Содержание к диссертации
Введение
1. Физико-географическая характеристика района исследования (полуостров Муравьева-Амурского) 12
1.1. Географическое положение и рельеф 12
1.2. Геологическое строение 13
1.3. Климат 14
1.4. Гидрологический режим и природные воды 18
1.5. Растительность 20
1.6. Почвы 23
2. Объекты и методы исследования 28
2.1. Объекты исследования и методологические подходы 29
2.2. Методы полевых исследований 32
2.3. Методы аналитических исследований 38
3. Парцеллярные особенности геохимии фосфора в ландшафте 44
3.1. Особенности геохимии фосфора в лиановой парцелле 47
3.1.1. Характеристика парцеллы (растительность и почвы)...47
3.1.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле 51
3.1.3. Миграция фосфора в составе природных вод 53
3.1.4. Формы фосфора и его запасы в буроземе парцеллы...60
3.2. Особенности геохимии фосфора в хвойной (чернопихтовои) парцелле 65
3.2.1. Характеристика парцеллы (растительность и почвы)...65
3.2.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле 69
3.2.3. Миграция фосфора в составе природных вод 71
3.2.4. Формы фосфора и его запасы в буроземе парцеллы 75
3.3. Особенности геохимии фосфора в хвойно-широколиственной (полидоминантной) парцелле 79
3.3.1. Характеристика парцеллы (растительность и почвы)...79
3.3.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле 82
3.3.3. Миграция фосфора в составе природных вод 84
3.3.4. Формы фосфора и его запасы в буроземе парцеллы .85
З.4 Особенности геохимии фосфора в дубово-грабовой парцелле ..87
3.4.1. Характеристика парцеллы (растительность и почвы).„87
3.4.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле 89
3.4.3. Миграция фосфора в составе природных вод 91
3.4.4. Формы фосфора и его запасы в буроземе парцеллы .92
3.5. Вынос фосфора в составе родниковых (грунтовых) вод и факторы, его определяющие 94
4. Катенарные особенности формирования биокруговорота фосфора в ландшафте 99
4.1. Характеристика парцелл катены 101
4.2. Катенарные особенности формирования почв парцелл 114
4.3. Катенарные особенности формирования круговорота фосфора в парцеллах 117
4.4. Динамика подвижного фосфора и фосфора микробной биомассы в буроземах парцелл 125
5. Модели миграции и аккумуляции фосфора в ландшафтах 134
Выводы 143
- Особенности геохимии фосфора в хвойной (чернопихтовои) парцелле
- Особенности геохимии фосфора в хвойно-широколиственной (полидоминантной) парцелле
- Особенности геохимии фосфора в дубово-грабовой парцелле
- Катенарные особенности формирования круговорота фосфора в парцеллах
Введение к работе
Ландшафтно-геохимические исследования в России начались сравнительно недавно. Их начало в 1930-х годах связано с именем Б.Б. Полынова - основоположника учения о геохимии ландшафтов. Объектом исследования геохимии ландшафта выступает сложная неравновесная динамическая система земной поверхности (геохимический ландшафт), в которой происходит взаимодействие и взаимопроникновение элементов лито-, гидро- и атмосферы. Большинство природных геохимических ландшафтов относится к биокосным системам, в которых живые организмы и неорганическая фа материя тесно связаны и взаимообусловлены (Перельман, 1975). Геохимия лесных ландшафтов южного Приморья заслуживает особого внимания.
Фосфор играет величайшую роль в жизнедеятельности всех организмов, в функционировании экосистем и биосферы в целом (Ковда, 1976). В процессе биологической эволюции именно фосфорные соединения стали универсальными хранителями генетической информации и переносчиками энергии во всех живых системах. Фосфор незаменим в таких процессах как фотосинтез, метаболизм, размножение. Фотосинтез и создание фитобио-массы является отправной точкой круговорота веществ в биосфере (Ковда, 1973). В наземных экосистемах фосфор - это главный элемент, регули рующий аккумуляцию углерода, азота и органической серы в почвах (Walker, Syers, 1976). Благодаря уникальности химических свойств фосфора, его способности образовывать множество различных соединений, его биогеохихмическин цикл отличается от циклов углерода, кислорода, азота, хотя круговорот всех перечисленных выше элементов в ряде звеньев протекает совместно. Фосфор выступает своеобразным индикатором продуктивности почв и ландшафта в целом, являясь одним из лимитирующих щ факторов создания органического вещества.
Кларк фосфора составляет 9,3-10"2% (Переломан, 1975), известно около 200 фосфорсодержащих минералов, но в большинстве природных ландшафтов этот элемент дефицитен. Человек в результате широкого применения фосфорных удобрений, пестицидов, детергентов нарушает природный баланс фосфора в биосфере. Наряду с дефицитом фосфора в почвах, происходит эвтрофирование водоемов, вызванное его избытком. Под антропогенным воздействием круговорот фосфора начал деградировать, вытесняясь транзитным движением фосфора от рудных запасов в воды суши и океана. В природных условиях круговорот биогенных веществ был основой сохранения этих веществ в наземной части биосферы при незначительных потерях в гидросферу (Эволюция круговорота фосфора..., 1988).
Этот элемент давно привлекает внимание исследователей. Анализ литературных источников показывает, что имеется очень много работ по изучению фосфорных соединений в отдельных компонентах ландшафта. В большинстве работ, посвященных исследованию фосфора в почвах, решаются агрохимические проблемы более эффективного использования фосфатного фонда, изучаются процессы, происходящие в почве при применении удобрений (Гинзбург, 1975; Хмелинин, 1984, 1993; Кудеярова, 1993, 2000а и др.). В ряде работ исследуются содержание и распределение основных форм фосфора в различных типах почв (Bowman, Cole , 1978; Гинзбург, 1981; Brooks et. al. 1982; Schoenau et. al. 1989; Кудеярова, 20006; Макаров, 1999; Макаров и др. 2000, 2002 и др.); в растениях и природных водах (Likens et. al., 1977; Whittaker et. al, 1979; Алексеенко, Марунич, 1985; Елпатьевский, Власов, 1996; Елпатьевский и др., 2000; Noe et al., 2001 и др.); но изучению фосфора в ландшафте в целом с позиций геохимии ландшафтов, изучению глобального цикла этого элемента в биосфере посвящены единичные публикации (Ковда, 1976; The Major Biogeochemical
Cycles..., 1983; Newman, 1995; Батурин, 2003 и др.), поведение же фосфора в лесных ландшафтах юга Дальнего Востока практически не изучалось.
В Приморском крае работы, посвященные фосфору, касаются в основном почв равнинных территорий, пригодных для сельскохозяйственного использования (Стрельченко, 1973, 1982, 1988 и др.). В связи с этим представляется актуальным изучение именно геохимии фосфора в лесных ландшафтах южного Приморья.
Актуальность наших исследований обусловлена также и тем, что в качестве объекта выбраны ландшафты чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья, которые в силу своего географического положения, специфических климатических условий и сложной истории формирования растительного покрова уникальны для России и во флористическом отношении являются самой богатой лесной формацией Дальнего Востока (Васильев, Колесников, 1962). Лесные ландшафты играют определяющую роль в истории формирования биосферы и являются основным механизмом фиксации космической энергии и образования фитобиомассы на суше с вовлечением в ткани растений биофильных элементов (Ковда, 1976). Наши исследования выполнены в пределах той части ареала чернопихтово-широколиственных лесов, которая лишь в небольшой степени затронута антропогенным воздействием (полуостров Муравьев-Амурский) и позволяют наиболее полно охарактеризовать геохимию фосфора в ландшафтах данной лесной формации.
Особенности функционирования подобных ландшафтов на юге Приморья все еще очень слабо изучены. Наиболее полные стационарные исследования хвойно-широколиственных лесов Приморья были выполнены в 1960 ые-1970"ые года только на территории Уссурийского заповедника. Эти работы касались, в основном, исследований типов леса, микроклиматических и почвенных условий их произрастания, биогеохимических аспектов функционирования лесных экосистем (Комплексные стационарные иссле дования..., 1967; Биогеоценотические исследования..., 1968). Нечаевой Е.Г. было выполнено изучение зольного состава опада, дана сравнительная характеристика почвенных процессов, а также динамика химического состава поверхностных и почвенных вод в различных типах леса, то есть, дана характеристика лишь некоторых биогеохимических аспектов функционирования этих ландшафтов (Нечаева, 1967, 1968, 1971). Анализ поведения именно фосфора в ландшафте чернопихтово-широколиственных лесов в эти годы практически не проводился. В работах А.Ф. Костенковой были выделены различные типы биологического круговорота веществ в лесных биогеоценозах южного Приморья (Костенкова, 1977, 1980, 1982). Эти ис Чщ следования выявили ряд особенностей функционирования лесных ланд шафтов южного Приморья, но изучению в них цикла фосфора уделено очень мало внимания.
Изучением структуры и биогеохимических особенностей чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья (полуостров Муравьев-Амурский) занимались П.В. Елпатьевский, Е.П. Кудрявцева, В.П. Елпать-евская. Их работы посвящены изучению биоразнообразия и особенностей структуры и биокруговорота этих лесов (Елпатьевская, Кудрявцева, 1998, 1999; Елпатьевский, 2000; Кудрявцева, Елпатьевский, 2001; Elpatyevsky et al., 2003), изучению геохимии кальция (Elpatyevkaya, 2001) и подвижных форм фосфора (Елпатьевский, 1998).
Теоретическая и методическая основа исследований базируется на идеях и трудах в области геохимии ландшафта Б.Б. Полынова, А.И. Пе-рельмана, М.А. Глазовской. Ландшафт чернопихтово-широколиственных лесов рассматривается в данной работе как геохимический ландшафт по А.И. Перельману, то есть является парагенетической ассоциацией сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией & элементов (Перельман, Касимов, 1999). Синонимами понятия элементар ный ландшафт (Б.Б. Полынов) являются микроландшафт (И.В. Ларин), фация (Л.С. Берг и Н.А. Солнцев), биогеоценоз (В.Н. Сукачев) и элемен тарная ландшафтно-геохимическая система (М.А. Глазовская) (Глазовская, 1998).
В лесных биогеоценозах, как правило, формируется парцеллярная структура разной степени сложности, которая определяется в пространстве по доминантам растительного покрова (эдификаторы экосистемы). Парцеллярная структура - это залог устойчивости типа леса (Карпачевский, 1999). Каждая парцелла обладает своими специфическими особенностями биокруговорота элементов, который оценивается такими показателями, как биомасса, продуктивность, объем вовлекаемых в миграцию биофильных jgt элементов. Биогеоценотические парцеллы по Н.В. Дылису - это структур ные части горизонтального расчленения биогеоценоза, отличающиеся друг от друга составом, структурой и свойствами компонентов, спецификой их связей и материально-энергетического обмена (Дылис, 1969). Как и биогеоценоз в целом, парцелла - понятие комплексное и включает растения, почвы, атмосферу, животное население, микроорганизмы, то есть имеет комплексный многокомпонентный характер (Дылис, 1978). Принимая во внимание вышесказанное, биогеоценотическая парцелла рассматривается нами как элементарный геохимический ландшафт. ( Целью данной работы является изучение геохимии фосфора в ланд шафтах чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья на парцеллярном и катенарном уровнях, а также построение эмпирических моделей биогеохимического круговорота фосфора в ландшафтах.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
1. Определить содержание и запасы фосфора в опадах и подстилках (биогеохимический блок).
rife 2. Оценить запасы фосфора и трансформацию основных его форм в поч вах и почвообразующих породах (почвенно-литогенный блок).
3. Изучить динамику подвижного фосфора и фосфора микробной биомассы в почвах различных парцелл, как наиболее динамичной части общего запаса фосфора.
4. Количественно оценить фосфор в составе основных геохимически сопряженных категорий природных вод: атмосферные осадки — подкро-новые воды — лизиметрические (почвенные) растворы — • родниковые (грунтовые) воды (водно-миграционные, геохимические потоки).
5. Построить эмпирические модели миграции и аккумуляции фосфора в ландшафтах чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Трансформация исходных форм фосфора (фосфаты железа) в процессе педогенеза идет в сторону образования рыхлосвязанных и органофос-фатов, обусловливая аккумулятивный профиль и дифференцированное распределение фосфора в буроземах; различия в профильном распределении фосфора определяются парцеллярными особенностями организации южноприморских чернопихтово-широколиственных лесов и расположением по катене.
2. Миграция фосфора в ландшафте обусловлена сложным взаимодействием водно-миграционных потоков с биотическим и почвенным блоками; основное количество растворимых соединений фосфора, поступающих с атмосферными осадками и подкроновыми водами, закрепляется в органогенных горизонтах как за счет процессов биогенного поглощения, так и в результате образования органоминеральных комплексов в процессе гумусообразования.
3. Основные этапы работы почвенно-биотического блока и реализация ландшафтно-геохимических процессов обусловливают создание значительного фонда фосфора в ландшафтах чернопихтово широколиственных лесов южного Приморья, что обосновано балансовыми расчетами и моделями миграции и аккумуляции фосфора. Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые геохимия фосфора была изучена в ландшафтах чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья на парцеллярном и кате-нарном уровнях;
- при изучении использован комплексный геосистемный подход, позволивший оценить роль различных компонентов (блоков) геосистемы в сохранении основного запаса фосфора в ландшафте;
- с целью изучения форм фосфора в почвах был использован метод фазового селективного анализа (по Гинзбург К.Е. и Лебедевой Л.С.), модифицированный и дополненный автором;
- впервые для ландшафтов чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья предложены эмпирические модели миграции и аккумуляции фосфора.
Научно-практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы для оценки биопродуктивности ландшафтов, поскольку позволяют рассматривать запасы фосфора как один из диагностических факторов; могут быть использованы в смежных науках - при решении сельскохозяйственных и экологических проблем, связанных с недостатком или избытком фосфора.
Исследования были поддержаны РФФИ (проект № 00-05-65027) в 2000-2002 гг., грантами РФФИ-MAC в 2001 и 2002 гг. и грантом ДВО РАН в 2003г. Работа выполнена в рамках научной темы лаборатории геохимии ТИГ ДВО РАН «Геохимия состояния и функционирования геосистем высотной поясности горной системы Сихотэ-Алинь».
Результаты исследований обработаны с использованием стандартных математических и статистических методов и графически представлены с помощью программ Microsoft Excel 97 и Corel Draw 9.
Полученные материалы проанализированы с использованием принципов сравнительно-географического и ландшафтно-геохимического подходов; это позволило выявить особенности геохимического круговорота фосфора в различных ландшафтах чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья.
Автор приносит искреннюю благодарность и выражает глубокую признательность научным руководителям д.г.н. Павлу Валерьяновичу Елпать-евскому и к.г.н. B.C. Аржановой; основным участникам исследований гл. инженеру А.В. Власову, с.н.с. Е.П. Кудрявцевой, к.г.н. В.П. Елпатьевской за предоставленные материалы и ценные советы; а также инженерам-аналитикам лаборатории геохимии ТИГ Т.Н. Луценко, Л.М. Толстовой, Л.В. Богатовой, Г.А. Власовой, Т.Л. Примак, Н.Н. Богдановой за выполнение химико-аналитических работ и консультации.
Особенности геохимии фосфора в хвойной (чернопихтовои) парцелле
Вторая изученная парцелла находится на выположенном низкопорядковом водоразделе, гипсометрически несколько ниже предыдущего и характеризует чернопихтовую парцеллу, где в первом ярусе преобладает пихта цельнолистная (Abies holophylla), единично встречаются сосна кедровая корейская (Pinus koraiensis Siebold et Zucc.j, дуб монгольский (Quer-cus mongolica Fisch. ex Ledeb.j, диморфант семилопастной (Kalopanax sepemlobus (Thunb.) Koidz.j. Сомкнутость I яруса - 0,3-0,5. Во втором ярусе преобладает граб сердцелистный (Carpinus cordata), присутствуют клены \P, (Acer mono Maxim., A. mandshuricum). Травяной покров не сомкнут (проек- тивное покрытие 0,2-0,3); его биомасса составляет 20-40 г/м2. Опада на поверхность почвы поступает меньше, чем в предыдущей парцелле - 200-300 г/м2, но вследствие меньшей скорости разложения хвои, происходит накопление подстилки до 700-900 г/м2; опадо-подстилочный коэффициент 3,5-2,3 (Елпатьевская, Кудрявцева, 1999). Тонкие корни распространены до 40 см, горизонт максимального содержания таких корней (d 2 см) - 5-15 см. (ч Почвенный разрез 105 заложен под перекрывающимися кронами пихт. Буроземы данной парцеллы заметно обеднены гумусом и по классификации ФАО ЮНЕСКО соответствуют Dystric Cambisols (Почвенная карта мира..., 1990). Почвенный профиль имеет следующие морфологические особенности: АО Горизонт рыхлый, состоит из листьев различной степени 5-0 см разложенности; в нижнем подгоризонте отмечено большое количество тонких корней и грибного мицелия. А1 Буровато-темносерый (10YR 2/2), комковато-зернистый 0-8 (10) см (капрогенный), тяжелосуглинистый, рыхлый, пористый; обилие тонких корней; единично встречается щебень (d 2 см). Переход постепенный по цвету; граница волнистая. АВ1 Темнобурый (10YR 3/3), мелкокомковато-зернистый (ка- 8 (10)-15 см ирогенный), тяжелосуглинистый, плотнее верхнего, по ристый; обилие корней до 2 см в диаметре; щебень встре чается единично. Переход заметный по структуре; грани ца слабо волнистая. Blm Серовато-светлобурый (10 YR 4/4), крупно-комковато- 15-35 см зернистой структуры, глинистый, рыхлый, пористый; тонких корней заметно меньше; щебня размером до 2-5 см около 5%, покрыт глинистой и Fe-Mn кутанами. Пере ход заметный по цвету и степени защебненности. В2ш Буровато-желтый (10 YR 4/6), прочной призмовидно- 35-40 (60) см комковато-зернистой структуры, тяжелосуглинистый, слабопористый; тонких корней значительно меньше; за- щебненность - до 40%; щебень слабовыветрелый, покрыт глинистой кутаной. Переход резкий по цвету, степени щебнистости; граница с «карманами» до 20 см. ВСІ Буровато-желтый (7,5 YR 5/8), непрочной блочно- 40 (60)-80 см комковатой структуры, легкосуглинистый, уплотнен, сла бо пористый; щебень отсутствует, отмечены зерна силь- новыветрелой породы (граниты). Переход постепенный по цвету. С1 Желтый (7,5 YR 6/8), слабо выраженной блочной струк- 80-110 см туры, супесчаный, плотный, слабо-пористый. Переход постепенный по степени щебнистости. С2 Темно-желтый, слабовыраженной блочной структуры, 110-150 см супесчаный, слабо пористый; защебненность до 20%; ветрелый щебень с глубиной становится крупнее (10-15 см), присутствуют пылевато-глинистая и Fe-Mn кутаны. В качестве коренных пород выступают граниты и грано-диориты. Гумусовый профиль бурозема этой парцеллы контрастно отличается от профиля бурозема вышеописанной лиановой парцеллы. Маломощный (10 см) темно-бурый гор. А1 содержит 5,7% Сорг. Вниз по профилю идет уменьшение количества гумуса и уже на глубине 30-40 см содержание Сорг составляет менее 1% (табл. 5). Запасы Сорг. в слое 0-20 см составляют 4,6 кг/м , что, возможно, свидетельствует о низких запасах и питательных элементов.
Среди обменных катионов преобладает кальций, но в процентах от суммы поглощенных катионов его меньше, чем в буроземе лиановой парцеллы. Количество поглощенного Mg2"1" увеличивается вниз по профилю, что, видимо, связано с более высоким его содержанием в породе. В горизонтах А1В1 и Blm преобладание обменного А13+ среди поглощенных катионов обуславливает более кислые условия среды. С глубины 60 см четко видны признаки рубефикации, проявляющиеся в наличии красных оттенков - тон 7,5 YR по шкале Манселла, что свидетельствует о более древнем возрасте материала, на котором сформирован профиль (Элементарные почвообразовательные процессы ..., 1992), по сравнению с другими изученными почвами парцелл (Болдескул, 2002в). Характерно, что бурозем данной парцеллы образован на различных по своему гранулометрическому составу продуктах выветривания почвообра-зующих пород. Горизонты А1 и А1В1 не содержат щебня, количество физической глины достигает 50%, ила - 13%. Горизонт Blm имеет в своем составе до 5% сильновыветрелого щебня, покрытого глинистой и Fe-Mn кутанами. В этом горизонте наблюдается максимальное количество физической глины - до 51-53%о. Нижележащий гор. В2т формируется на делювии мелкозернистых гранитов, защебненность его до 40%. Щебень слабее выветрен, глинизирован со всех сторон, Fe-Mn кутана на его поверхности не выражена. Толща горизонтов В2С1 и С1 образована на продуктах выветривания гранодиоритов желтого цвета без щебня, содержание физической глины и ила уменьшается. Горизонт С2 представлен красновато-желтой, супесчаной, в различной степени защебненной толщей.
Особенности геохимии фосфора в хвойно-широколиственной (полидоминантной) парцелле
Хвойно-широколиственная парцелла занимает приводораздельную часть склона южной экспозиции и характеризует трансэлювиальные условия; уклон - 2-5 . По количеству древесных пород, представляющих первый ярус, эту парцеллу можно назвать полидоминантной. Первый ярус древесного полога представлен сосной кедровой корейской (Pinus koraien-sis), пихтой цельнолистной (Abies holophylla), дубом монгольским (Quercus mongolica), диморфантом семилопастным (Kalopanax septemlobus). Во втором ярусе преобладают - граб сердцелистный (Carpinus cordata), береза плосколистная (Betula platyphylla Sukacz.j, клен ложнозибольдов (Acer pseudosieboldianum). Подлесок образован подростом лиственных пород деревьев (клен, дуб, граб), кустарниками: чубушник тонколистный (Philadel-phus tenuifolius Rupr. et Maxim.), калина Саржента (Viburnum sargenti Koe-hnej, элеутероккок колючий (Eleutherococcus senticosus Maxim.,); лианами (Actinidia arguta, A. kolomicta). Напочвенный покров не сомкнут и образован злаками, осоками, разнотравьем, единично встречаются папоротники. Биомасса опада составля-ет 400-570 г/м , из которой 310-450 г/м представлено листовой фракцией. Биомасса подстилки достигает 800-870 г/м .
Опадо-подстилочный коэффициент составляет 1,9-2,8, что свидетельствует о заторможенном биокруговороте (Чертко, 1981). Корни встречаются до глубины 60 см, но горизонтами максимального содержания тонких корней являются АО и Л1 (0-12 см). Почвенный разрез 90 заложен под кронами кедра и пихт. В этих условиях формируются бурые горные лесные почвы со средне-гумусированным профилем и признаками потечного гумуса: АО Горизонт темно-бурый, очень рыхлый, легкий, представлен 4-0 см органическими остатками и минеральной грубогумусной массой; капрогенный, густо переплетен корнями. Переход постепенный по структуре и степени уплотнения. А1 Темно-бурый, хорошо оструктуренный, зернисто- 0-10 см капрогенный, среднесуглинистый, рыхлый; обилие корней; мелкий (2-5 см) щебень единичен, покрыт фрагментарной пленочной кутаной. Переход ясный по структуре; граница неровная. А1ВШ Темно-бурый (чередуются бурые и темно-бурые пятна), хо- 10-20 см рошо оструктуренный, зернисто-комковатый, среднесугли нистый; корней меньше; щебень редкий, покрыт фрагмен тарно пленочной кутаной. Переход заметный по цвету и структуре; граница волнистая. Blh Буроватый (более темные языки чередуются с бурыми), 20-30 см крупно-комковатый, среднесуглинистый, рыхлый; корней заметно меньше; щебень мелкий, выветрелыи, дресьва встречается единично. Переход постепенный по цвету. Blh Ярко-бурый (буро-коричневый), прочной крупно- 30-60 см комковатой структуры, среднесуглинистый, рыхлый; корней мало; обилие дресвы и мелкого сильно выветрелого щебня, крупный щебень (5-10 см) единичен. Переход постепенный по плотности и структуре. В2т Ярко-бурый (буро-коричневый), крупно-комковатый, легко- 60-120 см суглинистый, рыхлый (плотнее выше лежащего); обилие уг ловатого щебня (2-8 см), покрытого фрагментарными пле ночными кутанами, единично встречаются более крупные обломки породы.
Переход постепенный по структуре и мех- составу. ВС Ярко-бурый (буро-коричневый), слабо оструктуренный, 120-200 см легкосуглинистый, плотный; щебень сильно выветрелыи различного размера, покрытый фрагментарными кутанами, встречаются крупные глыбы породы - гранодиориты. Почвенный профиль хвойно-широколиственной парцеллы морфологически слабо дифференцирован. Темно-бурый горизонт А1 сменяется бурым гор. Blh, который постепенно переходит в ярко-бурый гор. ВС. Особенностью является наличие в верхней части профиля пятнистости: чередование бурых и темно-бурых пятен. В горизонтах А1 и А1ВШ щебень встречается единично, с глубиной его количество возрастает и в гор. В2т присутствуют уже крупные обломки породы. Горизонт ВС содержит только сильновыветрелый щебень, покрытый фрагментарными кутанами. Возможно, почвообразующая порода отличается по составу от щебня, включенного в почвенные горизонты. Содержание общего углерода в гор. А1 заметно меньше, чем в буроземе лиановой парцеллы и составляет 6,2% (табл. 7), а ведь именно гумусовые вещества способны придавать почве своеобразную буферность по отношению к влиянию различных факторов среды (Орлов, Гришина, 1981). С глубиной содержание Сорг. снижается постепенно, но уже на глубине 30-60 см (гор. Blh) оказывается менее 1%. Основные запасы Сорг. со-средоточены в слое 0 - 20 см - 4,4 кг/м . Степень насыщенности основаниями высокая по всему профилю: максимальная в гор. А1 (98%) и минимальная в гор. В2т (74%).
Среди обменных катионов в гор. А1 и А1В1 преобладает кальций, в более глубоких горизонтах концентрации обменных кальция и магния практически одинаковые, это говорит о биогенном накоплении кальция в верхних горизонтах. Вниз по профилю наблюдается увеличение активной кислотности (рН уменьшается от 5,8 до 5,3 единиц), но в гор. ВС кислотность снова уменьшается до 5,5 единиц рН. 3.3.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле. Хвойно-широколиственные парцеллы занимают промежуточное положение между широколиственными (лПановыми) и хвойными парцеллами по скорости и интенсивности биокруговорота и по количеству вовле-каемого в круговорот фосфора. Количество опада (390-540 г/м ), поступающего на поверхность почвы, здесь больше, чем в лиановой парцелле, но значительная часть его представлена неактивной фракцией - ветками и хвоей (до 35%), которая обладают низкой зольностью (2,7-5,0%), медленнее разлагается и содержит в своем составе меньшее количество фосфора (0,03-0,04%). На поверхность почвы в составе опада поступает почти столько же фосфора, как и в лиановой парцелле (0,1-0,3 г/м2), несмотря на то что биомасса опада выше. Подстилка содержит значительное количест-во фосфора, в ее составе накапливается 0,75 г/м фосфора. Изучение динамики разложения подстилки и опада позволяет говорить о том, что в течение теплого периода с апреля по август (до начала осеннего листопада) процессы минерализации и деструкции идут достаточно активно. За этот период масса сухого вещества подстилки уменьшается в 1,5 раза, несмотря на дополнительное поступление летнего опада. Запасы фосфора в составе подстилки практически не меняются - уменьшение происходит всего в 1,1 раза.
Это происходит благодаря дополнитель-ному поступлению 0,22-0,29 г/м фосфора с атмосферными осадками, под-кроновыми водами, продуктами жизнедеятельности фауны. Опад и подстилка разлагаются и в течение холодного периода; с октября по апрель запасы сухой биомассы подстилки уменьшаются в 1,4 раза, и запасы фосфора в их составе также уменьшаются в 1,4 раза. Следовательно, в этот период идет постепенное разрушение подстилки и вынос питательных элементов, несмотря на холодную и малоснежную зиму, способствующую промерзанию почвы. Значительная часть фосфора может запасаться в многолетних частях растений. В процессах миграции фосфора в ландшафте, растительность играет главную роль. Миграция фосфора в составе природных вод. Процессы миграции фосфора в составе природных вод в хвойно-широколиственной (полидоминантной) парцелле по количественным параметрам схожи с миграцией в чернопихтовои парцелле. Дождевая вода, прошедшая через древесный полог хвойно-широколиственной парцеллы, «обогащается» фосфором, но значительно меньше, чем в лиановой парцелле, средневзвешенная концентрация фосфора колеблется в пределах 0,03-0,05 мг/л. В наиболее активной водорастворимой форме на поверхность почвы поступает не более 34 мг/м фосфора в год, что в два раза меньше, чем в лиановой парцелле. Поступление фосфора в составе пылевого веще-ства составляет 86 мг/м в год. В течение теплого периода (апрель-ноябрь), почвенные воды выносят из подстилки 88 мг/м
Особенности геохимии фосфора в дубово-грабовой парцелле
Южный склон водораздела (отрог, отходящий от водораздела между Малой и большой Седанками) представляет собой террасированную «лестницу» с крутыми (уклон 20-25) склонами и более пологими участками (уклон 5), шириной 20-50 м. Почвенный разрез 95 заложен на пологой площадке, ближе к тыловому перегибу.
Первый ярус дубово-грабового леса представлен дубом монгольским (Quercas mongolica) и единичными диморфантами (Kalopanax septemlobus). По периферии площадки наблюдаются сосна кедровая корейская (Pinus koraiensis) и пихта цельнолистная (Abies holophylla). Второй ярус образуют: граб сердцелистный (Carpinus cordata), различные виды кленов (Acer psendosieboldianum, A. mandshuricum, A. mono). Отмечается сильная разреженность травяного покрова, нет даже сплошного покрова весенних первоцветов, как в остальных парцеллах. Бедность покрова весенних эфемеров связана, вероятно, с отсутствием весеннего снегового увлажнения почвы, т.к. на большой части площади склона снег испаряется еще в течение зимы. Биомасса опада составляет 330-485 г/м ; вследствие низкой скорости разложения листьев дуба происходит накопление достаточно мощной под-стилки (мощность до 5 см) с биомассой 670 г/м ; опадо-подстилочный коэффициент равен 1,4-2,0; то есть скорость биокруговорота снижена. Корни встречаются до глубины 50 (60) см, но максимальное количество тонких корней располагается на глубине 0-15 см. Под дубово-грабовым лесом формируются бурые горные лесные почвы с высоким содержанием гумуса в верхнем горизонте, но с очень резким его убыванием по профилю: АО Горизонт состоит из листьев дуба, диморфанта, граба, клена, хвои кедра различной степени разложенности, с заметным участием веточного материала; в нижней части расти тельная ветошь скреплена тонкими корнями. А1 Буровато-темносерый, зернисто-капролитовый, тяжелосуглинистый, рыхлый, много мелких углей; корни встречаются обильно; щебень редкий, острогранный, отбеленный с по верхности. Переход постепенный по цвету. А1В1 Темный серо-бурый, капрогенный (преобладают менее гумусированные зерна), тяжелосуглинистый, рыхлый, обильно встречаются мелкие угли; корней много; щебень редкий. Переход постепенный по цвету, граница неровная. Светло-бурый сероватый, зернистый, тяжелосуглинистый, 10(15)-50(65) рыхлый, в нижней части более плотный; корней много, их количество уменьшается с глубиной; защебнен на 10- 15%, щебень острогранный, разно размерный (1-7 см), покрытый глинистой кутаной. Переход четкий по цвету, мех-составу, защебненности; граница неровная. Ржавый с железистым оттенком, структура не выражена, 50(65)-130 см среднесуглинистый, очень влажный, пористый, защебнен на 50-70%; щебень разноразмерный (от 1-5 см в диаметре до обломков 10-20 см), острогранный, нижние и боковые грани обломков отмыты, на верхних плоскостях щебня - кутаны. Переход четкий по степени защебненности. Охристо-бурый, среднесуглинистый, плотный, щебня нет. урозем, сформированный в дубово-грабовой парцелле, имеет слабо кислую реакцию среды в гумусовом горизонте, довольно резко переходя щую с глубиной в сильнокислую (диапазон изменения рН 1,3) (табл. 8). Содержание органического углерода резко падает с глубиной от 11% в гор. А1 (0-5 см) до 0,9% в гор. В1 (25-45 см). Среди поглощенных катионов до глубины 65 см преобладает кальций, степень насыщенности основаниями высокая и изменяется от 99% в гор. А1 до 54% в нижней части гор. В1. С $L глубиной возрастает количество обменного алюминия, в гор. В2 (65-100 см) он преобладает среди обменных катионов. В нижней части горизонта ВС преобладает обменный магний. Содержание валового алюминия и железа возрастает с глубиной от 5,6% до 9,9% и от 2,6% до 6,4% соответственно. 3.4.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле.
При общей биомассе опада в 330-485 г/м , листья дуба, содержащие много дубильных веществ и плохо поддающиеся гумификации и минерализации, составляют 40-45%. В составе опада на поверхность почвы по-ступает 0,15-0,25 г/м фосфора в год, причем большая часть поступает в составе листовой, наиболее активной фракции опада. Отмершие листья дуба обладают более низкой зольностью, по сравнению с листьями кленов, граба, диморфанта, но фосфора в процентах на сухое вещество содержат столько же - 0,04-0,05%. Это свидетельствует о существенном потреблении фосфора дубом. Можно предположить, что существенная часть запаса фосфора содержится в многолетних частях растений. В дубняке происходит накопление подстилки - до 670 г/м фосфора; запасы этого элемента в подстилки в среднем составляют 0,728 г/м2. При изучении сезонной динамики разложения опада и подстилки установлено, что с апреля по июль процессы разложения органического вещества идут активно - запасы сухого вещества уменьшаются в 2 раза, а запасы фосфора - в 1,7 раза. С августа начинается активное поступление «свежего» материала, и биомасса подстилки возрастает. С октября по апрель (холодный период) процессы разложения органического вещества замедлены и по изменению количества биомассы практически не диагностируются. Запасы фосфора в составе органического материала подстилки в этот период остаются также неизменными. Таким образом, дубово-грабовая парцелла запасает значительное количество фосфора в биомассе подстилки, но этот элемент возвращается в биокруговорот медленно, по сравнению с лиано-вой парцеллой. Миграция фосфора в составе природных вод В дубово-грабовой парцелле, так же как и в других парцеллах, атмосферные выпадения претерпевают существенные изменения при прохождении сквозь кроны деревьев. Концентрация фосфора увеличивается, и в результате на поверхность почвы поступает в 3-4 раза больше фосфора (30-37 мг/м2 в год), чем с атмосферными осадками (дожди) на поляне. Основное количество фосфора поступает в составе не растворимого пылевого материала подкроновых вод.
При прохождении вод сквозь почвенную толщу происходит изменение их химического состава. Воды, проходящие сквозь горизонт лесной подстилки, где преобладает грубый гумус, содержат высокие концентрации растворенного фосфора. В течение теплого периода (апрель-ноябрь) сквозь этот горизонт проходит 32 мгР/м2. Гумусо-аккумулятивный горизонт обычно выступает в качестве основного барьера, удерживающего фосфор растворов, но в данной парцелле сквозь гор. А1 проходит 30 мг/м2 фосфора, почти столько же, как и сквозь горизонт подстилки, а через гор. В1 за теплый период просачивается в три раза меньше фосфора - 11 мг/м2; основное связывание растворимого фосфора происходит гидрооксидами Fe и А1. Сильными фиксаторами и сорбентами анионов фосфорной кислоты являются гидрооксиды Fe, Al, Мп, особенно свежеосажденные, которые образуются в почвах (Назаров, 1988). Сквозь горизонт В2 просачивание фосфора минимально - 3 мгР/м2.
Катенарные особенности формирования круговорота фосфора в парцеллах
Почвообразующими породами являются граниты и гранодиориты различной степени выветрелости со средним содержанием фосфора 0,06-0,12% (Беус, 1972). Специфика биокруговорота фосфора в парцеллах, образующих катену, являются следствием интенсивности и скорости биокруговорота веществ в целом. Различие растительных ассоциаций, а главное, эдификаторов, обусловливает не только разную интенсивность круговорота веществ, но и круговорота фосфора, что объясняется различным поступлением этого элемента с опадом. Опад широколиственных пород обладает большей зольностью и содержит в два раза больше фосфора, чем опад хвойных пород. Растительность по катене сменяется постепенно: от преимущественно широколиственного леса на водоразделе в элювиальных условиях до хвой-но-широколиственного леса с травяным покровом из хвоща в нижней части склона в трансаккумулятивных условиях. Различия иногда проявляются только в травяном напочвенном покрове. Парцеллы по типу и скорости биокруговорота можно разделить на две группы: широколиственные (интенсивный биокруговорот) и хвойно-широколиственные (замедленный биокруговорот).
В ясеневых парцеллах опад, в основном, представлен листовым материалом (до 80%). Зольность листового опада составляет 7-9%, содержание фосфора колеблется в пределах 0,03-0,07 % (на сухое вещество). В составе ежегодного опада на поверхность почвы поступает 0,16-0,20 г/м2 фосфора. В подстилке накапливается до 0,5 г/м фосфора; в составе биомассы травя-ного покрова содержится 0,17-0,27 г/м фосфора. В слое 0-10 см корни формируют запасы сухого вещества - 1,3 кг/м , в составе которого накап-ливается до 0,50 г/м фосфора. При отмирании травяного покрова, весь этот фосфор поступает в почву и включается в процессы педогенеза. Растительность данных парцелл вовлекает в биокруговорот значительное количество фосфора - в составе исследованных компонентов био-массы растений накапливается 1,3-1,5 г/м фосфора, что поддерживает высокую продуктивность парцелл в целом. Коэффициент биологического поглощения показывает, что в травяной растительности происходит концентрация фосфора относительно кларка литосферы в 1,2 -1,6 раз. В зеленой биомассе древесных растений фосфор также накапливается, но осенью, перед листопадом, идет отток питательных веществ из фото-синтезирующих органов в запасающие органы и ткани (Крамер, Козловский, 1983). В листовом опаде накопление фосфора не выражено, его содержится в 1,3-2,1 раза меньше, чем в литосфере, и в 0,8-1,3 раза меньше, чем в почвообразующей породе, но в 2,0-3,3 раза больше, чем в верхнем пятисантиметровом слое буроземов.
Изучение динамики разложения опада и подстилки показало, что с апреля по сентябрь запасы подстилки и прошлогоднего опада уменьшаются от 1,5 до 2,5 раз. Ясенево-разнотравная парцелла содержит наибольшее среди всех изученных парцелл количество фосфора в составе органических веществ. Количество мигрирующего вещества в элювиальных и трансэлювиальных местоположениях значительно ниже, чем в аккумулятивных и трансаккумулятивных (Семенов и др., 2002), что относится и к исследуемой катене. Минеральная масса почвы служит геохимическим барьером для фосфора, мигрирующего в составе почвенных вод. Особенности почв находят отражение в запасах валового фосфора и различных его форм. Распределение валового фосфора (Рвал) в метровом профиле почв в некотором приближении повторяет распределение органического углерода и в большинстве парцелл имеет аккумулятивный характер с максимальным содержанием в гор. А1. В ясенево-разнотравной и хвойно-широколиственно-разнотравной парцеллах, сформированных в трансэлювиальных условиях, минимальное содержание Рвал отмечается в гор. B2m, ВЗт на глубине 70-100 см, а ниже по профилю наблюдается относительное увеличение содержания. В ясенево-осоковой и хвойно-широколиственно-хвощовой парцеллах, сформированных в трансаккумулятивных условиях, минимальные содержания Рвал отмечаются в гор. Big и B2g уже на глубине 45-80 см и 35-65 см соответственно, а глубже возможно увеличение содержания (табл. 9-11).
При изучении содержания фосфора в охристом и сизоватом материале горизонта B2g хвойно-широколиственно-хвощовой парцеллы оказалось, что окисленный охристый материал содержит в два раза больше фосфора, чем восстановленный сизый. Причина этого может состоять в том, что окисленные соединения железа более стабильны и могут химически связывать значительные количества фосфора. В буроземах парцелл, расположенных в верхней части катены (лиано-вая, ясеневые), отмечается более высокое содержание фосфора в верхних горизонтах (А1, А1В1) вследствие его биогенной аккумуляции. В буроземах парцелл, расположенных в нижней части катены (хвойно-широколиственные), картина распределения иная, хотя аккумуляция фосфора в гумусовом горизонте также выражена. Высокая скорость минерализации и гумификации органических остатков, преобладание микробного способа разложения объясняет то, что в гумусо-аккумулятивном горизонте буроземов широколиственных (ясеневых) парцелл среди форм фосфора преобладают рыхлосвязанные и орга-носвязанные фосфаты (45-66% от Рвал) (Рис. 13, 14а). В хвойно-широколиственных парцеллах содержание этих форм нахождения фосфора заметно ниже и не превышает 40% даже в гор. А1 (Рис. 146,15).
