Spatial heterogeneity of soil properties in the zone of sporadic distribution of permafrost (Subpolar Urals).pdf Введение Пространственное варьирование морфологических, физико-химических и физических свойств почв определяется различными природными факто- Пространственная неоднородность свойств почв 33 рами, изучение которых может привести к более глубокому понимаю почвы как природного тела и процесса почвообразования в целом. Структура почвенного покрова (СПП) той или иной территории характеризуется специфическими особенностями, и без ее изучения исследования не могут быть полноценными [1, 2]. Современному изучению различных аспектов почвенного покрова северных регионов, в том числе горных территорий, уделяется огромное внимание [3-6]. Территория Приполярного Урала относится к южному пределу распространения криолитозоны на европейском северо-востоке России, для которого характерна островная и редкоостровная мерзлота [7]. Влияние криогенных процессов проявляется в виде формирования льдистой мерзлоты, специфической структурной организации почвенных горизонтов, образования или разрушения почвенной структуры [8]. Структура почвенного покрова района исследования характеризуется значительной пестротой, обусловленной сочетанием контрастных экологических условий и широким рядом факторов: мозаичностью растительного покрова, характером почвообразующих пород и рельефа (крутизна и экспозиция склонов), наличием высотных растительных поясов и влияния криогенеза [9, 10]. Важность изучения горных экосистем подчеркивается их значимостью в поддержании биосферных функций и сохранении глобального биоразнообразия [11]. Отмечается важная роль почвенного покрова в формировании разнообразия наземных экосистем [12]. Исследования пространственного варьирования свойств почв позволят получить более достоверную информацию об особенностях почвенного покрова Приполярного Урала. В связи с этим цель данного исследования - изучение пространственной неоднородности свойств почв Приполярного Урала. Материалы и методики исследования Исследования проведены на территории национального парка «Югыд ва» (рис. 1). Согласно почвенно-географическому районированию территория исследования относится к округу Приполярного Урала горно-тундровых и горно-лесных глееподзолистых потёчно-гумусовых почв [13]. Почвообразующими породами служат элювий и элюво-делювий, которые представлены преимущественно метаморфическими сланцами и кварцито-песчаниками [14, 15]. Характерной чертой склонов Приполярного Урала является формирование крупноглыбовых образований - курумов, солифлюк-ционных террас, что типично для склонов с ледниковыми и с элювиальными и делювиальными образованиями. Согласно [16] почвы региона относятся к очень холодному подтипу длительно сезоннопромерзающего типа. Климат Приполярного Урала резко континентальный, суровый, с длительной морозной зимой и коротким прохладным летом. Среднегодовая температура воздуха равна -3,2°С, абсолютная минимальная температура -55°С (январь) 34 В.В. Старцев, Ю.А. Дубровский, Е.В. Жангуров, А.А. Дымов и максимальная +30°С (июль) [17]. По проведенным ранее исследованиям [18] среднегодовая температура воздуха на высотах от 400 до 610 м изменялась от -1,5 до -2,2°С, а появление устойчивых отрицательных температур воздуха происходит во второй половине октября. Глубина деятельного (сезонно-талого) слоя почв на период исследований (с 24 июля по 04 августа 2013 г.) составляла от 0,4 до 1 м. Республика Коми J 1 - Национальный парк «Югыд ва» [Yugyd Va National Parl Рис. 1. Расположение объектов исследования. Обозначения: ТР-1 - траншея в горно-лесном поясе; ТР-2 - траншея в горно-тундровом поясе (фрагмент туристской карты масштаба 1:200 000, Приполярный Урал, национальный парк «Югыд ва») [Fig. 1. Location of research objects. Designations: TP-1 - Trench in the mountain-forest belt, TP-2 - Trench in the alpine tundra belt] Для определения неоднородности морфологических и физико-химических свойств мерзлотных почв использовали траншейный метод. Данный метод позволяет выявить особенности изменения свойств почв в пределах нескольких метров [19]. Траншея горно-лесного пояса (рис. 2, А) заложена в ельнике ерниково-зеленомошном на высоте 430 м над ур. м., длина траншеи составляет 3,8 м. Координаты расположения: 65°08'12.5''N, 60°51'24.0''E. Траншея горно-тундрового пояса (рис. 2, В) заложена перпендикулярно пологому склону северо-западной экспозиции хребта Росомаха (высота 961 м над ур. м.) протяженностью 4,1 м. Координаты расположения: 65°02'06.3''N, 60°35'19.2''E. Для тундр и лесов северных регионов характерна мозаичность растительного покрова, обусловленная быстрой сменой в пространстве экологических условий, протекающими в почве криогенными процессами, микрорельефом, пестротой микроклиматических условий [20]. Кроме этого, при закладке траншей выполнены многочисленные прикопки для определения типа элементарного почвенного ареала (ЭПА) исследуемой территории. Растительный покров описан с использованием стандартных геоботанических методов [21]. Траншеи разделены на три сегмента по смене доминан- Пространственная неоднородность свойств почв 35 тов в напочвенном растительном покрове. Основная роль отведена описанию таких характеристик, как состав, общее проективное покрытие (ОПП) травяно-кустарничкового и мохово-лишайникового ярусов и проективное покрытие отдельных сегментов. В травяно-кустарничковом покрове описана вертикальная и горизонтальная структура, учитывали видовой состав и ОПП. Проективное покрытие каждого вида оценивали в составе яруса непосредственно на всей пробной площади. При описании напочвенного покрова регистрировали видовой состав, ОПП и степень господства видов. Сегменты траншей описывали отдельно. Параметры, характеризующие сообщество в целом, например сомкнутость крон и т.п., на этом этапе не учитывали. Рис. 2. Схемы исследованных траншей: А - траншея горно-лесного пояса; B - траншея горно-тундрового пояса. I, II, III - номера сегментов. 1 - подстилание многолетнемерзлыми породами, 2 - грунтовый лед, 3 - обломки горных пород [Fig. 2. Schemes of the investigated trenches. A - Trench of the mountain forest belt, B - Trench of the alpine tundra belt. I, II, III - Segment numbers. 1 - Permafrost, 2 - Ground ice, 3 - Fragments of rocks] Почвенные образцы для химического анализа отобраны по горизонтам. Диагностику и классификационное положение почв осуществляли согласно 36 В.В. Старцев, Ю.А. Дубровский, Е.В. Жангуров, А.А. Дымов «Полевому определителю почв России» [22] и международной классификации почв WRB [23]. Для исследованных почв определяли основные физико-химические параметры: кислотность, валовое содержание углерода, азота, обменные формы кальция и магния, содержание железа и алюминия [24]. Содержание углерода и азота определяли на элементном анализаторе ЕА-1110 (Carlo Erba, Италия) в ЦКП «Хроматография» Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН [25]. Определение рН - потенциометрически со стеклянным электродом (Аквилон И-500, Россия) с соотношением почва:раствор (для органогенных горизонтов - 1:25, для минеральных -1:2,5). Гранулометрический состав определяли по методу Качинского [26]. Содержание оксалаторастворимых форм железа и алюминия, растворимых в кислом растворе оксалата аммония, диагностировали методом атомно-эмиссионной спектрометрии. Для извлечения из почвы дитиониторастворимых форм соединений железа вне зависимости от степени окристаллизованно-сти использовали метод Мера-Джексона, критерий Швертмана рассчитывали по формуле (Кш=Feoχ/Fedith) [27]. Результаты исследования и обсуждение Морфологические свойства исследуемых почв Горно-лесной пояс (рис. 3, А) Кочковатый микрорельеф в горно-лесном поясе характеризует появление спорадически-пятнистых ЭПА, обусловленных специфическими процессами биологической природы - предельно структурными элементами (ПСЭ) [28]. К таким элементам можно отнести приствольные повышения, межкроновые западины и моховые кочки, которые определяют различия в напочвенном покрове. В траншее горно-лесного пояса по сегментам наблюдается смена доминантов мохово-лишайникового яруса. В первом сегменте, расположенном в приствольном пространстве, доминируют сфагновые мхи. Во втором сегменте доминантами являются политриховые мхи, в третьем - зеленые мхи. Известно, что такие изменения в составе напочвенного покрова свидетельствуют о снижении степени увлажнения почв [29]. Таким образом, напочвенный покров и морфологическое строение почв в пределах отдельных сегментов имеют ряд отличий. I сегмент - сфагновый Кустарники: Сомкнутость 0,1-0,2. Betula nana L. высотой до 0,6 м. Травяно-кустарничковый ярус: ОПП 20-30%. Доминирует Carex vaginata Tausch. До 20% приходится на Vaccinium vitis-idaea L., 5-10% - Rubus chamaemorus L. Мохово-лишайниковый ярус: ОПП 95%. Доминант (более 80%) - Sphagnum girgensohnii Russow. 10-20% приходится на Polytrichum commun Hedw. Под представленной растительностью формируется торфяно-пере-гнойно-криометаморфическая почва (Histic Cambi-Turbic Cryosol (Hu- Пространственная неоднородность свойств почв 37 mic)) (рис. 3, А-I). Строение профиля: T (0-20 см) - H (20-30 см) - CRM (30-80 см) - CRMg (80-120 см). Характерной особенностью криометамор-фической почвы является рассыпчатая пластинчато-плитчатая структура горпизонта CRM, форемирующаяся под влиянием сезонных процессов про-і^іерзания/оттаивания 13301. В профіале почвы вст'речаеч'ся се^сонная м^ерзлота і^еслив^і^^егося 'типа, ко'горая образуется в мест'ах міакзоіі.іеіи^я сс^ега зимний период и хорошего дренажді в летний . Кроме этого, следует подчеркнать ^ерояті^ое влияніаіе ели, на пр)истволыко)м возвышении кото)роі^ сфо)рмирова-лись маховая подушка и перегнойный горизонт H. ]р*ис. 3. Растителі>ность и почівы исследованіньїх транишеїі: сТ - траншеия горно-лесного пояса; B - траншея горно-тундрово)го пояса. I, II, III - номера сегментов. Аівтор фото А.А. Дымов [Fig. 3. The vegetation and soil of the investigated trenches. A - Trench of the mountain forest belt, B - Trench oH the alpine tundra belt. I, II, III - Segment numbers. Photos by AA Dymov] II сеі^мені' - долгомошный Кустарваики: Сомкнуто ct% 0p2-0,3 т B. папа высот^ й ,^io OJ . Травяедо-ку^старничковый ярус: ОП30%. Т"ри вида. Доминирует C. vage-nata. Д,о 1(0%GCf cham ах moor ин. Еді^нікч нто C vitis-idaea. Мохово-лишайниковый ярутс: ОПП 90%. Три вида. Доминант (более 70%o) - P commune. До 2^5θ∕o Pleurozium schreberi (Brid.) P^itt Доля S. gir-gensohnii не превышает 2-3%. Почва представл^наї торфяно-криозёмом глеевым криогенно-ожелезнён-ным (IHstic Cryosol (Turbic, Reguctaquic)) (рис. ^3А-П). Строение профиля: T (0-15 см) - CR (15-50 см) - CRg (425-80 см) - Gcf (20-120 см). Глеевый 38 В.В. Старцев, Ю.А. Дубровский, Е.В. Жангуров, А.А. Дымов горизонт Gcf имеет вихреобразный рисунок, что является отличительной чертой почв криогенного отдела. Признаком криогенного влияния для почв гумидных областей является миграция закисных форм оксида железа к фронтам промерзания. Профиль торфяно-криозёма содержит охристые микрогоризонты, где оксиды железа пропитывают структурные агрегаты, также концентрируясь в мелкие конкреции или ржавые пятна, что дает основание для выделения криогенно-ожелезнённого подтипа [31]. III сегмент - зеленомошно-долгомошный Кустарники: Сомкнутость 0,1-0,2. B. nana высотой до 0,6 м. Травяно-кустарничковый ярус: ОПП 30%. Согосподствуют два вида: C. vaginata и V. vitis-idaea. Мохово-лишайниковый ярус: ОПП 90%. Согосподствуют два вида: P. commune и P. schreberi. Почва сегмента III - торфяно-криозём криогенно-ожелезнённый (Histic Cryosol) (рис. 3, Л-Ш). Строение профиля: T (0-14 см) - CR (14-40 см) -CRcf (40-120 см). Однако в профиле отсутствуют криогенный вихревой рисунок и признаки оглеения. Нижележащий горизонт CRcf характеризуется отсутствием ярко выраженной структуры, большим количеством горизонтальных прослоек грунтового льда (линзы льда) и трубчатых железистых конкреционных новообразований. Предельные структурные элементы играют важную роль в формировании СПП. Высокая гетерогенность напочвенного покрова обусловливает специфичность формирования различных почвенных комбинаций [1]. Таким образом, показано, что в пределах нескольких метров почвы, формирующиеся под различными ПСЭ элементарного почвенного ареала, могут быть тесно связаны между собой, но и иметь хорошо диагностируемые генетические отличия. Для горно-лесного пояса Приполярного Урала нами впервые был выделен тип криоземов криогенно-ожелезненных. Ранее тип криоземов был отмечен только для горно-тундрового пояса [32]. Однако схожие криоземы встречаются в горных лесах Хэнтэйского нагорья в Монголии [33], в структуре почвенного покрова горных экосистем Красноярского края 9% от всей площади почв составляют криоземы с комбинациями палеокриоземов [34]. Горно-тундровый пояс (рис. 3, В) В горно-тундровом поясе формируются регулярно-циклические ЭПА. Они характеризуются «пятнами» почв, обусловленных периодическим пучением и растрескиванием почвенной толщи в результате замерзания и оттаивания, что характерно для мерзлотных почв Приполярного Урала. Профиль траншеи горно-тундрового пояса содержит большое количество обломков горных пород, составляющих примерно 50-70% от объема. Важной характеристикой микрорельефа является расположение траншеи перпендикулярно куруму, располагающемуся в 15 м, что обусловливает проявление такого явления, как криогенная десерпция. Многолетнемерзлые породы в траншее появляются на глубине 40-60 см. Согласно многочисленным прикопкам ме- Пространственная неоднородность свойств почв 39 зоструктуру почвенного покрова можно определить как сочетания-мозаики [3]. Почвы горно-тундрового пояса характеризуются хорошо выраженным иллювиально-гумусовым горизонтом и представлены несколькими подтипами подбуров. I сегмент - зеленомошный Кустарники: Сомкнутость 0,3. Число видов - три. Преобладает B. nana. Единично Salix glauca L. и S. recurvigemmis A.K. Skvortsov. Травяно-кустарничковый ярус: ОПП 10%. Доминант (более 90% ОПП) -C. arctisibirica (Jurtzev) Czerep., единично Hierochloe alpina (Sw.) Roem. & Schult. и Pedicularis compacta Stephan. Мохово-лишайниковый ярус: ОПП 98%. Более 50% - Aulacomnium tur-gidum (Wahlenb.) Schwagr. P. schreberi - до 35%. Лишайники 5-7%: Cetraria islandica (L.) Ach., Cladonia arbuscula (Wallr.) Flot. Единично Dicranum sco-parium Hedw. Профиль подбура глеевого глинисто-иллювиированного мерзлотного (Stagnic Entic Podzol (Skeletic, Turbic, Reductaquic)) (рис. 3, β-I) в сегменте I характеризуется маломощной грубогумусированной подстилкой и подстиланием ММП с глубины 60 см (рис. 2, B). Строение: O (0-5 см) - BH (511 см) - G (11-30 см) - BCi (11(30)-40(45) см) - Ci^ (40(45)-60 см). Процесс оглеения наиболее контрастно проявляется в горизонте G, который характеризуется наибольшим количеством мелкозема в профиле почвы. На верхней поверхности обломков пород присутствуют глинистые пленки мощностью до 1-2 мм. Кровля ММП залегает на глубине 40 см и представляет собой высокольдистый слой с примесью мелкозема. Предположительно это разновидность гольцового подземного льда, который образует отдельные пласты до 3 м мощности, заполняет промежутки между обломками горных пород. Травяно-кустарничковый ярус: ОПП 10-15%. Доминант (более 90%) C. arctisibirica. До 5% приходится на Dryas octopetala L., единично отмечены Lagotis minor (Willd.) Standl. и V. vitis-idaea. Мохово-лишайниковый ярус: ОПП 98%. Более 80% приходится на P. schreberi. Проективное покрытие Aulacomium turgidum до 5%. Единично - C. arbuscula, Polytrichum juniperinum Hedw. и Stereocaulon paschale (L.) Hoffm. Во II сегменте формируется подбур иллювиально-гумусовый глееватый мерзлотный (Folic Cryosol (Skeletic, Humic)) (см. рис. 3, S-II). Строение: O (0-10(13) см) - BH (10(13)-20 см) - BFg^ (20-40(70) см). Отличительной чертой II сегмента является отсутствие обломков горных пород в профиле, которые вытеснены в стороны и «поставлены на ребро». Вероятно, это связано с криогенной десерпцией (приподыманием) обломков в результате образования льда в промежутках между ними, что является основным механизмом движения курумов. В нашем случае в сегменте II произошло вытеснение ММП к поверхности и рассортировка обломочного щебнистого материала в противоположные стороны от мерзлоты. 40 В.В. Старцев, Ю.А. Дубровский, Е.В. Жангуров, А.А. Дымов III сегмент - лишайниковый Кустарники: Сомкнутость 0,4-0,5. Содоминируют B. nana и S. glauca. Отмечена S. recurvigemis. Травяно-кустарничковый ярус: ОПП 10%. Доминант (более 90% ОПП) C. arctisibirica. 5% V. vitis-idaea, единично H. alpina и Bistorta vivipara. Мохово-лишайниковый ярус: ОПП 98%. Более 50% покрытия - C. island-ica. До 20% P. Sohreberi. Третий сегмент траншеи представлен подбуром глинисто-иллювииро-ванным (Stagnic Entic Podzol (Skeletic, Turbic)) (рис. 3, В-Ш). Строение: O (0-7 см) - BH (7-9(13) см) - BHF (9(13)-30 см) - BCi (30-70 см). С глубины 70 см почва характеризуется обильным подстиланием обломками горных пород, обусловливающим минимальное количество мелкозема и хороший почвенный дренаж, который, в свою очередь, препятствует застою влаги и образованию условия для процессов оглеения. Аналогично сегменту I c глубины 30 см на верхней поверхности горизонтальных граней обломков пород появляются глинистые пленки мощностью до 2 мм. Таким образом, в результате воздействия криогенеза в почвах горно-тундрового пояса происходящие изменения в выраженности морфологических почвенных признаков (наличие оглеения, образование криогенной структуры, ожелезнение) приводят к значительному разнообразию почв в пространстве. Почвенные комбинации траншей горно-лесного и горно-тундрового поясов, состоящие из трех почв в пределах одной траншеи, сложно включить в рамки существующих норм при почвенном картировании, в которых рассматриваются преобладающие ЭПА [35], особенно для почв труднодоступных горных территорий [36]. Свойства исследуемых почв Анализ гранулометрического состава (таблица) исследованных почв горно-лесного пояса показал, что почвы характеризуются высоким содержанием фракции физической глины. Согласно классификации Качинского [25], по суммарному содержанию частиц физической глины (

Скачать электронную версию публикации