Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1. История развития почвенной зоолэгии 7
1.2. Почвенно-зоологические исследования Центра Русской равнины 18
2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 36
2.1. Усманский бор 36
2.1.1 Географическое положение и общие сведения 36
2.1.2. Климат Усманского бора 37
2.1.3. Рельеф, геология и почвообразующие породы Усманского бора 39
2.1.4. Растительность и животный мир Усманского бора 41
2.2. Каменная степь 44
2.2.1 Климат Каменной степи
2.2.2. Рельеф Каменной степи 47
2.2.3. Почвообразующие породы Каменной степи 48
2.2.4. Почвенный покров Каменной степи 49
2.2.5. Гидрология Каменной степи 50
2.2.6. Растительный и животный мир Каменной степи 51
3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 56
4. ПОЧВЫ РАЙОНОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 61
4.1. Почвы Усманского бора 61
4.1.1. Морфогенетическая характеристика почв Усманского бора „ 61
4.1.2. Химические, физико-химические и физические свойства почв Усманского бора 68
4.2 Почвы Каменной степи 73
4.2.1 Морфогенетическая характеристика почв Каменной степи 73
4.2.2. Химические, физико-химические и физические свойства почв Каменной степи 79
4.1.3 Сезонное колебание влажности в почвах Усманского бора и Каменной степи 86
5. ПОЧВЕННАЯ МЕЗОФАУНА РАЙОНОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 92
5.1. Почвенная мезофауна Усманского бора 91
5.2. Почвенная мезофауна Каменной степи 114
6. ЗАВИСИМОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЗОФАУНЫ ОТ СВОЙСТВ ПОЧВ 134
Выводы 145
Список опубликованных работ по теме диссертации 148
Список использованной литературы 150
Приложения 169
- Почвенно-зоологические исследования Центра Русской равнины
- Почвообразующие породы Каменной степи
- Химические, физико-химические и физические свойства почв Усманского бора
Введение к работе
Актуальность проблемы. Почва является одним из основных невозсб-новляемых природных ресурсов. Сохранение разнообразия почвенного гокрова и природных механизмов, поддерживающих естественное почвенное плодородие - задача глобального значения. Почва формируется под воздействием пяти факторов почвообразования, в том числе и биологического, неотъемлемой чі-стью которого является деятельность почвенных беспозвоночных. Во многих случаях внешнего воздействия отклонения в режимах, протекающих в почвах, настолько малы, что обнаружить их широко применяемыми методами анализа практически невозможно. Мезофауна адекватно реагирует на изменение экологической обстановки, что особенно важно в рамках экологического мониторинга, актуального в связи с возросшим антропогенным воздействием на почву. Беспозвоночные животные могут служить индикаторами различных почвенных таксонов, так как у многих из них обнаруживается специфичность к определенным режимам и свойствам почв. Для биоиндикационного метода особшно важны крупные почвенные беспозвоночные, легю учитываемые путем ручной разборки почвенных проб. Беспозвоночные животные не способны к значительному перемещению в почвенной толще, они хорошо реагируют на изменение экологической обстановки.
Цель и задачи исследования. Целью исследований было изучение видового состава и структуры населения мезофауны, особенностей ее пространственного и профильного распределения в различных типах почв лесных и стаї-ных биогеоценозов Воронежской области.
В соответствии с целью работы решали следующие задачи: 1) изучение морфогенетических, химических, физико-химических и физических свойств почв катен, заложенных в юго-западной части Усманского бора и на территории НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева (Каменная степь); 2) исследование качественного и количественного состава почвенной мезофауны, биотопического распределения, особенностей годовой и сезонной динамики беспозвоношых; 3)
5 изучение профильного распределения особей мезофауны по генетическим горизонтам почв; 4) установление взаимосвязи между определенными свойствами почв, составом и структурой населения беспозвоночных животных.
Научная новизна. Впервые для контрастно различных почвенных типш проведены комплексные исследования генетически сопряженных почв катен лесостепной и степной зон Воронежской области. Выявлены морфогенетше-ские особенности, химический состав, пространственная динамика свойств почв в зависимости от различных типов ландшафтов. Впервые для Каменной степи выявлено 20 видов мезофауны и уточнен ареал BHflaDendrobaena schmid-tti tellermanica Perel.; для Усманского бора впервые отмечено 11 видов Coleop-tera, 7 видов Lumbricidae. Выявлены закономерности годовой и сезонной динамики распределения количественного и качественного состава мезофауны по типам почв и почвенному профилю. Выделены группы мезофауны (Lumbricidae, Elateridae), которые могут использоваться в качестве биоиндикаторов типов почв. Впервые приводится сравнительный анализ фаунистического состава почв лесной и степной катен.
Теоретическое и практическое значение. На основе литературных данных и большого фактического материала, полученного с учетом особенностей жизнедеятельности почвенных беспозвоночных и основных показателей химь ческого состава и свойств почвы как среды их обитания, был предложен метод изучения почв с целью выявления отдельных таксономичесшх групп мезофауны и их совокупности как биоиндикаторов почвенных типов.
Полученные данные позволяют использовать группы почвенных беспозвоночных животных для целей индикации почвенных процессов, свойств почв, а также типов почв на территории, характеризующейся общностью проявления основных факторов почвообразования. Наличие или отсутствие, относительное и абсолютное количество беспозвоночных в почве может свидетеїьствовать о направленности процесса почвообразования, о степени его выраженности, как
во времени, так и в пространстве (профильное, территориальное распределение мезофауны).
Публикация и апробация результатов исследований. Результаты исследований были представлены на конференциях: Ш (XIII) Всероссийское совещание по почвенной зоологии (Йошкар-Ола, 2002); «Биология - наука XXI века» — 6-ая и 7-ая Пущинская школа-конференция молодых ученых (Пушино, 2002, 2003); IX и X международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов», МГУ (Москва, 2002, 2003); на Международной Школе «Человек и почва в XXI веке» в Научно-исследовательском институте Геохимии биосферы РГУ, Новороссийск (Новороссийск, 2003); на Всероссийской конференции «VII Докучаевские молодежные чтения» в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 2004); в Материалах II Международной научно-практической конференции в Астрахани (Астрахань, 2004).
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 15 тезисах и научных статьях.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, приложений и списка использованной литературы, который включает 204 названия, в том числе 18 иностранных авторов. Осноз-ной текст изложен на 151 странице, в него включены 23 таблицы и 52 рисунков. Общий объем рукописи 203 страницы.
Автор выражает глубокую благодарность зав, лаб. почвенной зоологии ИПЭЭ РАН им. А.Н. Северцова, д.б.н., профессору Б.Р. Стригановой (Москва) за неоценимую поддержку и помощь при работе над диссертацией; всему колективу кафедры почвоведения и агрохимии ВГУ за ценные советы и помопь при проведении полевых и лабораторных исследований.
Почвенно-зоологические исследования Центра Русской равнины
Усманский бор характеризуется сложными экологическими условиями почвообразования, что обусловлено неоднородностью рельефа, геологического строения, гидрологии и разновозрастностью террас, на которых он произраса-ет. На территории Усманского бора доминируют ландшафтные участки поіменного, надпойменно-террасового и водораздельно-зандрового типов местности, с присущими им закономерными сочетаниями почв (Ахтырцев, 1992)
В почвенном покрове нашей страны значительное место занимают пойменные почвы, развивающиеся в речных долинах. Долина реки представляет собой относительно узкую и более или мшее извилистую и пониженную полосу, дно которой имеет общий наклон от одного конца к другому. Дожна реки ограничивается с противоположных сторон коренными берегами, сложенными из осадочных пород самого различного происхождения. Та часть речной долины, которая периодически заливается на более или менее длительное время голыми водами реки, называется поймой (Горкуша, 1958) В.В. Докучаев (1951), изучая способы образования речных долин, впервые обратил внимание на пш-менные почвы как на наносные, состоящие ш речного аллювия вперемешку с болотными отложениями и песками. Относя пойменные почвы к классу «анормальных» Докучаев считал, что процесс почвообразошния в поймах не имеет прямой связи с зональными особенностями бассейна рек.
Впервые в подклассе аллювиальных почв тип пойменных почв был выделен Н.М. Сибирцевым (1951) Он отграничил основные отличительные признаки аллювиальных почв от зональных, но также считал пойменные почвы «азональными», Б.Б. Полынов (1956), изучая пойменные луга рек Днепра и Десны, обратил внимание на особенности условий почвообразования в речных долинах и делил их на три группы. К первой группе он отнес специфичность материнских почвообразующих пород современного аллювиального наноса. Ко второй - периодическое изменение гидрологических условий почвообразования, связанное с половодьями. И к третьей - постоянное изменение условий почвообразования, связанное с деятельность речной системы или ее частью. Специфика процесса почвообразования на пойме приводит к тому, что почвы пойм даже вышедшие из-под косвенного_влияния половодий и подвергнутые процессу зонального почвообразования, сохраняют черты аллювиального происхождения.
Р.А, Еленевский (1930) разработал классификацию пойм на морфологической основе, в основу которой были положены рельеф, сложение и генезис поймы, отражающие специфические особенности аллювиального процесса. Несколько ранее В.Р. Вильяме (1922) разработал наиболее полную схему геоморфологии пойм. Им выделены: 1) область притеррасной поймы, 2) центральная пойма, 3) прирусловая пойма, 4) область наибольшего скопления песков пеймы, 5) область притеррасных бугристых песков. Он установил в поймах три почвенных типа: а) почвы прирусловой поймы- слоистые, легкого механического состава - песчаные и супесчаные; б) почвы центральной пэЙмы - зернистые, суглинистого механического состава; в) почвы притеррасной поймы- болотные и заболоченные тяжелого механического состава— глинистые и иловатые.
Г.В. Добровольский (1968) указывает на то, что в разных генетических областях поймы по-разному складывается специфика почвообразования. В них различны соотношения биологического и геологического круговорота веществ; различно сочетание и направление элементарных почвенных процессов, рз-личные условия водно-воздушного режима и другие свойства почв. Им выделены в поймах рек три процесса почвообразования: дерновый, луговый и болотный.
Б.П. Ахтырцев (1975) выделяет поименно-лесные и поименно-луговые почвы. Б.П. Ахтырцев и Л.А. Яблонских (1993) разделяют группу поймено-луговых почв на типы: аллювиальные дерновые насыщенные почвы; собственно аллювиальные луговые насыщенные почвы и аллювиальные лугово-болотные почвы. Дерновые насыщенные почвы развиваются вблизи действующих русел рек при кратковременном затоплении паводковыми водами. Грунтовые воды не влияют на почвообразование. Здесь, при высокой скорости течения паводковых вод откладывается преимущественно песчаный и супесчі-ный материал. Ход почвообразования ежегодно прерывается современными отложениями аллювия. Профиль дерновых насыщенных почв не дифференцирован на генетические горизонты и представлен мощной толщей белесовато-желтого песка, местами испещренной светло-серыми прослойками. Присутствует лишь слабоуплотненный горизонт А светло-серого цвета. Песчаные слои на 90 — 97% состоят из оксида кремния. Почвы малогумусные, плохо обеспечены доступными формами элементов питания. Собственно аллювиальные луговые насыщенные почвы формируются в центральной части поймы при слабой выраженности аллювиального процаха, неглубоким (до 2 м) залегании грунтовых вод. Водный режим этих почв обусловлен постоянным грунтово-паводковым увлажнением. Почвы имеют выпот-ной, периодически промывной тип водного режима. Близость к дневной го-верхности грунтовых вод вызывает оглеение почвообразующей породы и ник-них горизонтов почв. Этот процесс затухает вверх по профилю, вплоть до псиного исчезновения в верхних горизонтах.
Почвообразование протекает интенсивно под луговой растительностью, что приводит к отчетливой дифференциации на генетические горизонты профіля собственно аллювиальных луговых насыщенных почв. Аллювиальные луговые насыщенные почвы имеют суглинистый состав, водопрочную зернистую структуру или комковато-зернистую структуру в горизонте А. Почвы содержат достаточно много гумуса, глинистых частиц и обменного кальция, хорошо обеспечены доступными элементами питания.
Большинство почв надпойменно-террасового и водораздельно-зандрового типа местности Усманского бора образовались и залегают на мэномиктовых песках, в котором 95 - 98% отведена пассивному кварцу. Основоположники генетического почвоведения Н.М. Сибирцев и В.В. Докучаев (1891) обратили внимание на то, что в местах выхода на поверхность кварцевых песков, в зоне черноземов, единый ареал распространения черноземов прерывается, уступая место образованиям, которые Н,М, Сибирцев (1951), в своей классификации, отнес к «грубым, близким по составу к породе, вследствие трудности изменяемости последней» и азональным. Г.Н. Высоцкий отмечал однотипность песчаных почв. Их однотипность на большом протяжении объясняется особенносж-ми их водного и теплового режимов. Песчаные почвы относятся к более сухим и теплым в северных районах (лесная зона) и к более влажным в южных (статная зона). Границей между этими двумя группами песчаных почв С.С. Соболев (1939) считал северную лесостепь, южную границу лесной зоны.
Почвообразующие породы Каменной степи
Основными почвообразуюгцими породами на водораздельном плато Ш-менной степи являются покровные суглинки и валунные ледниковые глины. Покровные суглинки характеризуются очень хорошей сортированностью мах-риала, однородностью, преобладанием крупнспылеватой фракции, а в составе минералов - кварца и полевых шпатов. Окраска покровных суглинков обычно палевая, желто-палевая, буровато-палевая. Очень часто они обладают крупной или тонкой слоистостью, своеобразной плитчатой структурой, тонкой пористостью. По гранулометрическому составу это в большинстве случаев пылеватые суглинки и пылеватые супеси. По валовому составу покровные суглинки соотносимы с кислыми ультракилыми породами— они содержат высокие количества кремнезема. В составе обменных оснований преобладает кальций (Мильков, Нестеров, Петров, Скачков, 1992).
Почвообразующими породами являются чаще всего четвертичные покрсв-ные суглинки. Мощность покровных отлоясений в Каменной степи достигает 10,5м. Они начинаются с глубины 1м. Ниже покровных суглинюв залегают валунные отложения, которые начинаются неравномерно песчаными глинами зв-леновато-серого цвета. В средней своей части глины приобретают красно-бурый цвет от присутствия кирпичнськрасных неогеновых глин. Их общая мощность 9 м. Между неогеновыми глинами и мелом лежит слой третичных глин мощностью до 45 м. Он сохранился на приводораздельных частях релве-фа. Этот слой представлен зеленоватыми опоковидными глинами, приуроченными к верхним частям, и песками, переслаивающимися прослойками песчаш-ка. По гранулометрическому составу почвообразующие породы именной степи являются тяжелосуглинистыми и глинистыми, реже среднесуглинисты-ми. Содержание частиц 0,01мм от 38 до 61%, значительный процент гадает не крупнопылеватую фракцию (0,05 - 0,01мм), что указывает на лессовидный характер почвообразующих пород этого рагона (Ежов, 1952). В достаточной степени они обогащены также и углекислыми солями. Засоленность почвообразующих пород Каменной степи незначительна.
В результате взаимодействия факторов почвообразования на территории Каменной степи сформировался определенный почвенный покров, о стоянии которого в настоящее время можно судить по данным почвенных изысканий, проведенных сотрудниками ЦЧО гипрозема и В ГУ в 1983 году, и агрохимических обследований, систематически осуществляемых проектноизыскательски-ми станциями химизации растений (Картапочвенного ..., 1983)
Из этих данных следует, что северная часть территории Каменной СЕПИ представлена в основном лугово-черноземньши почвами среднемощными среднегумусными тяжелосуглинистого и легкоглинистого гранулометрического состава.
Юго-восток территории в районе балки Хорольской представлен черноземом обыкновенным среднемощным среднегумусным легкоглинистого гранулометрического состава. На склонах восточной и юго-восточной экспозиции выделены черноземы обыкновенные слабосмытые карбонатные. Возвышенные участки южной части территории занимает чернозем типичный среднемощныи среднегумусный тяжелосуглинистый. В средней части территории выделены лугово-черноземные почвы с уровнем грунтовых вод 3 - 5 м. Гидроморфизм почв начал проявляться здесь более заметно с конца 50-х годов, когда относительно стабильно наметился подъем уровня грунтовых вод. Пол верховьям го-щин отмечены черноземно-луговые и черноземно-влажно-луговые почвы с уровнем грунтовых вод менее 3 м. В виде вкраплений в основные почвы встречается также чернозем выщелоченный.
В гранулометрическом отношении почвы Каменной степи делятся на ла -коглинистые - 4555 га, тяжелосуглинистые- 1379 га, среднесуглинистые - 16 га. Преобладающими являются среднегумусные черноземы (69%) — 5648 га. Малогумусные почвы (4-6%) занимают 51 га и тучные ( 9%)- 19 га. По реакции среды почвы Каменной степи преимущественно нейтральные. Незначительное распространение получили слабокислые почвы (рН 5Д - 5,5) — 125 га и близкие к нейтральным (рН 5,6 - 6,0) - 236 га. Площади этих почв существенно колеблются во времени.
Солонцеватые черноземы занимают 323 га, из них слабосолонцеватые -194 га, среднесолонцеватые 127 га и сильносолонцеватые- 2 га. Комплексы луговых содово-сульфатных солонцов выделяют на площади 19 га, в том числе на 8 га пашни. Кроме того, отмечено наличие 762 га слабосмытых и 176 га среднесмытых почв, а также 325 га слабозаболоченных почв (Каменная степь ...,1992).
Таким образом, основную часть территории Каменной степи занимают черноземы типичные, обыкновенные, а также лугово-черноземные почвы. Преобладающими в гранулометрическом отношении являются легкоглинистые почвы, по содержанию гумуса— среднегумусные.
Химические, физико-химические и физические свойства почв Усманского бора
Ландшафт и растительные ассоциации Усманского бора довольно разнообразны. Среди них поймы, террасы, водораздельно-зандровые пространства, западины с покрывающими их различными типами растительности. Здесь формируются множества сочетаний почв под воздействием сложных экологических условий. Одним из важных является широкий диапазон гидротермических условий. Развитие почвенного и растительного покрова во многом определяется условиями рельефа, мощностью песчаного плаща, глубиной залегания водоупорных прослоек глин и суглинков и связанных сними верховодки. В котловинах и других понижениях мощность песчаного плаща мала и неглубоко залегают породы водоупора. В них получает развитие гидроморфное почвообра-вание, ведущее к формированию контактного осветленного горизонта почв на переходе легких пород в тяжелые. На буграх, валах и других повышениях модность песка измеряется многими метрами, застой воды в его толще отсутствует и формируется автоморфный тип ландшафта с дерново-лесными почвами без осветленного горизонта (Ахтырцев, 1992). В лесных катенах бора, согласно Б.П. Ахтырцеву (1992), прослеживается смена почв от вершин песчаных валов к их подножьям и западинам в следующем порядке: дерноволесные обычные, дерново-лесные глеевато-элювиальные, дерново-лесные глеево-элювиальные, дерново-лесные глеево-элювиальные оторфованные почвы.
Для характеристики почв правобережья реки Усманка была заложена ка-тена, представленная 4 разрезами (рис, 3.2). Разрез №1 расположен в зоне центральной поймы. Разрезы 2,3,4 размещены соответственно: в средней части склона надпойменной террасы (разрез 2) под сосновой растительной ассоциацией; в нижней части склона при переходе в понижение (разрез 3) под формацией березы; на плоской вершине песчаного вала (разрез 4) поросшей судубра-вой с разнотравно-растительной микрогруппировкой.
Почвообразующие породы поймы представлены песчаным и супесчшым аллювием. Террасы сложены песчаными плащами различной мощности.
В результате почвенного обследования было выделено четыре разности почв:
1) аллювиальная луговая насыщенная среднесуглинистая (разрез 1);
2) дерново-лесная глеевато-элювиальная супесчаная (разрез 2);
3) дерново-лесная глеево-элювиальная песчаная (разрез 3);
4) дерново-лесная песчаная (разрез 4).
Горизонт А ( см) - свежий, темно-серый, среднесуглинистый мелкокомковато-зернистый, уплотнен, тонкопористый, обильно пронизан корнями, ходы червей, переход постепенный. Горизонт АВ ( ——см) - увлажен, темно-серый с грязно-бурыми пятнами, легкосуглинистый, зернисто-комковатый, плотнее предыдущего, тонко пористый, корни, переход заметный по цвету.
Горизонт Bg ( см) - увлажнен, серый с сизоватым оттенком и обильными грязно-буро-ржавыми пятнами, легкосуглинистый, мелкокомковато-зернистый, тонкопористый, плотный, единичные корни, затеки гумуса, переход заметный по цвету.
Горизонт G ( см) - влажный, грязно-сизо-буроватый, легкосугли нистый, призмовидный, уплотнен, тонкопористый, затеки гумуса в виде тем ных пятен (d 0,5 см), железистые конкреции, переход заметный по цвету и плотности.
Горизонт GC (— см) — сырой, неоднородно прокрашен буровато ржавый с сизыми пятнами, супесь, бесструктурный, рыхлый, многочисленные железистые конкреции, переход постепенный.
Горизонт Cg (глубже 83 см)- мокрый, неоднородно прокрашенный ржаво-бурый песок, железистые конкреции (d до 5 см).
Уровень грунтовых вод с глубины 116 см.
Почва: Аллювиальная луговая насыщенная среднесуглинистая.
Разрез 2. Заложен в средней части склона надпойменной террасы, 17м на северо-восток в лес от опушки, ПО м на юго-запад от забора биоцентра ВГУ «Веневитиново».
Макрорельеф: Окско-донская низменность. m Мезорельеф: надпойменная терраса. Микрорельеф не выражен. Растительный покров, согласно классификации Е.А. Стародубцевой (1992), представлен лишайниково-зеленомошной ассоциацией формации сосны обыкновенной /39д/. Древостой представлен сосной обыкновенной, в подлеске рябина, ракитник; травянистый ярус: очиток, земляника, вероника седая, зимолюбка; моховой ярус: дикранум Горизонт А ( см) - свежий, серо-бурый с рыжеватым оттенком, не прочнокомковатый, супесчаный, слабоуплотнен, корни, переход заметный по цвету. Горизонт АЕ ( см) - свежий, светло-серый, супесчаный, слабоуп лотнен, рыхлый, отдельные корни, переход постепенный. Горизонт ВС ( см) - увлажнен, серовато-рыжий, среднезернистый песок, единичные корни, уплотнен, переход заметный по цвету. Горизонт С ( глубже 67 см) - влажный, белесый, среднезернистый песок, рыхлый.
Почва: Дерново-лесная глеевато-элювиальная супесчаная. Разрез 3. Заложен в нижней части склона при переходе в понижение, в 500 м от русла реки на северо-восток, 5 м на юго-запад от заброшенной лесной дороги.
Макрорельеф: Окско-донская низменность.
Мезорельеф: блюдцеобразное понижение.
Микрорельеф не выражен.
Растительный покров представлен травяной ассоциацией формации березы повислой. В древостое преобладает береза и липа, подлесок представлен кленом татарским, крушиной слабительной, в травянистом ярусе обычны злаки, марьянник луговой, крапива двудомная и др. хорошо Горизонт AEg ( см) - свежий, серый с буроватым оттенком, встречаются охристые пятна, песчаный, непрочномелкокомковатый, плотнее предыдущего, корни, переход заметный по цвету.
