фотоплан, на который были наложены данные тахеометрической съемки в программе Surfer 19 (Golden Software, США). Для всех отобранных почвенных образцов проведено измерение окраски бесконтактным спектрофотометром X-Rite VS450 (США). Значения фиксировались в системе CIE-L*a*b* [51]. Из микромонолита изготовлен просвечивающий петрографический шлиф. Изучение микротекстур выполнено на поляризационном микроскопе Olympus-BX53MTRF (Япония). Морфометрические параметры почвенных профилей получены путем экспертного анализа цифровых фотографий с использованием программы ImageJ. Названия почвам дано на основе полевых описаний и анализа цифровых фотографий с использованием Классификации и диагностики почв России 2004 г. [52] с дополнениями 2008 г. [53]. Дополнительно даны названия по Международной классификации почв WRB 2014 с дополнениями 2015 г. [54]. Для статистического анализа определены значения следующих морфологических показателей почв: ALT - глубина залегания многолетней мерзлоты (см); hor.A - мощность горизонта AYao (см); Thixotropy - показатель тиксотропности (%); hor.O - мощность органогенного горизонта (см); S(hor.G ) - площадь глеевых пятен в диапазоне 0-40 см от минеральной поверхности (%);Gcf - глубина верхней границы горизонта от минеральной поверхности почвы (см); Root - предельная глубина множественного проникновения корней толщиной более 1-2 мм (см); CharC - количество макроуглей размером более 1 мм (шт.) в диапазоне 0-40 см от минеральной поверхности почвы; M1(L*), M1(a*), M1(b*) - яркость, количество красного и желтого пигментов в первом горизонте от минеральной поверхности почвы соответственно; M2(L*), M2(a*), M2(b*) - те же показатели, что и выше, но во втором от минеральной поверхности почвы горизонте. Для оценки влияния факторов почвообразования на морфологические параметры оценены значения абсолютной высоты в метрах (Altitude), формы микрорельефа (параметр Microtop имеющий значения -1 для вогнутых склонов, 0 - прямых и 1 - выпуклых) и возраста кустарников на каждой точке (AgeShrubs, лет). Из вышеперечисленных параметров авторами впервые предложен метод определения количественной меры тиксотропности почв - показатель тиксотропности. Он рассчитан, основываясь на предположении о том, что 13 Агрохимия и почвоведение / Agrochemistry & Soil science чем более текучее состояние у почвы, тем быстрее заплывет почвенный разрез при прочих равных условиях. Так как верхние горизонты скреплены корнями, то этот процесс начинается с оплывания самой нижней части стенки разреза. При этом происходит разрыв массы вышерасположенных горизонтов в виде «гармошки», что приводит к формированию серии горизонтально ориентированных трещин-разрывов. Чем сильнее тиксотроп-ность, тем больше трещин формируется в единицу времени. Исходя из этого показатель тиксотропности рассчитан путем отношения суммарной ширины трещин (ШТ) к ширине межтрещинной почвенной массы (ШПМ) в слое 0-40 см от минеральной поверхности почвы Thixotropy (%) = ШТ/ШПМ*100. Расчет базовых статистических показателей выполнен в программе Microsoft Excel 2016, модель взаимосвязи ландшафтных и почвенных параметров получена методом главных компонент с использованием программы Statisticа 12 (StatSoft, USA). Для графической визуализации этой модели использована программа Grapher 17 (Golden Software, США). Результаты исследования Экосистемы разных сукцессионных стадий ключевого участка. Растительность тундрового участка (разрезы с Tz21-1 по Tz21-8) представлена кустарничково-мохово-лишайниковыми сообществам (рис. 2, 3). Кустарниковый ярус редкий. На пятнах-медальонах встречаются отдельные кусты ольхи (Duschekia fruticosa) (проективное покрытие (ПП) менее 1%) высотой (В) до 1,5-2 м. ПП карликовой березки (Betula nana) - 3%, В - 20 см. В травяно-кустарничковом ярусе преобладает Ledum palustre (ПП - 15%, В - 20 см), в небольшом обилии присутствуют другие кустарнички (Vaccinium uliginosum, Vaccinium vitis-idaea, Empetrum nigrum) и травы (Rubus chamaemorus, Carex globularis). ПП мохово-лишайникового покрова составляет 90%, основу его образуют лишайники - Cladonia rangiferina (50%) с примесью Cladonia alpina и Cetraria sp. Среди мхов преобладает Sphagnum sp. Средняя глубина залегания мерзлоты слабо варьирует, составляя 65 см (см. рис. 3). Экотон тундры и ольховника (разрезы с Tz21-9 по Tz21-16) расположен на 0,3-0,4 м ниже по рельефу (см. рис. 2, 3) и представляет собой начальную сукцессионную стадию в ряду зарастания тундры. Фоновая парцелла представлена закустаренной ерником (карликовая береза) кустарничково-зеленомошно-лишайниковой тундрой (см. рис. 3). Произрастают те же виды, что и на тундровом участке, но в другом количественном соотношении. Высота кустов ольхи 1,5-2,5 м, растут они на расстоянии 2-3 м друг от друга. ПП ерника - 25%, В - 45 см. Тундровые кустарнички также немного выше (багульник - 26 см, голубика - 20 см). ПП мохово-лишайникового покрова ниже - 60%. Основу его составляют лишайники с доминированием Cladonia rangiferina. Среди мхов преобла- 14 Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Истигечев Г.И. и др. Трансформация морфологических свойств дает лесной вид Pleurozium schreberi, а сфагнума почти нет. Средняя глубина залегания мерзлоты - 114 см, минимальная - 77 см, а максимальная составляет 156 см (см. рис. 3). Рис. 2. Изолинии высот и точки заложения почвенных разрезов, наложенные на фотоплан местности [Fig. 2. Elevation contours and codes of soil profiles on the photomap of the Tazovsky site] Ольховник охарактеризован точками с Tz21-17 по Tz21-34-ю (см. рис. 2, 3). Кустарниковый ярус хорошо развит и представлен куртинами ольхи (ПП 20%), перемежающимися с куртинами карликовой березки (2025%). Высота кустов ольхи от 2-2,5 до 3-4 м, березки - от 80 до 120 см. Травяно-кустарничковый ярус хорошо развит (ПП 65%) и представлен участками с преобладанием Carex globularis (35%) и участками с преобладанием Calamagrostis lapponica (20%), меньше по площади участки с преобладанием Rubus arcticus (3%). Участие кустарничков низкое (4%), наиболее обилен Vaccinium uliginosum. Моховой ярус представлен редкими 15 Агрохимия и почвоведение /Agrochemistry & Soil science дернинами гипновых мхов (Pleurozium schreberi). В ольховнике выделяются две сукцессионные стадии, это периферия ольховника, представленная более молодыми, рослыми, сомкнутыми кустами высотой 3-4 м (точки с Tz21-17 по Tz21-24 и Tz21-34), и центральная зоны ольховника (точки с Tz21-25 по Tz21-32 и Tz21-33) с меньшей высотой кустов ольхи (2-3 м), что связано с полеганием стволов. В центральной зоне формируются луговины, состоящие из двух вариантов парцелл - с преобладанием осоки либо вейника. На периферии ольховника средняя глубина кровли мерзлоты составляет 284 см, в центральной зоне - 348 см. Самое глубокое залегание мерзлоты в 430 см обнаружено в точке Tz21-25. Из рис. 3 видно, что профиль мерзлоты образует «чашу», из-за чего глубже 2 м формируется надмерзлотная верховодка, а отложения приобретают однородную ярко-сизую окраску. I Тундра © [Tundra] Экотон тундры и ольховника [Ecoton of tundra and alder s.] HI Периферия ольховника IV Центр ольховника [Alder shrubs periphery] [Alder shrubs center] Рис. 3. Высоты поверхности почвы и многолетней мерзлоты на профилях через точки заложения почвенных профилей на ключевом участке «Тазовский». Римскими цифрами обозначены сукцессионные стадии, арабскими - номера почвенных профилей [Fig. 3. Altitude of the soil surface and permafrost on profiles through the sites of soil profiles at the Tazovsky site. Roman numerals denote succession stages, Arabic numerals denote soil profile codes] Морфологические параметры почв разных сукцессионных стадий. В изученных глееземах тундры глеевый горизонт представлен чаще в виде отдельных морфонов, реже имеет сплошное залегание. Сухая масса горизонта G имеет средний цвет по шкале Манселла - 1.3Y 5.9/3.3, тогда как 16 Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Истигечев Г.И. и др. Трансформация морфологических свойств для глеевого горизонта необходимо значение 2.5Y 5-6/

Скачать электронную версию публикации