Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Кислотность и катионообменные свойства почв 8
1.1. Понятия, показатели и способы оценки почвенной кислотности 8
Актуальная кислотность 9
Потенциальная кислотность 10
Понятия, показатели и способы оценки катионообменных свойств почв 13
Кислотность и катионообменные свойства почв лесных экосистем таежной зоны 17
Подзолы 19
Подзолистые почвы 19
Дерново-подзолистые почвы 22
Бурые лесные почвы 25
Дерново-карбонатные почвы (парарендзины) 28
Дерново-подзолистые слабодифференцированные почвы 28
1.4. Влияние кислотности и обменных катионов на растительность
Влияние обменного водорода 31
Влияние обменного алюминия 34
Влияние обменных оснований 36
Древесная растительность 36
Наземный покров 38
1.5. Мониторинг кислотности и катионообменных свойств почв 39
1.5.1. Необходимость системного подхода 39
Кислотность и катионообменные свойства как показатели почвенного мониторинга 42
Оценка пространственного варьирования свойств в лесных экосистемах 43
Оценка устойчивости почв лесных экосистем по отношению к кислотным осадкам 44
Глава 2. Объекты и методы исследований 48
2.1. Природные условия формирования почв НПП «Русский Север»
(Вологодская область) 48
Климат 49
Рельеф и геология 49
Почвообразующие породы 52
Почвенный покров 53
Растительность 5 3
Объекты исследований НПП «Русский Север» 54
Природные условия формирования почв НП «Смоленское Поозерье» (Смоленская область) 64
Климат 64
Рельеф и геология 66
Почвообразующие породы 67
Почвенный покров 67
Растительность 68
Объекты исследований НП «Смоленское Поозерье» 69
Методы исследований 80
Полевые методы 80
Лабораторные методы 80
2.6. Математическая обработка результатов 85
Глава 3. Современное состояние почв НПП «Русский Север» 88
Гранулометрический состав 88
Валовой состав 90
Содержание органического вещества 92
Кислотность почв (рН водной и солевой суспензий, обменная и гидролитическая кислотность) 94
Катионообменные свойства (содержание обменных оснований, ЕКОст> ЕКОэфф, ЕКОт степень насыщенности основаниями) 100
3.5.1. Содержание обменных оснований и степень
насыщенности 100
3.5.2. Емкость катионного обмена 104
3. б. Варьирование свойств почв 107
3.7. Оценка состояния почв и их устойчивости по отношению к
атмосферным кислотным выпадениям 109
Современное состояние почв 109
Содержание и запасы карбонатов в почвах 116
Запасы обменных оснований в почвах 117
Оценка устойчивости почв по отношению к атмосферным кислотным выпадениям 118
Глава 4. Современное состояние почв НП «Смоленское Поозерье» 119
Гранулометрический состав 119
Валовой состав 119
Содержание органического вещества 121
Кислотность почв (рН водной и солевой суспензий, обменная и гидролитическая кислотность) 125
Катионообменные свойства (содержание обменных оснований, ЕКОст, ЕКОэфф, ЕКО„) 127
Содержание обменных оснований и степень насыщенности 127
Емкость катионного обмена 130
Варьирование свойств почв 133
Оценка состояния почв и их устойчивости по отношению к атмосферным кислотным выпадениям 136
Современное состояние почв 136
Запасы обменных оснований в почвах 136
4.7.3. Оценка устойчивости почв по отношению к атмосферным
кислотным выпадениям 144
4.8. Сравнительный анализ состояния почв лесных экосистем НПП
«Русский Север» и НП «Смоленское Поозерье» 144
Гранулометрический состав 145
Валовой состав почв 145
Содержание органического вещества 146
Кислотность почв 146
Катионообменные свойства 147
Варьирование свойств почв 149
Запасы обменных оснований в почвах 150
Сравнительный анализ устойчивости почв парков по отношению к атмосферным кислотным выпадениям 150
Глава 5. Взаимосвязь свойств почв и растительности 151
5.1. Анализ взаимосвязи свойств почв и растительности в НПП
«Русский Север» 155
Анализ взаимосвязи свойств почв и растительности в НП «Смоленское Поозерье» 157
Сравнительный анализ взаимосвязи почв и растительности в лесных экосистемах таежной зоны. 158
Выводы 162
Литература 164
Введение к работе
Среди многообразия почвенных свойств решающую роль в
обеспечении плодородия лесных почв в регионах с гумидным климатом,
где преобладают природно-кислые почвы, играют кислотность и
содержание обменных оснований (Кислотные осадки..., 1999). Г. Каппен
(1934) отмечал, что большинство расположенных в условиях промывного
водного режима и лесной зоне почв являются кислыми ненасыщенными
или имеют четкую тенденцию к подкислению: «Вообще не существует в
условиях влажного климата почв, полностью насыщенных основаниями,
которые не могут связывать новые количества оснований».
Катионообменная способность является одним из фундаментальных
свойств почв. От состава обменных катионов зависят физические свойства
(пептизируемость, агрегированность, набухание, липкость,
гигроскопичность), образование органоминеральных соединений, буферность почв (Ремезов, 1952; Гедройц, 1975; Курачев, 1991; Пинский, 1997).
Традиционное внимание к проблеме кислотности почв обусловлено, прежде всего, неблагоприятным влиянием кислой реакции среды на растения (Ганжа, 1941; Иванов, 1970; Копцик и др., 1998; Кислотные осадки..., 1999). Состав и содержание обменных катионов во многом определяют условия минерального питания растений. В свою очередь растительный покров оказывает существенное влияние на кислотность и содержание обменных оснований, обусловливая их величину, пространственное и временное варьирование в верхних горизонтах почв (Зонн, 1954, 1995; Карпачевский, 1977, 1981; Кислотные осадки..., 1999; Соколова и др., 2001). В последние десятилетия проблема кислых атмосферных осадков вновь привлекла внимание к изучению почвенной кислотности как к ключевому фактору негативного воздействия на наземные и водные экосистемы (Копцик и др., 1998; Кислотные осадки..., 1999; Соколова и др., 2001; Steinnes et al., 1993; Nilsson, Tyler, 1995). В связи с многообразием естественных факторов, контролирующих почвенную кислотность, важнейшей задачей в этой области должно быть выделение определяющих факторов. Многочисленные исследования по влиянию кислых осадков на почвы и растительность лесных экосистем не разрешили этой задачи частично в связи с ее сложностью и недостатком данных по сопоставимым лесным экосистемам в фоновых и подверженных кислотным выпадениям районах (Кислотные осадки... 1999; Соколова и др., 2001; Runge, Rode, 1990; Nygaard, Abrahamsen, 1991).
Для выявления естественных закономерностей и взаимосвязей в
лесных экосистемах необходимо прежде всего детально исследовать
состояние почв и сопряженных с ними фитоценозов в сравнительно
чистых, фоновых районах (Карпачевский и др., 1998, Оценка и
сохранение..., 2000; Регуляторная роль... , 2002). Именно целинные и
слабоизмененные почвенные тела наиболее успешно выполняют
экологические функции. Устойчивость почв обусловлена их
способностью сохранять, поддерживать и восстанавливать структуру и функционирование (Добровольский, Гришина, 1985; Глазовская, 1990; Мотузова, 2000; Демаков, 2000), при этом она способствует эффективному восстановлению зональных экосистем вплоть до климаксного состояния (Добровольский, Никитин, 2000). Поэтому первоочередного внимания требуют почвы особо охраняемых территорий, имеющих важное природоохранное, научное, рекреационное и оздоровительное значение (Мартынов, Моисеев, 1996; Регуляторная роль..., 2002). Однако сейчас крайне трудно найти неизмененные почвы благодаря сложной истории развития лесного землепользования (Лесное хозяйство..., 1991; Фактор биоразнообразия..., 2002). Анализ окультуривания основных типов почв европейской территории России показывает, что наибольшему антропогенному влиянию подверглись дерново-подзолистые и серые лесные почвы (Снакин и др., 1997; Оценка и сохранение..., 2000).
С этой точки зрения большой интерес представляют почвы средней и южной тайги, в частности, Национального природного парка (НІ 111) «Русский Север» (Вологодская область) и Национального парка (НП) «Смоленское Поозерье» (Смоленская область). Несмотря на давность освоения этих территорий, почвенный покров парков практически не изучен. Сведения о пространственной изменчивости свойств почв в зависимости от характера растительности и почвообразующих пород малочисленны, а в пределах экосистем - отсутствуют. В последние годы здесь наблюдаются повышенные выпадения кислотообразующих соединений серы и азота из атмосферы за счет трансграничного переноса (Кислотные дожди, 1989).
Инструментом для исследования был выбран мониторинг почв, который является составной частью экологического мониторинга и направлен на своевременное выявление изменений состояния почв, их оценку, предупреждение и устранение последствий негативных процессов (Добровольский, Гришина, 1985; Мотузова, 1988, 2001; Гришина и др., 1991; Копцик и др., 1998). Практическая организация почвенного мониторинга в нашей стране отстает от научных разработок и до сих пор в
должной мере не решена (Гришина и др., 1991; Мотузова, 2001; Регуляторная роль..., 2002).
Актуальность работы - Кислотность и содержание обменных оснований играют решающую роль в формировании плодородия лесных почв в регионах с гумидным климатом, где преобладают природно-кислые почвы. В последние годы интерес к проблеме почвенной кислотности усилился в связи с ростом антропогенного загрязнения окружающей среды. Необходима оценка кислотности и катионообменных свойств как наиболее информативных показателей химического состояния почв, влияющих на направленность почвообразовательных процессов, устойчивость почв и поддержание разнообразия растительных сообществ.
Цель работы - исследование кислотности и катионообменных свойств широкого ряда почв лесных экосистем в зависимости от биологического и литологического факторов и анализ роли почв в формировании разнообразия видового состава растительных сообществ.
Задачи работы
Характеристика и сравнительный анализ кислотности и катионообменных свойств основных типов почв лесных экосистем таежной зоны, сформированных на различных почвообразующих породах под разной растительностью.
Оценка пространственного варьирования показателей кислотности и катионообменных свойств почв внутри экосистем.
Оценка современного состояния и потенциальной устойчивости почв к антропогенному подкислению на основании их кислотности и катионообменных свойств.
Выявление взаимосвязей между почвенными свойствами и разнообразием растительных сообществ.
Научная новизна. Несмотря на давность изучения почв подзолистого ряда литературные сведения по их кислотности и катионообменным свойствам в лесных экосистемах обычно неполны и разрозненны. Экспериментальные данные для других типов почв сравнительно малочисленны. Впервые на основе единых методических подходов дана детальная характеристика кислотности и катионообменных свойств широкого ряда почв лесных экосистем таежной зоны. Оценено пространственное варьирование свойств почв внутри лесных экосистем. Охарактеризованы катионообменные свойства лесных подстилок, ранее мало исследованные. Впервые для территорий национальных парков изучены основные типы лесных почв, оценено их современное состояние и
устойчивость к атмосферным кислотным выпадениям. Проведен количественный анализ взаимосвязей разнообразия фитоценозов и свойств почв с применением современных многомерных статистических методов (метод главных компонент).
Практическая значимость. Детальная характеристика кислотности и катионообменной способности послужит основой для дальнейшего мониторинга почв как части экологического мониторинга лесных экосистем национальных парков. Полученные результаты и выводы могут быть использованы при прогнозировании эволюции почв, позволят оценить особенности реакции различных типов почв и экосистем в целом на антропогенную нагрузку, а также выбрать меры для поддержания разнообразия почв и фитоценозов и сохранения структурно-функциональной организации экосистем. Некоторые исследованные типы почв могут послужить примером эталонных (иллювиально-железистые подзолы, подзолистые) или редких (дерново-карбонатные, бурые лесные).
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю старшему научному сотруднику Г.Н. Копцик за руководство при выполнении диссертационной работы. Автор благодарен сотрудникам кафедры общего почвоведения и кафедры химии почв, особенно профессору Л.А. Воробьевой за консультации, ценные советы и замечания; и сотрудникам кафедры геоботаники Биологического факультета МГУ доценту Н.А. Березиной и старшему научному сотруднику М.Г. Вахрамеевой за огромную помощь в ботанических исследованиях. Автор выражает искреннюю благодарность старшему научному сотруднику Физического факультета МГУ СВ. Копцику за проведение многопараметрического анализа и помощь при статистической обработке результатов. Работа была выполнена при поддержке фондов РФФИ, «Интеграция» и Фонда по поддержанию биологического разнообразия. Автор благодарен руководству национальных парков за большую поддержку при проведении экспедиционных работ, особенно А.Д. Лобановой и Г.Л. Косенкову, сотрудникам парка «Смоленское Поозерье».
Работа была выполнена при поддержке РФФИ (№ 02-04-49047; 05-04-48460, MAC № 03-04-06699), РФФИ-NWO (047.014.002) и Глобального Экологического Фонда по биоразнообразию.
