География и геология /6. Почвоведение

 

Д.б.н. Винокурова Р.И., к.б.н. Лобанова О.В., к.с-х. н. Туев А.С.

 

Марийский государственный технический университет

 

Эколого-почвенные условия произрастания и  продуктивность елово-пихтовых лесов Республики Марий Эл

 

Одним из важных вопросов экологического нормирования является выбор параметров описания экосистем. В литературе имеются достаточно полные списки переменных для лесных, травяных и тундровых экосистем, разнесенные по ярусам и функциональным блокам [1]. В опубликованных списках переменных для целей экологического нормирования отсутствуют показатели вариабельности элементного состава системы почва-растение, определяющих общую продуктивность растений и их фракционных частей. Между тем сведения об изменчивости физико-химических свойств и элементного состава почвы, продуктивности организмов древесного яруса, внеярусной растительности, живого напочвенного покрова позволяют углубить представления о закономерностях формирования растительных организмов, биогеохимических потоков, служить отправными точками при организации экологического мониторинга на территориях [2]. Научной основой повышения продуктивности биогеоценозов является изучение сущности процессов, протекающих в них при образовании продукции, знание структуры и функций биогеоценозов, умение управлять механизмами создания органического вещества в разных экологических условиях.

В настоящее время большое внимание уделяется изучению процесса формирования биомассы лесных фитоценозов, продуктивности фотосинтезирующего аппарата, а также постоянно меняющемуся соотношению масс отдельных частей фитоценоза. Процесс формирования биомассы в лесных насаждениях зависит в основном от почвенно-экологических условий произрастания фитоценоза. Техногенное загрязнение окружающей среды отрицательно сказывается на многих физиологических процессах растений. Степень нарушения обменных и ростовых процессов, а, следовательно, и повреждения растений токсическими соединениями находятся в зависимости от сочетания экологических условий, в том числе и обеспеченности элементами минерального питания.

Ранее проведенные нами исследования [3] показали, что елово-пихтовые леса Республики Марий Эл произрастают в достаточно благоприятных экологических условиях, на плодородных почвах и характеризуются высоким классом бонитета. Для выявления закономерностей изменения фракционной структуры фитомассы и биологической продуктивности  елово-пихтовых лесов Республики Марий Эл от физико-химических свойств почв был произведен учет фитомассы и изучены почвенные разрезы на четырех пробных площадях, заложенных в средневозрастных елово-пихтовых насаждениях Мари-Турекского, Советского, Новоторьяльского и Оршанского лесхозах Республики Марий Эл. Лесоводственно-таксационная характеристика древостоев пробных площадей приведена в таблице 1.

Таблица 1 Лесоводственно – таксационная характеристика древостоев

пробных площадей (ПП)

№ ПП

Лесхоз,

лесничество, квартал, выдел

Состав древостоя

Класс

бонитета

балл

Отн.

 полнота

Аср, лет

Нср, м

Dср, см

Общий запас, м3/га

ТЛУ

1

Мари-Турекский, Косолаповское,

кв.31, выд. 15

6Е4Пх

едБ,Лп

I / 35

0,70

60

22,4

21,2

403

Д2

2

Оршанский, Оршанское,

кв.47, выд. 7

6Е4Пх

едБ,Ос

II / 30

0,67

70

19,7

20,2

322

Д2-3

3

Советский,

Советское,

кв. 104, выд. 37

5Е3Пх2Б

едОс

I / 30

0,73

60

20,2

20,3

363

Д2

4

Новоторьяльский,

Новоторьяльское,

кв.32, выд. 1

6Пх4Е

едБ,С

II / 31

0,68

70

19,9

21,5

330

Д2-3

 

Учет фитомассы проводили, руководствуясь методикой, разработанной под руководством Л.Е. Родина, Н.П. Ремезова и Н.И. Базилевич [4] (табл. 2). Елово-пихтовые фитоценозы Республики Марий Эл формируются, как правило, на богатых коричнево-бурых лесных почвах, которые делятся на коричнево-бурые лесные типичные, коричнево-бурые лесные лессивированные и коричнево-бурые лесные псевдоподзолистые.

Таблица 2 Фракционная структура фитомассы (ц/га) в абсолютно сухом состоянии

№ ПП

Древостой
Надземная часть фитоценоза

лист/хвоя

корни

общая надземная масса

общая масса

годичный прирост

зеленая часть

1

231

477

2567

2587

123

249

2

134

277

1465

1476

76

141

3

92

322

1313

1337

114

107

4

100

249

1310

1337

80

123

 

Преобладающими являются почвы лессивированного ряда, характеризующиеся следующими морфологическими особенностями. Гумусовый горизонт коричнево-бурый, коричнево-темнобурый, мощность его 7-12 см. В нижней части горизонта заметна белесоватость. Структура порошисто-зернистая. Иллювиальный горизонт коричнево-бурого цвета, комковато-ореховатой или комковато-призматической структуры, иногда с гумусовыми натеками. Глубина вскипания сильно варьирует, часто вскипание в пределах почвенного профиля не обнаруживается.

Морфологическое описание коричнево-бурой лесной лессивированной почвы, приведено на примере почвы, которая сформировалась под ельником липовым кислично-снытьевым в квартале 31 Косолаповского лесничества Мари-Турекского лесхоза (ПП 3):

А0 0-3(5) см. Лесная подстилка, коричнево-бурая, двухслойная, типа модер-муль, свежая, переплетенная гифами грибов. Состоит из опада хвои, веточек, коры, шишек, листьев. Переход заметный.

А1 4-15 см. Коричнево-темносерый, порошисто-зернистый, рыхлый, сильно переплетен корнями растений, легкоглинистый, свежий. Переход заметный по окраске.

А1А2l 15-23 см. Буровато-серый, слоевато-комковатый, плотноватый, имеются корни, много гумусово-железистых конкреций, тяжелосуглинистый, свежий. Переход постепенный по окраске.

А2lВ 23-31 см. Серовато-бурый, слоевато-ореховатый, уплотненный, имеются корни, среднесуглинистый, свежий. Переход постепенный по окраске.

В1 31-53 см. Бурый, ореховатый, плотный, имеются корни, среднесуглинистый, свежий. Переход постепенный по окраске.

В2са 53-77 см. Красновато-бурый, комковато-ореховатый, плотный, корни, гумусовые затеки, карбонаты, среднеглинистый, влажноватый. Переход постепенный.

ВСса 77-98 см. Буровато-коричневый, бесструктурный, плотный, карбонаты, среднеглинистый, влажноватый. Переход постепенный.

С1са 98-129 см. Окраска неоднородная с преобладанием буровато-коричневой, бесструктурный, плотный, карбонаты, среднеглинистый, влажноватый. Переход заметный по окраске.

С2са 129-180 см. Красно-коричневый, бесструктурный, плотный, имеются корни, корневины, карбонаты, легкоглинистый, влажноватый.

Вскипание от НСl бурное, местное с глубины 60 см. Грунтовые воды не вскрыты.

Анализ гранулометрического состава почв (табл. 3) показывает, что почва сформировалась на породах тяжелого гранулометрического состава, причем данные содержания крупно-песчаной фракции говорят о том, что почвообразующая порода не однородна, с горизонта В2 она становится еще тяжелее.

Таблица 3 Гранулометрический состав почв (на примере ПП3)

 

Горизонт и глубина, см.

Гигр. вода, %

Содержание фракций (%), размер частиц (мм)

1,0-0,25

0,25-0,05

0,05-0,01

0,01-0,005

0,005-0,001

<0,001

<0,01

Коричнево-бурая лесная лессивированая, легкоглинистая, иловато крупно-пылеватая

А1             4-15

4,22

3,36

18,97

23,84

15,02

18,59

20,22

53,83

А1А2l     15-23

3,02

4,30

23,76

29,83

11,58

17,47

13,06

42,11

А2Вl        23-31

3,07

4,84

26,56

27,32

6,34

25,79

9,15

41,28
В1            35-45

2,07

5,39

48,06

13,22

4,93

18,44

9,96

33,33

В2са        60-70

4,57

0,06

16,32

7,05

19,87

23,81

32,89

76,57

ВСса       80-90

2,51

0,32

3,44

23,28

33,70

26,37

12,89

72,96

С1са    100-110

4,05

0,29

10,65

20,67

20,80

31,75

15,84

68,39

С2са    150-160

3,38

10,90

7,23

20,93

14,14

23,09

23,71

60,94

 

Вынос физической глины из лессивированных горизонтов не проявляется, а в гумусовом горизонте имеет место некоторое накопление тонкодисперсных частиц за счет высокого содержания органических веществ.

Из данных анализа физико-химических свойств почв, представленных в таблице 4, следует, что актуальная кислотность гумусового горизонта близка к нейтральной. С глубиной она становится слабокислой, а с горизонта В2 - слабощелочной.

Таблица 4 Физико-химические свойства почв (на примере ПП 3)

 

рН

Нг

Обменные основания

Степ. нас-ти осн.

Г

Гумус

Р2О5

К2О

СО2, мг/кг почвы в час

Горизонт  и глубина, см

вод-

ный

солевой

Са2+

Mg2+

сумма

мг-экв/100 г почвы

%

мг/100 г

 

Коричнево-бурая лесная лессивированая, легкоглинистая, иловато крупно-пылеватая

А0/          0-2

6,15

5,59

39,0

58,0

12,0

70,0

64,2

90,58*

137,5

322,2

1217,7

А0//         2-4

6,01

5,34

45,0

66,0

13,0

79,0

63,7

72,19*

116,2

110,2

532,1

А1         4-15

5,64

4,56

7,4

25,0

2,5

27,5

78,8

14,78

4,6

19,5

47,6

А1А2l 15-23

5,34

3,95

5,0

8,5

1,0

9,5

65,5

2,33

5,1

6,0

6,6

А2Вl   23-31

5,55

3,93

3,0

9,5

0,5

10,0

76,9

1,95

3,6

7,0

0,9

В1       35-45

5,64

3,97

2,5

8,5

5,0

13,5

84,4

0,94

3,6

7,5

0,9

В2са    60-70

8,16

6,82

Вскипает от НСl

0,84

не опр.

не опр.

17,3

ВСса   80-90

8,45

7,15

-“-

не опр.

-“-

-“-

14,2

С1са 100-110

8,48

7,01

-“-

-“-

-“-

-“-

не опр.

С2са 150-160

8,50

6,98

-“-

-“-

-“-

-“-

-“-

Примечание: *- потеря при прокаливании

Гумусовый горизонт характеризуется небольшим значением гидролитической кислотности – 7,4 мг-экв/100 г почвы и высоким содержанием обменных оснований – 27,5 мг/экв/100 г почвы, что связано с близким залеганием карбонатов. Несмотря на незначительную мощность горизонта А1 (до 11 см), рассмотренный тип почв вследствие высокого содержания гумуса (14,78%) относится к очень высокогумусным. Наибольшим содержанием подвижного фосфора и обменного калия характеризуются горизонты лесной подстилки и гумусовый, что связано с биогенной  аккумуляцией этих элементов. Интенсивность дыхания имеет максимальное значение в верхнем слое лесной подстилки (А0/ - 1217,7 СО2 мг/кг почвы в час), в котором происходят активные процессы разложения органического вещества.

Богатство почвообразующей породы и ее высокая карбонатность, которая способствует нейтрализации органических кислот, при разложении органических остатков способствуют аккумуляции элементов питания в коричнево-бурых лесных почвах и обуславливают ее высокое потенциальное плодородие. Для выявления влияния физико-химических свойств почв на продуктивность и фракционную структуру фитомассы был проведен  корреляционно-регрессионный анализ. Пересчет показателей фитомассы на относительную полноту 0,8 позволил сопоставить запасы фракций фитомассы на разных пробных площадях. Влияние основных свойств почв на продуктивность и фитомассу было оценено по баллам продуктивности (ВВ), запасу и фитомассе (по фракциям). В корреляционной матрице отражены прямолинейные взаимосвязи, коэффициенты корреляции некоторых из них представлены в таблице 5.

Таблица 5 Коэффициента корреляции показателей фитоценозов с некоторыми свойствами почв

Показатели

продуктивности

Коэффициент корреляции (R)

рНвод.

Са2+

Σ обм. осн.

гумус

ил

физглина

ВВ

0,49

0,38

0,35

0,94

0,94

0,90

Запас

0,76

0,39

0,37

0,86

1,00

0,92

Древостой

Надземная фитомасса

0,87

0,63

0,61

0,97

0,91

0,77

Зеленая часть

0,91

0,74

0,72

0,98

0,84

0,66

Корни

0,86

0,53

0,51

0,86

0,98

0,84

Фитоценоз

Общая надземная фитомасса

0,86

0,62

0,60

0,97

0,92

0,78

Годичный прирост

0,55

0,11

0,09

0,48

0,89

0,86

Зеленая часть

0,86

0,67

0,64

0,99

0,87

0,72

 

Коэффициенты корреляции показателей продуктивности и фитомассы с основными свойствами почв имеют очень высокое значение. Наибольшее влияние на изученные параметры фитоценозов в данных условиях оказывают такие свойства почвы как гумус, ил и физглина. При составлении множественных регрессионных уравнений были включены все почвенные показатели по гумусовому горизонту, но в ходе составления уравнений были отсеяны незначимые признаки по t-критерию Стьюдента на 0,05 уровне значимости. Данные, представленные в таблице 6 показывают, что баллы продуктивности зависят от содержания гумуса и физглины. Запас древостоя, корни древостоев и общая надземная фитомасса апраксимируется илом. Остальные фракции фитомассы апраксимируются гумусом.

Таблица 6 Регрессионные уравнения взаимосвязи показателей продуктивности и фитомассы древостоев и фитоценозов и физико-химических свойств почвы

№

п/п

Вид функции

R2

F

1

ВВ= 20,133+0,32834*Х9+0,186308*Х14

0,99

863,0

2

Запас =322,64+ 6, 79646*Х13

0,99

366,6

3

Надземная фитомасса древостоя = 583, 96+153,786*Х9

0,95

37,6

4

Зеленая часть древостоя =18, 3594+16,4135*Х9

0,95

47,4

5

Корни = 119,452+21,8264*Х13

0,95

39,9

6

Общая надземная фитомасса фитоценоза = 610,35+153,453*Х9

0,95

37,5

7

Годичный прирост = 61,8921+4,04136*Х13

0,80

7,8

8

Общая зеленая часть фитоценоза = 33,2917+16,7677*Х9

0,98

125,5

Примечание: Х9- гумус, Х13- ил, Х14- физглина

Выявленные взаимосвязи носят простой характер, который связан с высокими коэффициентами корреляции по некоторым свойствам, на что повлияло малое количество пробных площадей, включенных в корреляционно-регрессионный анализ. При увеличении количества пробных площадей на эти взаимосвязи будут влиять обменные основания, гидролитическая кислотность, подвижные формы фосфора и калия, что приведет  к их усложнению.

 

Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные  и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. в рамках открытого конкурса № NK-545П.

 

Литература:

1. Воробейчик, Е.Л. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень) / Е.Л. Воробейчик, О.Ф. Садыков, М.Г. Фарофантов. – Екатеринбург: УИФ Наука, 1994.- 328 с.

2. Латыпова, В.З. Региональное нормирование антропогенных нагрузок на природные среды в системе обеспечения экологической безопасности / В.З. Латыпова, С.Ю. Селивановская, Н.Ю. Степанова, Р.И. Винокурова. Казань: Изд-во «Фан», 2002. – 345 с.

3. Винокурова, Р.И. Роль растений елово-пихтовых лесов в миграции химических элементов: Научное издание / Р.И. Винокурова, О.В. Андриянова, И.Ю. Волкова, В.Ю. Осипова, Е.В. Тарасенко. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. – 196 с.

4. Родин, Л.Е. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах / Л.Е. Родин, Н.П. Ремезов, Н.И. Базилевич. – Л.: Наука, 1968. –143 с.