Содержание к диссертации
Введение
1. Значение климата в почвообразовании 9
1.1. Климат как фактор почвообразования 9
1.2. Значение температуры в почвообразовании 13
1.3. Значение осадков в почвообразовании 17
1.4.Влияние теневого эффекта гор на почвы 19
2. Влияние климата на почвенные характеристики 23
2.1. Зависимость физико-химических свойств почв от климата 23
2.2. Зависимоть содержания гумуса от климата 24
2.3. Зависимость ферментативной и микробиологической активности почв от климата 26
3. Общая характеристика климата на юге России 33
4. Методика и методы исследования 39
5. Объекты исследования 43
5.1. Широтная трансекта 44
5.1.1. Черноземы обыкновенные 47
5.1.2. Каштановые почвы 48
5.1.3. Бурые полупустынные почвы 50
5.2. Меридиональная трансекта 53
5.2.1. Серопески 54
5.2.2. Черноземы южные 57
5.2.3.Черноземы выщелоченные 59
5.2.4. Черноземы слитые 61
5.2.5. Серые лесные почвы 63
5.2.6. Бурые лесные почвы 66
5.2.7. Рендзины типичные 68
5.2.8. Горно-луговые почвы 70
6. Влияние климата на биологические свойства почв юга России 73
6.1. Зависимость биологических свойств почв от степени континентальности климата 73
6.2. Влияние теневого эффекта гор кавказа на биологические свойства почв 89
6.3. Влияние климата на азональные почвы юга России 100
6.4. Обобщение результатов влияния климата на эколого-биологические свойства почв юга россии 102
6.4.1. Влияние климата на содержание гумуса 107
6.4.2. Зависимость активности каталазы от климата 113
6.4.3. Влияние климата на активность инвертазы 119
6.4.4. Изменение активности дегидрогеназы в зависимости от климата 121
6.4.5. Изменение интегрального биологического показателя в зависимости от климата 123
6.4.6. Прогнозы изменения почвенного покрова юга России в условиях меняющегося климата 126
Выводы 128
Список литературы
- Значение температуры в почвообразовании
- Зависимоть содержания гумуса от климата
- Каштановые почвы
- Влияние климата на азональные почвы юга России
Значение температуры в почвообразовании
Климат является одним из факторов почвообразования. Факторы почвообразования – это условия природной среды, под действием или участием которых образуются почвы. К факторам почвообразования относят все условия, силы, закономерности и их различные сложные сочетания, которые влияли в прошлом, влияют в настоящем, и будут влиять в будущем на почвы и их развитие. Список всех почвообразующих составляющих может быть бесконечным. Именно поэтому необходимо было объединить все многочисленные почвообразовательные условия к единому основному перечню. В. В. Докучаев свел все многообразие внешних сил и условий к пяти основным показателям, таким как климат, горные породы, организмы, рельеф и время. В. В. Докучаев первым установил, что отношение между почвами и условиями их образования закономерны и жестко детерминированы. Различия между этими условиями в географическом пространстве и времени приводит к многочисленному разнообразию почв (Цыганенко, 1972).
Все объекты в природе взаимосвязаны и взаимообусловлены. Климат, фитоценозы, зооценозы, почвы и другие составляющие зон и ландшафтов представляют неразрывное единство, и изменение одного из компонентов этого единства неизбежно приводит к изменению других составляющих от первоначального состояния (Вальков, 2008).
В.В. Докучаев выделял пять основных факторов почвообразования: климат, породы, живые организмы, рельеф и время. Изменения одного фактора приводит к изменению почвы. Таким образом, установлено, что если факторы образования почвы одинаковы, то и почвы будут одинаковыми. Так же, зная все факторы почвообразования конкретной местности, можно определить какие почвы там расположены. Это правило используется для прогноза образования почв на беспочвенных субстратах. Благодаря факторам почвообразования мож 10 но познать генезис почв и изменяя факторы, можно изменять почвы в необходимую сторону (Щеглов и др., 2008).
В.В. Докучаев считал, что все факторы одинаково значимы для образования почвы, и невозможно заменить отсутствие одного фактора другим. Отсутствие какого-либо фактора делает не возможным образования почвы. Тем не менее, факторы почвообразование оказывают разную степень воздействия на почвообразовательный процесс. Например, в степной равнинной зоне рельеф оказывает второстепенное действие по сравнению с климатом и организмами, а в горах он является доминирующим среди всех факторов почвообразования. В.В. Докучаев допускал разную роль факторов в генезисе почв. Для разных почв доминирующее влияние оказывают разные факторы. Каждая отдельная почва образуется и развивается при доминирующем влиянии одного или двух ведущих факторов и при второстепенном действии других факторов (Зольников, 1970).
Невозможно определить роль конкретного фактора в образовании всех почв на Земле, так как факторы постоянно взаимодействуют между собой. Но для какой-либо конкретной почвы, можно определить какой фактор является доминирующим на данной стадии ее образования. Так, для черноземов доминирующим фактором является биологический фактор, для подзолов – количество осадков, для рендзин – материнская порода, для солончаков – наличие солей.
С.А. Захаров (1927) попытался создать факторную классификацию почв, опираясь на ведущую роль каждого фактора. Он выделил гидрогенные, клима-тогенные, литогенные, галогенные, орогенные и флювиогенные почвы. Так же С.А. Захаров условно разделил все факторы - почвообразователи на активные и пассивные. К первым он отнес климат и организмы, а ко вторым – рельеф, горные породы и возраст страны. Он считал, что пассивные факторы служат только источниками вещества и условиями, оказывающими воздействие на почвы, а активные кроме того могут являться еще источниками энергии, воздействующими на почвы. Многие исследователи пытались дополнить ряд факторов, предложенный
В.В. Докучаевым. Например, А.А. Роде (1972) выделил как факторы - почвообразования грунтовые воды и земное тяготение. По мнению В.Р. Вильямса (1939) хозяйственная деятельность человека должна обязательно учитываться и как главный фактор почвообразования.
Климат – это закономерная последовательность метеорологических процессов, выражающихся в многолетнем режиме погоды в данной местности (Берг, 1938). Климат – это совокупность всех не случайных для него типов погоды. В свою очередь, погода – это общность всех метеорологических явлений, происходящих в данной местности в данный момент времени (Войков, 1884).
Климат зависит от географического положения территории, которое определяет приток солнечной энергии и количество осадков. Основные составляющие климата – температура воздуха, количество осадков, наличие ветра и многолетней мерзлоты. Осадки и температура определяют водный и тепловой режимы почвы, ее влажность, скорость и характер превращения органических остатков, минерализацию гумуса, разрушение минеральной части почвы (Ви-ленский, 1961). З.Г. Залибеков (2005) считает, что из комплекса факторов – почвообразо-вателей наибольшее влияние на почвы оказывают климатические условия и растительность.
Русские почвоведы В. В. Докучаев и Н.М. Сибирцев, а также американский почвовед Е. В. Гильгард еще в конце XIX века обратили внимание на тесную связь климата и почвы и предавали данному фактору наибольшее значение. Позже, многие исследователи поддержали мнение о ведущей роли климата в образовании почв. Без климата, а в большей степени без притока солнечной энергии, не возможно существование и жизнедеятельность организмов, без которых никогда бы не образовались почвы.
Зависимоть содержания гумуса от климата
Каштановые почвы малогумусные с содержанием органического вещества в горизонте А около 3,0% со среднемощным и мощным профилем, до 60-80 см, но всегда с преобладанием коричневых тонов при фульватно-гуматном гумусе (Сгк:Сфк более 1,0).
В профиле почвы всегда присутствует CaCO3. Вскипание от HCl наблюдается с глубины 40 см. Карбонатность профиля определяется в первую очередь смектитовыми минералами имеют величины 23-27 мг-экв./100 г. При количестве Na+ до 5%. Типична склонность к появлению солонцеватых родов почв. Молярные отношения SiO2:R2O3 6,6-7,5, что отражает сиаллитный характер почвенной массы.
На территории России природные экологические системы полупустынь или пустынных степей присутствуют только в южном Поволжье и входят в основном в состав территории Южного федерального округа (рис.8). Эти почвы типичны для Астраханской области, южных районов Калмыкии и представляют самый сухой вариант почвообразования в России, граничащий с пустынями суббореального пояса (серо-бурые пустынные почвы). Характерны биоклиматические показатели: сильная континентальность, умеренно-мягкая и умеренно-холодная зима (–5…–15оС), сумма активных температур выше +10 от 3300 до 4100С, промерзание почвы до глубины менее 0,5 м, количество осадков 150-200 мм, коэффициент увлажнения 0,12-0,33.
Основные черты диагностики: низкая продолжительность биологически активного периода почвообразования из-за длительных засухи и морозной зимы, малая мощность гумусовой толщи при слабой гумификации, крайне слабая выщелоченность от карбонатов и солей при неглубоком среднегодовом прома-чивании почвенной толщи, слабощелочные условия почвенной среды. Для зоны бурых полупустынных почв типично варьирование гранулометрического состава в структуре почвенного, как результат древне-водного происхождения рельефа Прикаспийской низменности.
Природные свойства бурых полупустынных почв отличаются экологической оптимальностью для естественных биоценозов, несмотря на кажущуюся бесструктурность (непрочно-комковато-пылеватое слоистое сложение горизонта А) и некоторая дисперсность часто солонцеватой природы горизонта В (плотность 1,40-1,45 г/см3). Почва полностью впитывает выпадающие осадки, но естественное влагонакопление ограничивается мощностью не более 60-70
Дефицит влаги предопределяет биоценотическую продуктивность, практическую невозможность использования почв в агрокультуре. Широко разнообразие бурых полупустынных почв по гранулометрическому составу, от супесчаных до легкоглинистых (табл.6).
Реакция среды слабо и среднещелочная, pH в пределах 4,5-8,5. Щелочность обуславливается бикарбонатом кальция. Содовое засоление исключается. Карбонатность профиля с поверхности почвы или с горизонта В – явление типичное. Наблюдается карбонатно-дессуктивное накопление CaCO3 с 35 до 100 см. В нижней части профиля наблюдаются или по данным анализа водной вытяжки или морфологически скопления солей и гипса. Плотный остаток на глубине 110-130 см 0,20-0,45%. Засоление сульфатное или хлоридно-сульфатное.
Низкая поглотительная способность, определяемая малой гумусностью почв и малым содержанием смектитовых минералов, составляет всего 8-10 мг-экв./100 г. Помимо Ca2+ и Mg2+ постоянно присутствует Na+ в количестве 3-6 мг-экв. Хотя типичные солонцы – явление не столь частое, как среди сухих степей с каштановыми почвами. Алюмосиликатные компоненты валового состава очень слабо дифференцированы по генетическим горизонтам.
Влага определяет биологическую активность почвенной массы. Типичны длительные периоды летнего сухого покоя и зимнего мерзлотного. Роющие почвообитающие животные находят возможность для активной жизнедеятельности. Полупустынная растительность пока еще обеспечивает пока еще единственные в России стада сайгаков, а Черноземные земли Калмыкии – уникальные бесснежные зимние пастбища для овцеводства.
В 2010, 2012 годах изучена меридиональная трансекта, общим направлением север-юг, на протяжении которой вследствие теневого эффекта гор Кавказа значительно изменяется климат. При передвижении с севера на юг он становится более гумидным, с увеличением высоты над уровнем моря среднегодовое количество осадков увеличивается в несколько раз, а среднегодовая температура снижается по сравнению с предгорными районами (табл.7). При передвижении на юг снижается среднегодовая амплитуда температур. Степные равнинные ландшафты заменяются лесостепью, а затем и горными лесами и лугами. Мощные черноземы заменяются маломощные горными лесными почвами (рис.9). На исследуемой трансекте изучены черноземы южные (пос. Октябрьский, х. Кру-жилинский, г. Кашары, г. Каменск-Шахтинский), черноземы обыкновенные (г. Ростов-на-Дону, с. Степное), черноземы типичные (ст. Березанская), черноземы выщелоченные (ст. Кирпильская), черноземы слитые (г. Белореченск), серые лесостепные (г. Майкоп), серые лесные (ст. Даховская), темно-серые лесные (с. Хамышки), бурые лесные (пос. Гузерипль) и луговые субальпийские на плато Абаго. Зональные почвы, пересекаемые исследуемой трансектой, подробно описаны в ряде работ (Вальков и др., 2008; Вальков, 2006; Казеев и др., 2004; Казеев и др., 2010; Безуглова, Хырхырова, 2008).
Каштановые почвы
В августе 2010 года проведены исследования по влиянию климата на горные почвы юга России. При увеличении высоты местности наблюдается увеличении среднегодового количества осадков и среднегодовой амплитуды температуры. рН почвенной суспензии имеет нейтральную или слабокислую среду, что характерно для почв горных территорий. В отличие от аридных степных почв, максимальная влажность горных почв наблюдается в верхнем горизонте, с глубиной изменяется незначительно. Плотность почв варьировала в пределах от 0,79 г/см3 в бурой лесной почве на Партизанской поляне до 1,29 г/см3 в серой лесной и черноземе выщелоченном. Биологические свойства исследуемых почв изменялись в широких пределах (гумус от 14,5 до 4,5; каталаза от 11,1 до 5,3 мл О2/г/мин и т.д.). Наблюдается резкое снижение вниз по профилю всех биологических показателей (табл. 16).
Выявлена положительная зависимость содержания гумуса и активности инвертазы с увеличением высоты местности (r=0,83 и r=0,77 соответственно). Наблюдаются тренды зависимости биологических показателей от климата, таких как активность дегидрогеназы, обилие микроскопических грибов, дыхание почвы (рис.28). Таблица 16
Помимо горных и предгорных почв, так же изучены все зональные степные почвы. Увеличена длина исследуемой тран-секты сначала до г. Ростова-на-Дону, а затем до ст. Вешенской. В целом при обобщении климатических параметров населенных пунктов, расположенных на исследуемой трансекте выявлено, что при передвижении с севера на юг и при увеличении высоты местности увеличивается среднегодовое количество осадков и снижается среднегодовая амплитуда температур. Вычисление климатических индексов показало, что при передвижении на юг увеличивается индекс аридности по де Мартонну, а аридность климата снижается (обратная связь). Все исследуемые индексы континентальности снижаются, что говорит об увеличении гумидности климата (прямая связь).
Изменение биологической активности почв в зависимости от среднегодового количества осадков, 2012 г. Рис.30. Изменение биологической активности почв в зависимости от среднегодовой амплитуды температуры, 2012 г.
Так же биологическая активность находится в тесной зависимости от среднегодовой амплитуды температуры (рис.30). Отмечено увеличение ферментативной активности почв и снижение содержания гумуса в верхних горизонтах почв при возрастании амплитуды температур.
Содержание гумуса является наиболее зависимым от климата из всех изучаемых биологических показателей. Содержание гумуса положительно коррелирует с индексом аридности де Мартонна и отрицательно со всеми индексами континентальности. Из рисунка 31 видно, что содержание гумуса уменьшается при возрастании гумидности климата, т. е. верхние горизонты лесных почв более обогащены органическим веществом, чем степных почв.
Ферментативная активность, как правило, увеличивается при передвижении на юг. Но это касается не всех ферментов. Наиболее зависимыми от климата оказались активности пероксидазы, полифенолоксидазы и каталазы.
Не выявлено взаимосвязи между климатическими параметрами и активностью каталазы, дегидрогеназы и инвертазы в верхних горизонтах исследуемых почв.
Для почв трансекты север-юг обнаружена меньшая степень зависимости биологических показателей от климата, чем при изучении степных и полупустынных почв восточной трансекты. Это объясняется тем, что все почвы расположены в довольно оптимальных климатических условиях. И на характер распределения биологической активности оказывают влияние биота и другие абиотические факторы.
При рассмотрении профильного распределения биологической активности установлено, что характер распределения содержания гумуса в профилях исследуемых почв убывающий (рис.32). В лесных почвах отмечено резкое снижение органического вещества в первом двадцатисантиметровом слое почвы. В лесостепных и степных почвах содержание органики снижалось плавно с глубиной.
Активность дегидрогеназы в степных почвах значительно выше чем в лесных (рис.34). Это касается не только верхних горизонтов и распределения по всему профилю. Максимальную активность дегидрогеназы в верхнем горизонте имеет чернозем выщелоченный (ст. Кирпильская). В степных почвах активность дегидрогеназы чаще всего плавно снижается. В лесных почвах, наоборот, с глубиной активность возрастает, но все равно не доходит до степени активности черноземов.
То же можно отметить для активностей полифенолоксидазы и перокси-дазы. Отмечена более высокая активность этих ферментов в степных почвах как по профилю, так и в верхних горизонтах. В степных почвах с глубиной активность данных ферментов повышается, а в лесных понижается (рис 35,36).
Что касается активности инвертазы, то во всех исследуемых почвах характер распределения активности данного фермента не однозначен. Наблюдаются инверсии в профильном распределении инвертазы. То же самое касается распределения в профиле почв количества бактерий рода Azotobacter (табл.17). Таблица 17 Эколого-генетические особенности почв юга России, 2010г
В процессе исследования изучены азональные почвы: серопески (ростовская обл.), буропески (рес. Калмыкия), рендзины выщелоченные (рес. Адыгея) и солончак (астраханская обл.). Установлено, что азональные почвы обладают иной биологической активностью по сравенению с зональными сформированными в таких же климатических условиях. Так как для азональных почв климат не является главным почвообразующим фактором, не выявлено зависимости биологических свойств этих почв от климатических характеристик, при вычислении уравнений и расчете корреляций данные по этим почвам не учитывались. Почвы легкого гранулометрического состава (буропески и серопески) обладают низким содержанием гумуса как в верхней части (0,4 и 1,4% соответственно), так и при пересчете на весь профиль. То же можно отметить и для ферментативной активности. Это объясняется накоплением внеклеточных ферментов в пылеватых и илистых частицах почвы, которые содержат основную часть гумуса и активной микрофлоры с которыми коррелирует ферментативная активность (Пейве, 1961; Галстян, 1974, 1978, Купревич, 1974; Хазиев, 1982, Казеев и др., 2004). Самой низкой биологической активностью, среди исследуемых почв, обладает солончак гидроморфный. Засоленность верхнего горизонта составляет 5,8%. Содержание гумуса в верхнем горизонте составило 0,34% (табл.18). Из-за высокой засоленности почвы инактировались ферменты. В солончаке степень засоления является главным лимитирующим биологическую активность фактором.
Высокими значениями биологической активности обладает рендзина выщелоченная. Содержание гумуса в поверхностном горизонте составило 16,8 %, что выше чем в бурых лесных почвах (14,5%). Также наличие в профиле карбонатов способствовало увеличению ферментативной активности. Главным фактором, влияющим на распределение биологической активности рендзины выщелоченной, являются карбонатные породы, в связи с этим данные почвы так же не были включены при расчете корреляции и уравнений зависимости биологических показателей от климата.
Влияние климата на азональные почвы юга России
Из всех исследованных ферментов наименьшая зависимость от климатических характеристик и индексов выявлена для активности дегидрогеназы.
Не выявлена зависимость активности дегидрогеназы как в поверхностных горизонтах, так и при пересчете на гумусовый горизонт от среднегодового количества осадков. Наблюдается тренд увеличения активности дегидрогеназы при повышении среднегодовой температуры Изменение интегрального биологического показателя в зависимости от климата
В зонах полупустынь и сухих степей, почвы имеют низкую биологическую активность не только в верхних горизонтах, но и во всем профиль. Недостаток влаги в данных регионах препятствует нормальному протеканию в почве биологических процессов. При перемещении в более увлажненные районы на-блююдается увеличение биологической активности как в поверхностных горизонтах, так и при пересчете на гумусовый профиль. Установлено, что наибольшими запасами биологической активности обладают черноземы выщелоченные, расположенные в благоприятных (теплых и хорошо увлажненных) для гу-мусонакопления и протекания биохимических процессов условиях. Не смотря на то, что горные почвы обеспеченны достаточным количеством влаги, они так же имеют низкую биологическую активность профилей. В данном случае для повышения биологической активности лимитирующим фактором является избыток влаги, приводящий к промыванию профиля от оснований и питательных элементов, формированию кислой реакции среды. На высокогорьях к этому добавляется короткий вегетационный период с активными температурами в почвенном профиле.
Максимальные значения ИПБС верхних горизонтов имеют горные почвы, при увеличении аридности климата значения ИПБС снижаются. Не установлены закономерности изменения интегрального показателя поверхностных горизонтов почв от климата. Применение профильного подхода (рис.57) позволило показать на этой диаграмме пространственные закономерности распределения биологической активности, которые очень схожи с известным рисунком (рис. 58), отражающим универсальность действия экологических факторов на биоту (Одум, 1986). В данном случае минимальные и максимальные значения климатического показателя приводят к снижению биологической активности, выраженной через ИПБС. При пересчете биологической активности на мощность гумусового профиля почв выявлено, что максимальные значения ИПБС имеют черноземы, расположенные в условиях значения индекса де Мартонна 25-35. Такими значениями индекса характеризуются территории с количеством осадков около 500-700 мм и среднегодовой температурой 8-10C. В данных климатических условиях формируются черноземы выщелоченные. В условиях с большими и меньшими значениями, ИПБС снижается.
Изменение ИПБС верхних горизонтов (А) и профиля(Б) зональных почв юга России (Лс – луговая субальпийская; Бл – бурая лесная; ТСл – темно-серая лесная; Сл – серая лесная; Слс – серая лесостепная; Чсл – чернозем слитой; Чв – чернозем выщелоченный; Чт – чернозем типичный; Чо – чернозем обыкновенный; Чю – чернозем южный; К – каштановая; Бп – бурая полупустынная)
Во второй половине ХХ столентия на Европейской территории России климатические условия значительно отличались от таковых в его первой половине. В среднем за 1951-2000 гг. температура воздуха и атмосферные осадки, как в целом за год, так и за сезоны были значительно выше, чем за 1900-1950 гг. При этом средняя годовая температура воздуха была выше на 0,4-0,8С, за холодный период на 0,7-1,2С и теплый на 0,3-0,7 С (Панов и др, 2006). Таким образом повышение среднегодовой температуры воздуха происходит в основном за счет увеличения температуры в зимний период. Количество атмосферных осадков во второй половине ХХ столетия было больше на 21-114 мм, то есть колебалось в довольно больших пределах. В целом увеличение осадков произошло на 17%. В основном увеличение осадков происходит в зимний период. Существует большое количество сценариев изменения климата, но все они сходятся в том что скорость изменения климата будет увеличиваться. Климатические условия являются одним из основных ландшафтообразующих факторов. В связи с этим направленные изменения климатических условий вы 127 зовут существенную перестройку ландшафтов. Прежде всего, это скажется на почвах и растительности, причем вначале на растительности, так как она более чутко реагирует на изменения условий среды (Коломыц, 1985).
Изменения почвенных ареалов, плодородия и их свойств процесс довольно длительный. Но комплекс почвенных биоиндикаторов, такой как ферментативная активность, позволит судить даже об изменениях почв под действием меняющегося климата даже на ранних стадиях изменения. Ферментативная активность почв более стабильный показатель по сравнению с микробиологической активностью, которая в большей степени зависит от кратковременных погодных условий, и более чувствительный по сравнению с содержанием гумуса. Таким образом, мониторинг ферментативной активности почв и знания об их изменении в зависимости от условий среды позволяют прогнозировать почвообразовательный процесс.
Похожие диссертации на Влияние климата на биологические свойства почв юга России
