Содержание к диссертации
Введение
ПОЧВА И ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ 6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ) 16
Методология изучения почвообразования 16
О генезисе почв южной тайги.
Происхождение текстурной дифференциации профиля 20
Опыт экспериментального изучения почвообразования 26
УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ 40
Лизиметры факультета почвоведения МГУ 40
Влияние городских условий на почвообразование 41
Некоторые показатели биологического круговорота 43
Микробиологические и биохимические свойства почв 47
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 50
Морфологическое строение почв лизиметров 50
Методы исследования 53
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ ЛИЗИМЕТРОВ 56
Органическое вещество 56
Катионообменные свойства и кислотность 61
ГРУППОВОЙ И ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ ГУМУСА 67
ГРУППОВОЙ СОСТАВ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА 73
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ И МИНЕРАЛОГИЯ ИЛИСТОЙ
ФРАКЦИИ 82
О РЕЗУЛЬТАТАХ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ В ЛИЗИМЕТРАХ
(ЗАКЛЮЧЕНИЕ) 90
ВЫВОДЫ 102
ЛИТЕРАТУРА 103
- ПОЧВА И ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ
- Методология изучения почвообразования
- Лизиметры факультета почвоведения МГУ
- Морфологическое строение почв лизиметров
- Органическое вещество
Введение к работе
Изучение сущности почвообразования до настоящего времени остается важнейшей задачей генетического почвоведения. Актуальность подобных исследований обусловлена необходимостью понимания процессов, в ходе которых формируется почва. Это важно для адекватной оценки ее экологических и регуля-торных функций. Понимание закономерностей, по которым развивается почва, нужно для сохранения существующих или восстановления нарушенных ландшафтов. Знание процессов, ведущих к возникновению почвенных свойств, является ключом к проведению комплексного экологического мониторинга, поскольку почва представляет неотъемлемую важнейшую составляющую часть биосферы, как по своему пространственному положению, так и по функциональным связям.
В подобных исследованиях объектами изучения часто являются уже сформировавшиеся почвы, вследствие чего можно говорить только о конечных или промежуточных результатах действия процессов почвообразования. Это определяет гипотетический характер многих выводов, основанных на интерпретации накопленных к настоящему времени данных.
Для окончательного ответа на некоторые вопросы нужны более надежные данные, полученные на основе прямых наблюдений in situ. Однако проводить такие исследования применительно к длительным почвообразующим процессам (горизонтообразующим, профилеобразующим) довольно сложно.
В некоторой мере приближением к познанию почвообразования может стать изучение результатов строго определенных этапов формирования почвы. При этом для однозначной трактовки происходящих в почве изменений необхо- димо знать состояние всех факторов почвообразования за рассматриваемый период.
Нахождение таких объектов в природе оказывается весьма затруднительным. В результате этого значительный интерес представляет воспроизведение почвообразования в условиях модельных экспериментов. Следует заметить, что подобное моделирование может применяться, главным образом, при исследовании начальных стадий почвообразования.
Целью настоящей работы стало изучение ранних стадий почвообразования на рыхлых осадочных породах в контролируемых условиях. Почвообразующей породой является бескарбонатный покровный суглинок. Такие отложения весьма широко распространены на европейской территории России.
Для этого более 30 лет назад на территории Московского университета были заложены лизиметры большого объема, в которых моделируется почвообразование под разными фитоценозами, свойственными подзоне южной тайги. Такие лизиметры представляют благоприятную возможность для исследования почв, прежде всего потому, что практически все факторы почвообразования детерминированы.
Важнейшей задачей в проведении модельного эксперимента является изучение формирования почвы и развития почвообразующих процессов при точно известном времени почвообразования, одинаковых климатических условиях под различными типами растительности. Такая постановка эксперимента позволяет с большой достоверностью рассмотреть в отдельности взаимосвязь растений и почвы, тем более что формирование фитоценозов по времени совпадает с нуль-моментом развития почвы.
Длительность данного лизиметрического эксперимента и его масштабность делают полученные данные поистине уникальными. Кроме исследования формирующихся почв, в течение всего времени проводились наблюдения за параметрами лизиметрического стока, химическим составом воды, а также показателями биологического круговорота модельных экосистем. Такие наблюдения в значительной мере дополняют результаты исследования молодых почв и позволяют всесторонне оценить произошедшие в них изменения.
Помимо теоретического значения, настоящая работа имеет практический интерес. Начальные стадии почвообразования в современном мире тесно связаны с антропогенными нарушениями естественного почвенного покрова. Понимание закономерностей, по которым происходит развитие почвы с момента выхода породы на дневную поверхность, необходимо при восстановлении антропогенно нарушенных территорий (прежде всего при открытой добыче полезных ископаемых), лесовозобновлении. Они позволяют сделать более эффективными рекуль-тивационные мероприятия.
Поскольку изучаемый объект расположен в пределах крупного индустриального города (Москва, Воробьевы горы), результаты настоящего исследования могут дать новую информацию о функционировании почв городских территорий и их роли в городской экосистеме.
Диссертация выполнялась на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения МГУ. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.б.н. проф. А.С. Владыченскому, а также благодарен сотрудникам кафедры за внимание и доброжелательные замечания. Работа выполнялась при финансовой поддержке РФФИ, проект №98-04-48733.
ПОЧВА И ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ
Начиная с классических работ В.В. Докучаева [38] парадигмой генетического почвоведения стало представление о единстве и тесной взаимосвязи всех компонентов природы (а также деятельности человека), их непрерывном развитии в результате внутренних и внешних воздействий. В учении о генезисе почв методологической основой остается представление Докучаева о том, что почвенные свойства формируются в результате изменения исходной почвообразующей породы процессами почвообразования.
По определению А.А. Роде [83] почвообразовательный процесс это совокупность взаимосвязанных почвенных процессов в общем ходе становления, исторического развития и современного почвообразования. В результате этого явления происходит превращение горной породы в почву.
В рамках Докучаеской парадигмы развитие почвы принято выражать в виде формулы «факторы-свойства» или «факторы - процессы - свойства» [25]. При этом анализ факторов почвообразования, приводящих к запуску тех или иных почвообразовательных процессов, оказывается весьма дискуссионным [24, 25, 84].
Наряду с эволюционно-историческим взглядом на генезис почв долгое время весьма широко реализовался актуалистический подход, использующий упрощенную схему «наблюдаемые факторы - современные процессы - свойства», что не может считаться вполне корректным. Отождествление свойств почв с современными почвообразовательными процессами, как и использование в генетических построениях метода сравнительно-горизонтального анализа, возможно только в том случае, когда развитие почвы происходило по законам простой генетической модели [93]. Такая модель подразумевает формирование почвенного профиля из материала подстилающей породы, неизменность факторов почвообразования и почвообразовательных процессов во время развития профиля, и, наконец, отсутствие денудации и седиментогенеза.
В действительности, большинство существующих почв являются полиге-нетичными. В результате этого, один почвенный профиль может пережить несколько периодов саморазвития и квазиравновесного состояния с факторами среды, что реализуется в виде сложного сочетания палеоклимаксных свойств и результатов последнего периода саморазвития [90, 93, 99].
Исследования А.Л. Александровского [3] показали, что формирование почвенного покрова Русской равнины происходило в меняющейся обстановке. Основная часть почв имеет голоценовый возраст (около 10000 лет). Помимо смены трендов почвообразования претерпевали изменения климатические, биоклиматические, гидрологические условия, а начиная с 1 (2) тыс. лет назад идет период антропогенной эволюции. В результате, в развитии современных почв можно выделить следующие основные типы эволюции: неконтрастные и контрастные (криотурбационно-глеевый, торфяно-глеевый, деградационный, проградационный и техногенный аккумулятивно-турбационный).
Таким образом, в строении профиля находят отражение как современные условия почвообразования, так и признаки, возникшие в результате действия былых факторов почвообразования, что привело к созданию концепции о почве, как интегральном результате взаимодействия компонентов природы - зеркале и памяти ландшафта [99].
В условиях стабильной среды результатом почвообразовательного процесса должно стать образование «климаксной» почвы, т.е. почвы, находящейся в равновесии с окружающей средой [Таргульян, 1982]. Климаксная, или конечно-зрелая почва, есть константа, чаще теоретическая, реже эмпирически изучаемая, для каждого данного стабильного сочетания факторов почвообразования, в случае существования этого сочетания неограниченное время. В связи с этим вводится понятие о почвообразующем потенциале климата и биоты (ПКБ) [98]. ПКБ - это теоретически мыслимая способность данного стабильного сочетания климата и биоты через процессы выветривания и почвообразования максимально полно и глубоко преобразовать данную материнскую породу (в определенных условиях рельефа) в климаксное почвенное тело за неограниченное время действия.
Степень реализации любого ПКБ в почве зависит от степени термодинамической неуравновешенности исходной породы со средой, скоростей ЭПП, времени формирования данной почвы и степени обновления массы субстрата, вовлекаемого в почвообразование, т.е. от тренда педолитогенеза [98]. Развитие почвы до климаксного состояния возможно при автохтонном тренде педолитогенеза, когда скорость аккумуляции или денудации твердого материала на поверхности почвы много меньше скоростей почвообразования и выветривания; реализация ПКБ идет при фиксированном объеме и конечном запасе веществ, почва «растет» вглубь породы.
Методология изучения почвообразования
Утверждение, что почвоведение представляет собой русскую науку, не является преувеличением - писал Ф. Дюшофур в предисловии к «Основам почвоведения» [39], Действительно, докучаевский подход к познанию почв принципиально отличался от господствующих в то время взглядов на почвы только как на объект сельскохозяйственной деятельности. Впоследствии почвоведение заметно расширило спектр изучаемых проблем, при этом ключом к их решению всегда оставался генетический подход.
Познание внутреннего существа почвообразовательного процесса, по мнению А.А. Роде [83], есть главная задача генетического почвоведения. Основными источниками информации при изучении почв являются:
1) изучение вещественного состава почвенных тел;
2) изучение закономерностей распределения почв, сопряженное с факторами и условиями почвообразования;
3) непосредственное изучение почвообразовательных процессов и их сочетаний;
4) моделирование почвообразовательных процессов в лабораторных и полевых опытах.
Эти направления определяют методологические особенности проводимых в почвоведении исследований. В основе настоящей работы лежит последний из вышеперечисленных подходов к изучению почвообразования, а именно его моделирование.
Модели, реализуемые в почвоведении, имеют разные характеристики и используются для различных систем [87, 114, 117, 118]. На самом высоком уровне применяемые в почвоведении модели делятся на реальные (натурные, аналоговые) и идеальные (знаковые). Последние, в свою очередь, представлены концептуальными моделями (вербальные, графические) и математическими моделями.
Под моделированием почвенных процессов понимается искусственное экспериментальное воспроизведение различных явлений и процессов, совершающихся или таких, которые предполагаются совершающимися в почвах, - в обстановке контролируемого эксперимента [83]. Наиболее простым оказывается моделирование быстротекущих процессов.
Сложность экспериментального изучения формирования зрелых почв и почвенного покрова не раз отмечалась в литературе [22, 62, 101]. Трудности изучения педогенеза связаны с огромной сложностью объектов исследования; их многофазностью, многофакторностью, многопроцессностью, большой длительностью формирования, осложняющейся полигенетичностью. Все это делает невозможным, или, по крайней мере, сейчас нереалистичным полное экспериментальное воспроизведение современных почв и почвенных покровов в контролируемых условиях от нуль-момента до зрелого состояния [101].
Для решения некоторых генетических задач было введено понятие экологического пространства [89]. Под этим понимается многомерное пространство, в котором в качестве координат выступают факторы почвообразования. Его сужение его до экологического поля (плоскость в экологическом пространстве, образованная двумя факторными координатами) и экологического ареала (часть экологического поля, занятая интересующим нас объектом) позволяют исследователю рассматривать интересующие его факторы почвообразования в отдельности.
Говоря о трудностях изучения почвообразования, связанных с большой длительностью некоторых процессов, следует иметь в виду, что индивидуальные свойства почв требуют разного времени для своего проявления, т.е. имеют разные частные периоды саморазвития (характерные времена) [99].
В общем виде, для саморегулирующихся систем характерным временем называется отрезок времени, в течение которого в основном осуществляется процесс перехода системы в равновесное или квазиравновесное состояние, если эта система была выведена из него или возникла вновь [6]. Для более плодотворного экспериментального изучения, компоненты географической среды могут быть расчленены на ряд самостоятельных объектов, отличающихся характерными временами образующих и изменяющих их процессов. Это свойство природных явлений разделяться на ряд простых явлений по характерному времени при их динамическом моделировании выступает как ограничение: в качестве основного объекта моделирования должны быть выбраны процессы в одном узком диапазоне характерных времен.
Таким образом, при моделировании почвообразования мы можем рассчитывать только на воспроизведение наиболее быстрых почвообразовательных процессов, таких как, например, формирование органопрофиля, оструктуривание почвенной массы, образование глеевых горизонтов, первые результаты проявления элювиальных процессов.
Экспериментальное изучение почвообразования за более длительный период времени возможно при использовании своеобразных моделей, таких как хроно-, топоряды, исторические памятники (земляные сооружения и насыпи), участки с антропогенными нарушениями почвенного покрова, где начался новый цикл почвообразования. Однако такие модели мало вскрывают механизм педогенеза, хотя и дают богатый материал для изучения эволюции почв в любые геологически соизмеримые промежутки времени [22, 101]. В связи с этим следует остановиться на принципе дополнительности, из которого следуют некоторые ограничения, присущие моделированию почвообразования [6]. Принцип дополнительности, впервые вьщвинутый Н. Бором, в общем виде утверждает, что любое достаточно детальное исследование ограничено парами понятий, принципиально неточно определяемых, и соответствующих им параметров, принципиально неточно измеряемых. Достижимая степень точности в каждом случае определяется конкретными условиями эксперимента, но предполагается, что для каждой пары всегда существует совокупная неопределенность, уменьшить которую принципиально не может никакой эксперимент. Очевидный смысл принципа неопределенности состоит в том, что любое исследование природных процессов связано с невольным и неизбежным вмешательством в ход процесса, искажающим его естественное течение. Как показал Marchand (цит. по Арманд, Таргульян, 1974) при моделировании географических объектов точность информации приходит в противоречие с полнотой, эти два понятия сами по себе выступают как дополнительные. Увеличивая число характеристик, вводимых в модель, исследователь получает возможность все более и более точно воспроизвести особенности некоторого природного явления. При этом охват явлений пропорционально сужается, вплоть до одного уникального события. Обратно, упрощение модели делает ее более универсальной, но увеличивает неопределенность получаемых с ее помощью решений.
Таким образом, стремление детально изучить механизм всех стадий почвообразовательного процесса вряд ли может увенчаться успехом. Исследователю необходимо ограничиться выбором степени желаемой детализации, соответствующей определенным стадиям процесса. Как правило, это не очень длительный срок, ограничивающийся несколькими десятилетиями. При проведении экспериментов по моделированию почвообразования особый интерес представляет сравнение свойств формирующихся молодых почв со зрелыми зональными почвами данной территории. Сложившиеся представления о генезисе последних играют определенную роль в оценке и интерпретации начальных стадий почвообразования. С этим, пожалуй, можно сравнить своего рода эксперимент, предложенный В.О. Таргульяном с соавт. [101], суть которого сводится к геграфо-генетическому предсказанию и последующей верификации почвенного профиля для ранее неисследованной территории.
С учетом сказанного, в рамках настоящей работы следует остановиться на вопросах генезиса дерново-подзолистых почв южной тайги, с которыми так или иначе будут сопоставляться почвы, сформировавшиеся в лизиметрах.
Лизиметры факультета почвоведения МГУ
В 1965 г, на территории Московского университета закончилось строительство открытых лизиметры большого объема (3x3x2 м). Всего было заложено 20 лизиметров [14]. Внутренние стенки и днища бункеров лизиметров выполнены из железобетонного каркаса, оштукатуренного цементом и покрытого кислотоупорной плиткой. Дно имеет полого-коническую форму для облегчения лизиметрического стока. В лизиметрах создан дренажный слой, состоящий из слоев кварцевого песка и более крупных обломков кварца. В днище лизиметров сделано отверстие в виде воронки, нижний конец которой переходит в трубку, ведущую в подземную галерею, где расположены приемники для сбора лизиметрических вод.
Бункеры лизиметров засыпаны бескарбонатным покровным суглинком, взятым из карьера в Подольском р-не Московской обл. с глубины 130-280 см. Он имел желтовато-бурую окраску и среднесуглинистый гранулометрический состав. В течение двух лет происходила усадка и уплотнение суглинка, для приобретения им равномерного сложения.
В 1967 г. в лизиметрах были созданы модельные фитоценозы. При составлении плана использования лизиметров принимался во внимание характер экосистем, распространенных в южной тайге. В связи с этим по четыре бункера заняли под посадки ели, смешанные насаждения (ель, дуб, клен) и широколиственные породы (дуб, клен). Луговая растительность также занимает четыре бункера. Два контрольных лизиметра поддерживаются в состоянии чистого пара и еще два лизиметра засеяны культурами, входящими в полевой девятипольный севооборот (рис.2).
Морфологическое строение почв лизиметров
Морфологическая диагностика начальных стадий почвообразования тесным образом связана с формированием органопрофиля. Изменение первоначальной окраски почвообразующей породы в результате аккумуляции органического вещества приводит к образованию профиля, морфологически разделяющегося на горизонты А-С (АС-С).
Прокраска минеральной массы суглинка органическим веществом начала проявляться к середине второго десятилетия с момента закладки лизиметрического эксперимента. Ко времени достижения почвами двадцатилетнего возраста сформировались органогенные горизонты [27]. В лизиметрах под лесными фито-ценозами выделился самостоятельный горизонт подстилки. Под елью он разделялся по степени разложенности на два подгоризонта L (0-1 см), почти весь объем которого составлял хвойный опад, и Н (1-2 см) - черный мажущийся слой гуму-сированной массы с минеральными примесями. Под смешанными породами деревьев обособился тонкий слой подстилки, частично пронизанный гифами грибов. Под широколиственными деревьями выделялся подгоризонт подстилки L (0-1 см), состоящий из побуревших листьев дуба, клена, веток, частично покрытый мхом; подгоризонт Н (1-2 см) - темно-серая, почти черная мажущаяся масса. Ниже горизонтов подстилки во всех вариантах опыта с древесными породами лежал неизмененный почвообразованием суглинок. Под многолетними травами сформировался гумусоаккумулятивный горизонт А 0-3 см — темно-серый суглинок.
Следующее детальное изучение свойств почв лизиметров было проведено нами спустя еще десять лет (т.е. через 30 лет с начала почвообразования). Совре -51 менный внешний вид молодых почв показан на рис.6.
За 30 лет под модельными фитоценозами сформировались маломощные почвенные профили. Изучение их морфологического строения показало, что они более развиты и дифференцированы по сравнению с результатами предыдущих исследований (т.е. имеют место как количественные, так и качественные изменения).
В почвах, развивающихся под лесными фитоценозами, под подстилкой сформировался самостоятельный минеральный горизонт гумусонакопления. В почве под луговым фитоценозом оформился дерновый горизонт, переплетенный корнями злаков.
Почвы, развивающиеся под еловым и смешанным лесом, практически не различаются по морфологическому строению. В их профиле четко выделяются горизонт подстилки (0-3 см), состоящий из хвои, и минеральный гумусоаккуму-лятивный горизонт А (3-6 см) - серый суглинок с остатками слаборазложенного органического вещества.
Профиль почвы, формирующейся под широколиственными деревьями, делится на горизонт подстилки (0-1 см), состоящий главным образом из листьев дуба, клена и минеральный горизонт А (1-5 см) - серый суглинок, переплетенный корнями травянистой растительности развивающейся в нижнем ярусе. Переход между подстилкой и минеральным гумусоаккумулятивным горизонтов резкий.
Под многолетними травами сформировался дерновый горизонт Ad (0-5 см), серый, переплетенный корнями злаков. Ниже его встречаются серые затеки органического вещества по ходам корней на желтовато-буром фоне суглинка.
Органическое вещество
Важная роль органического вещества в генезисе почв определяет необходимость изучения процессов его трансформации. Растительные остатки являются основным источником гумуса почв. В условиях данного лизиметрического эксперимента предоставляется возможность при прочих равных условиях оценить влияние различных фитоценозов на почвообразование. Под этим мы понимаем качественный состав опада, а так же средообразующую роль растительных сообществ, выражающуюся в перераспределении факторов почвообразования (солнечная радиация, осадки), создании особых микроклиматических условий, влиянии на почвенную структуру, микробиологическую активность и др.
Первым шагом в исследовании гумусового состояния почвы является определение содержания органического вещества в почве. Этот показатель дает общее представление о трансформации растительных остатков, равновесии процессов гумификации-минерализации органического вещества. Содержание органического вещества во многом определяет свойства молодых почв, их дифференциацию по морфологическим, химическим и физическим показателям. Это обусловливает степень подробности, с которой будет рассмотрен данный показатель во взаимосвязи с контролирующими его факторами (поступление и разложение органических остатков).
Содержание органического вещества в почвах лизиметров показано в табл.2. Максимальные значения свойственны почвам под широколиственными деревьями (6,15% углерода в гумусоаккумулятивном горизонте). На поверхность этих лизиметров поступает большое количество легкогумифицируемого опада: листья деревьев и остатки разнотравной растительности, развивающейся в нижнем ярусе. Разложение опада широколиственных пород происходит довольно быстро, однако при этом в горизонте гумусонакопления накапливаются органические остатки средней степени разложенности, что определяет столь высокое содержание органического вещества.
Следует заметить, что за последние десять лет количество органического вещества в этих почвах значительно увеличилось. По данным 1989 г. (табл.3) содержание органического углерода здесь было в 5 раз меньше (1,10%). По-видимому, причиной этого стало увеличение биомассы и величины опада данных фитоценозов.
