Экологические особенности азотного фонда лесных почв ульяновской области
На правах рукописи
ГУСАРОВА ВЕРА СЕРГЕЕВНА
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АЗОТНОГО ФОНДА
ЛЕСНЫХ ПОЧВ УЛЬЯНОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Специальность: 03.00.16 – экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Ульяновск – 2006
2
Работа выполнена на кафедре общей экологии государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Горбачев Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Владыченский Александр Сергеевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор Костин Владимир Ильич
Ведущая организация: Государственное научное учреждение Ульяновский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии
Защита состоится «22» декабря 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная р.
Свияга, дом 40, корп. 1, ауд. 703.
Отзывы на автореферат направлять по адресу:
432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, Управление научных исследований, тел./факс: (8422)-32-06-45, 41-20-86. Е-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета.
Автореферат разослан «»_2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент Пантелеев С.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Формирование, саморегулирование и воспроизводство биологических систем находится в тесной связи с экологическими условиями, в которых они развиваются и существуют.
Влияние экологических факторов находит свое отражение, прежде всего, в структурной организации этих систем. Данная взаимосвязь составляет основу существующего в экологии почв понятия о «почве-памяти» и «почве моменте» – устойчивых и динамических свойств и признаков, отражающих ход ее развития и изменения (Таргульян, Соколов, 1976). Азотный фонд почв является одним из звеньев этой системы, где стойкие органические азотсодержащие соединения хранят информацию о развитии почвенной среды, а минеральные и легкогидролизуемые органические соединения отражают быстрые его изменения.
Обращение к лесным почвам, как объекту исследования, особенно важно в связи с интенсивным преобразованием естественных экосистем человеком.
Именно лесные почвы, в наименьшей степени нарушенные хозяйственной деятельностью, являются тем естественным множеством почв, изучение которого позволяет выявлять их генезис и эволюцию, дает возможность установить влияние экологических факторов на особенности почвообразования (Структурно-функциональная…, 1999).
Естественные ресурсы азота в почвах, имеющих разную генетическую сущность, процессы аккумуляции и мобилизации азотсодержащих соединений, зависят от климатических условий, материнских пород, типов ландшафта и растительности.
Лесные почвы Ульяновской области слабо изучены. Основное внимание в Ульяновской области уделялось пахотным почвам, в связи с их сельскохозяйственным использованием (Куликова, Карпов, 2001;
Сатаров, и др.). Сведения о лесных почвах имеются в работах В.М. Копосова (1948), И.Ф. Нолля, В.Я. Шагаева (1974), в статьях Е.В. Решетниковой, К.М. Дамской (1970), А.Х. Газизуллина, М.Ф. Шарифуллина (1987), а также в монографии «Агрохимическая характеристика почв СССР. Районы Поволжья» (1966), в которых дана их физико-химическая характеристика. Азотной составляющей питания растений уделено немного внимания. Данные по содержанию азота в пахотных почвах в связи с использованием удобрений содержатся в работах Г.А. Сатарова (1999);
М.И. Ходько (2005) и др.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является изучение экологических особенностей азотного фонда лесных почв Ульяновской области. Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать особенности азотного фонда разных по генезису почв и определить роль различных азотсодержащих веществ в балансе азота.
2. Изучить биохимические особенности превращения азотсодержащих веществ в почвах лесных биогеоценозов Ульяновской области.
Для решения указанных задач были использованы методы: почвенно географический, аналитический, метод моделирования.
Научная новизна. Впервые изучен азотный фонд лесных почв Ульяновской области и выявлены его экологические особенности. Дана оценка азотного питания лесных биогеоценозов. Установлена связь процессов азотонакопления со спецификой экологических условий формирования почв.
Показано, что доля минерального азота мала и в некоторых почвах преобладает нитратная форма.
Объектами исследования являются лесные почвы Ульяновской области:
дерновые, дерново-карбонатные, перегнойно-карбонатные, дерново подзолистые, серые (светло-серые, серые, темно-серые), аллювиальные дерновые и дерново-глеевые.
Теоретическая значимость. Материалы исследования азотного фонда наиболее распространенных лесных почв Ульяновской области восполняют существующий пробел по данной проблематике.
Практическая ценность исследования. Разработанные положения о роли азота в процессах почвообразования, в зависимости от свойств почв и экологических условий могут быть использованы при проектировании парков, лесных питомников, лесных плантаций, создании лесных культур. Данные по лесным почвам Сенгилеевского района включены в материалы научных исследований создаваемого Национального парка «Сенгилеевские горы».
Результаты обследования почв Винновской рощи использованы при оценке экологической значимости памятника природы «Винновская роща г.
Ульяновска». Материалы диссертации используются в учебном процессе вуза в лекционных курсах по экологии почв, химии почв, биогеохимии почв.
Защищаемые положения.
1. Процессы аккумуляции азота и превращение отдельных форм азотсодержащих соединений отражают экологические условия формирования почв.
2. Среди процессов превращения азотсодержащих соединений в естественных условиях наибольший размах в дерновых и светло-серых почвах получили процессы аммонификации, в серых – аммонификации и нитрификации.
3. В лесных почвах процессы мобилизации азота идут сравнительно интенсивно до легкогидролизуемых соединений, дальнейшее накопление минеральных форм азота протекает слабо.
Этапы исследования. Сбор полевых материалов и их химический анализ проводился с 2004 по 2006 год.
Апробация и публикации. Материалы работы доложены на Всероссийской научно-практической конференции «Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы, перспективы» (Ульяновск, 2005), 2-ой Всероссийской научной конференции «Актуальные вопросы здоровья и среды обитания современного человека» (Ульяновск, 2005), XX Любищевских чтениях «Современные проблемы эволюции» (Ульяновск, 2006), Международной научной конференции «Татищевские чтения: Актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2006), 2-ой Международной научно практической конференции «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2006), а также на методических семинарах кафедры общей экологии УлГУ. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ.
Личный вклад автора заключается в постановке темы, выборе объектов исследования, проведении полевых почвенно-географических работ.
Лабораторные анализы, математическая обработка полученных материалов и их интерпретация выполнены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 207 стр.
компьютерного текста, включает 31 таблицу, 9 рисунков, 13 приложений. Она состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка из наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, перечислены положения, выносимые на защиту.
Глава первая содержит обзор отечественной и зарубежной литературы по зональному различию в накоплении азота основными типами почв, по регионам, в которых производилась оценка азотного состояния пахотных и лесных почв. Показано многообразие проблематики изучения почвенного азота: пути поступления в почву и его обратные потери, формы аккумуляции и методы их исследования, преобразование одних форм в другие и пр. Отмечена особая роль подстилки в лесном биогеоценозе и ее влияние на обогащение почвы азотом.
Глава вторая «Экологические условия почвообразования» состоит из трех разделов, рассматривающих основные черты геолого геоморфологического строения, климатические условия, характер растительного покрова Ульяновской области. В последнем разделе показано, что в доагрикультурную эпоху вся территория Приволжской возвышенности представляла собой лесной регион и современная лесостепь создана преимущественно под влиянием деятельности человека (Благовещенский, 2005).
Третья глава «Объекты и методы исследований» состоит из трех разделов и посвящена методам исследования и характеристике почв.
3.1. Методы исследования Исследования физико-химических и биологических свойств почв проводились по общепринятым методикам. Учет запасов подстилки велся с помощью шаблона 0,5 х 0,5 м в десятикратной повторности. В свежих образцах почв и подстилок определялся обменный аммоний (фотометрически), нитраты (потенциометрически), влажность (высушиванием). В воздушно-сухих образцах подстилок определялся фракционный состав путем разбора пробы на ситах и дальнейшего взвешивания отдельных фракций (Почвенно биогеоценотические…, 1980). Гумус определялся фотометрически по Тюрину, общий азот – фотометрическим методом «индофеноловой зелени», органический азот – методом кислотного гидролиза Э.И. Шконде, И.Е.
Королевой (1964), с выделением легко-, трудно- и негидролизуемых соединений. Повторность двукратная.
Процессы аммонификации и нитрификации почв и подстилок изучались компостированием образцов в лабораторных условиях в течение 7 суток при оптимальном сочетании температуры и влажности (28±1 С и 60 % полной влагоемкости). Повторность четырехкратная.
Статистическая обработка данных проведена общепринятыми методами (Дмитриев, 1972;
Плохинский, 1978). Расчеты велись с помощью программы Microsoft Excel. Достоверность полученных данных оценивалась по критерию Стьюдента с вероятностью ошибки от 0,1 до 0,01.
3.2. Общая характеристика объектов исследования Раздел содержит общую характеристику объектов исследования, включает морфологическое описание почвенных разрезов. Объектом исследования послужили почвы с недифференцированным и дифференцированным профилем и почвы подчиненных ландшафтов: к первым относятся дерновые, дерново карбонатная выщелоченная, перегнойно-карбонатная, ко вторым – дерново подзолистая, серые (светло-серые, серые и темно-серые), к третьим – аллювиальная дерновая слоистая и дерново-глеевая.
При изучении лесных почв особое внимание уделено органогенному горизонту – лесной подстилке, т. к. она является важным связующим компонентом в круговороте веществ между растительностью и почвой. Запасы и мощность подстилок Ульяновской области варьируют в разных типах леса. В сосново-широколиственных лесах запасы максимальны (19,1±9,3 т/га), в широколиственных – меньше (13,4±5,0 т/га). Подстилки широколиственных мертвопокровных насаждений имеют бльший запас, чем с выраженным травяным покровом (21,02±6,74 и 10,03±3,97 т/га соответственно).
3.3. Физико-химические свойства лесных почв Плодородие лесных почв (содержание гумуса, сумма обменных катионов, подвижный фосфор и калий) повышается от дерново-подзолистых, светло серых легкого гранулометрического состава и дерновых на древнеаллювиальных четвертичных отложениях и песках палеогена к дерново карбонатным, серым, дерновым суглинистым на опоках и суглинках палеогена, рендзинам и достигает своего максимума в темно-серых почвах на верхнемеловых отложениях. Наиболее бедные почвы заняты чаще всего березняками, сосняками и ольшаниками, более богатые почвы – осинниками, липняками и дубняками.
Глава четвертая «Содержание и формы азота в лесных почвах и их подвижность». Включает пять разделов, освещающих азотный фонд подстилок;
формы азота в лесных почвах (общий, минеральный, органический гидролизуемый и негидролизуемый) и приуроченность изученных древостоев к почвам с различной обеспеченностью азотом;
процессы аммонификации и нитрификации в почвах и подстилках.
4.1. Азотный фонд подстилок Содержание валового азота в подстилках зависит от особенностей растительного покрова. Подстилки сосновых лесов в большинстве случаев содержат меньше азота (0,92 %), по сравнению с подстилками широколиственных лесов (1,22 %). Среди подстилок сосново широколиственных лесов наибольшее содержание азота выявлено в подстилке сосняка снытьево-осокового с примесью широколиственных пород, произрастающего на дерновых почвах, сформированных на щебнистых породах палеогена – 1,04 %. Из подстилок широколиственных лесов наиболее богаты азотом подстилки липовых лесов, особенно мертвопокровные. Весной и в середине лета содержание азота в них велико: 1,48-1,40 %;
по мере разложения подстилок и потребления азотсодержащих соединений растениями происходит обеднение их азотом, и в конце лета его содержание падает до 1,28 %;
осенний опад наиболее богат азотом – 1,56 %. Эти липняки произрастают на темно серой лесной почве на верхнемеловых отложениях, в состав древостоя входят также дуб и клен. Подстилки липняков, произрастающие на более бедных почвах (дерновых супесчаных на песках палеогена) содержат меньше азота – 1,09 %. Богаты азотом и подстилки ольшаников на дерново-глеевых песчаных почвах – 1,40 %.
Отношение углерода к азоту в подстилках показывает, что подстилки сосново-широколиственных лесов содержат меньше азота в органическом веществе (C:N=32-49), чем подстилки широколиственных лесов (C:N=20-34).
Запасы азота в подстилках связаны с их мощностью и обогащенностью азотом (связь между запасом азота в подстилке и запасом самой подстилки весьма тесная, r=0,93, 0,01, n=16). Подстилки сосновых насаждений, содержащие наименьшие количества азота, благодаря значительной своей мощности имеют запасы азота в три раза бльшие, чем маломощные, но богатые азотом подстилки широколиственных насаждений.
А 1, 0, 1,20 0,969 0, 0,962 0, % 0, 0, 1,00 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,240 0, 0,40 0, 0,096 0,082 0, 0, 0, Р6 Р9 Р15 Р16 Р2 Р12 Р4 Р22 Р номера подстилок и почв 1, Б 2, % 1,480 1, 1,400 1,280 1, 1,50 1, 1, 1,088 1,080 1, 1,020 0, 0, 0, 1,00 0,632 0,600 0, 0,535 0,483 0, 0, 0, 0,50 0, 0, Р11 Р14 Р21 Р20 Р13 Р5 Р1 Р18 Р10 Р3 Р19 Р номера подстилок и почв - подстилка;
- гумусовый горизонт почвы.
Рис. 1. Содержание общего азота (%) в подстилках сосново-широколиственных (А) и широколиственных (Б) лесов и в верхних гумусовых горизонтах почв (0-10 см).
617, 676, 309, А мг/кг 257, 245, 169, 160, 139, 138, 124, 120, 117, 110, 104, 81, 72, 70, 60, 53, 56, 49, 45, 44, 29, 25, 26, 24, 21, 20, 19, 17, 16, 16, 13, 12, 12, 8, 5, 3, 3, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Р11 Р14 Р21 Р20 Р13 Р5 Р1 Р18 Р10 Р3 Р19 Р номера почв и подстилок Б мг/кг 562, 363, 213, 224, 220, 147, 180, 172, 157, 154, 120, 124, 121, 116, 61, 58, 51, 37, 28, 25, 13, 9, 8, 7, 4, 3, 2, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Р6 Р9 Р15 Р16 Р2 Р12 Р4 Р22 Р номера почв и подстилок - обменный аммоний в почве;
- обменный аммоний в подстилке;
- нитраты в почве;
- нитраты в подстилке.
Рис. 2. Содержание обменного аммония и нитратов (мг/кг) в подстилках широколиственных (А) и сосново-широколиственных (Б) лесов и в верхних гумусовых горизонтах почв (0-10 см).
Подстилки насаждений: Широколиственные.
Сосново-широколиственные. Р11 Липняк мертвопокровный дубово-кленовый Р6 Сосняк разнотравный с примесью дуба Р14 Липняк мертвопокровный дубово-кленовый Р9 Сосняк осоковолосистый с примесью березы Р21 Липняк мертвопокровный дубово-кленовый Р15 Сосняк разнотравный с примесью березы и липы Р20 Липняк снытьево-осоковый с примесью березы Р16 Сосняк осоковолосистый Р13 Липняк ландышевый с примесью березы Р2 Сосняк снытьево-осоковый с примесью липы, вяза,березы Р5 Дубняк мертвопокровный с прим. липы и осины Р12 Сосняк разнотравный с примесью березы и дуба Р1 Дубняк снытьевый с примесью березы и клена Р4 Сосняк разнотравно-злаковый с прим. березы и дуба Р18 Дубняк снытьевый с примесью березы и клена Р22 Осинник разнотравный с прим. березы, дуба, сосны Р10 Дубняк осоковолосистый с примесью клена Р17 Березняк разнотравно-осоковый с примесью сосны Р3 Березняк разнотравно-злаковый с примесью дуба Р19 Березняк разнотравно-злаковый с примесью дуба Р23 Ольшаник снытьевый Запасы азота в подстилках сосново-широколиственных лесов колеблются в пределах 73-185 кг/га. В широколиственных лесах подстилки небольшой мощности (1-3 см) имеют меньший запас азота – 53-85 кг/га, более мощные подстилки мертвопокровных широколиственных насаждений имеют максимальный запас азота – 165-364 кг/га. Как правило, подстилки широколиственных лесов содержат больше азота, как и сами почвы (рис. 1, А), подстилки сосново-широколиственных лесов содержат меньше азота, и сами почвы менее богаты азотом (рис. 1, Б). Корреляционный анализ не показал связи между обогащенностью общим азотом подстилок и верхних гумусовых горизонтов почв (r=0,36).
Минеральные соединения азота в подстилках представлены как аммонийной формой, так и нитратной. Чаще преобладает обменная аммонийная форма, но встречаются подстилки с преобладанием нитратной формы азота. Содержание обменного аммония в подстилках варьирует в пределах 45-220 мг/кг, нитратного – 26-1122 мг/кг. Несмотря на значительное содержание минерального азота в подстилках, верхние гумусовые горизонты почв не содержат его в больших количествах (рис. 2).
Запасы минерального азота максимальны в мощных, богатых азотом подстилках сосняка разнотравного с примесью березы и липы и подстилках липняка мертвопокровного – 10-21 кг/га.
Среди гидролизуемых органических фракций азота в подстилках мертвопокровных широколиственных лесов легкогидролизуемая часть преобладает над трудногидролизуемой, в подстилках других типов леса чаще всего превалирует трудногидролизуемая форма органического азота. Но роль негидролизуемого азота велика во всех подстилках (46-77 % от общего азота).
4.2. Общий азот лесных почв Количество общего азота в гумусово-аккумулятивном горизонте в среднем для дерново-подзолистой почвы составляет 0,08 %, светло-серых – 0,12 %, аллювиальной дерновой – 0,31 %, дерново-глеевой – 0,36 %, дерновых – 0,39 %, серых – 0,47 %, темно-серых – 0,59 %, дерново-карбонатной выщелоченной – 0,62 %, рендзины – 1,89 %. Среднее содержание гумуса для этих же почв составляет в горизонте А: 2,22;
1,81;
2,76;
8,38;
4,84;
7,73;
9,24;
5,64;
17,11 % соответственно.
В зависимости от средней обеспеченности гумусового горизонта почв общим азотом (%) изученные древостои можно расположить в следующий восходящий ряд: осинники (0,27) сосняки (0,31) березняки (0,35), ольшаники (0,36) липняки (0,45) дубняки (0,84).
Минимальные количества азота находятся в гумусовых горизонтах светло серых почв березняков, несколько большие в светло-серых и дерново подзолистых почвах сосняков. Богатые азотом почвы заняты преимущественно дубняками и липняками, в то же время на них произрастают и малотребовательные к азоту породы – береза и сосна.
В отношении средней обеспеченности почв гумусом выстраивается следующий ряд (% в горизонте А): сосняки (3,85) березняки (4,04) липняки (6,58) дубняки (8,24) ольшаники (8,38) осинники (10,10).
В дерновых почвах с недифференцированным профилем выделяются две группы по запасу азота и гумуса:
1. Дерновые почвы на песчаных палеогеновых и четвертичных породах с наименьшими запасами валового азота и гумуса (почвы Р16, Р9, Р13):
см 0-10 0-20 0-50 0- т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га Азот 1,55 17,65 2,63 29,95 4,9 55,81 8, Гумус 36,76 44,76 47,52 57,86 64,78 78,87 82, Запасы валового азота и гумуса неравномерно распределяются в пределах профиля почв. Половина запаса азота всего профиля содержится в верхнем полуметровом слое, а половина запасов гумуса сосредоточена уже до глубины 20 см. Запасы гумуса в каждом рассматриваемом слое (0-10, 0-20, 0-50 см) в относительных единицах (процентном отношении от запасов во всем профиле) превышают запасы азота в тех же единицах в дерновом горизонте в 2,5 раза, на глубине 0,2 м – в 1,9 раз, на глубине полуметра – в 1,4 раза, что свидетельствует о постепенном насыщении гумуса азотом вниз по профилю.
2. Дерновые почвы на щебнистых и суглинистых породах палеогена с повышенными запасами валового азота и гумуса (Р2, Р20, Р3, Р19):
см 0-10 0-20 0- т/га % от 0-50 т/га % от 0-50 т/га Азот 5,04 25,37 9,75 49,13 19, Гумус 51,60 24,84 99,39 47,85 188, Содержание валового азота и гумуса велико в верхнем десятисантиметровом слое. Почти половина всех запасов азота и гумуса сосредоточена в слое 0-20 см. Данные почвы имеют особенность – в каждом рассматриваемом слое (0-10, 0-20 см) запасы азота в относительных единицах (процентном отношении от запасов во всем профиле) превышают запасы гумуса в тех же единицах. Вероятно, это связано с тем, что азот в поверхностном слое связан не только с гумусовым веществом почвы, но существенные его запасы имеют и другое происхождение – в частности, его источником может быть грибной мицелий, активно пронизывающий аккумулятивную толщу этих почв. Имеются данные, что в гифах грибов иммобилизуется от 2,2 до 19,6 % азота от его общего содержании в верхних горизонтах почв под хвойными лесами (Baath, Soderstrom, 1979).
В светло-серых почвах (Р4, Р15, Р16) запасы азота и гумуса невелики и близки к запасам в дерновых почвах легкого гранулометрического состава:
см 0-10 0-20 0-50 0- т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га Азот 1,40 15,25 2,26 24,62 4,23 46,08 9, Гумус 21,31 24,28 33,25 37,89 55,43 63,16 87, Более половины запасов гумуса содержится в первом полуметровом слое, но в нем не сосредоточено половины запасов общего азота. Запасы гумуса в относительных единицах (% от слоя 0-100 см) превышают запасы азота в гумусовом горизонте до глубины 0,2 м – в 1,6 раз, на глубине полуметра – в 1, раза, что свидетельствует о постепенном насыщении гумуса азотом вниз по профилю.
Распределение запасов азота и гумуса в дерново-подзолистой почве (Р12) близкое к запасам в светло-серых. Гумусовый горизонт содержит еще меньшие количества азота и гумуса, чем у светло-серых почв, но запас гумуса в метровом слое выше:
см 0-10 0-20 0-50 0- т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га Азот 0,76 9,29 1,55 18,95 3,98 48,66 8, Гумус 20,65 16,83 37,99 37,99 77,11 62,83 122, В аллювиальной дерновой слоистой почве дубняка (Р10) запасы азота и гумуса велики, причем запасы азота в метровом профиле больше, чем в дерновых песчаных почвах на породах палеогена и четвертичного периода, светло-серых и дерново-подзолистых почвах:
см 0-10 0-20 0-50 0- т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га Азот 3,19 21,21 5,87 39,03 10,21 67,89 15, Гумус 28,70 33,78 48,95 54,20 68,87 76,26 90, Дерново-глеевая почва ольшаника (Р23) не отличается большими запасами азота, но запасы гумуса в метровом слое превалируют над запасами в дерновых песчаных почвах на четвертичных и палеогеновых породах, светло-серых и дерново-подзолистых почвах (128,6 т/га):
см 0-10 0-20 0-50 0- т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га Азот 2,56 37,10 3,18 46,09 4,28 62,03 6, Гумус 59,50 46,26 73,59 57,22 83,28 64,75 128, В почвах, сформированных на верхнемеловых отложениях, запасы азота и гумуса близки к запасам в дерновых почвах на опоках и суглинках палеогена. В дерново-карбонатной выщелоченной почве (Р6) основной запас азота и гумуса сосредоточен в верхнем полуметровом слое:
см 0-10 0-20 0-50 0- т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га Азот 4,98 27,88 7,95 44,51 12,48 69,88 17, Гумус 45,68 30,18 71,12 46,98 110,64 73,09 151, В серых почвах (Р22, Р1, Р18) запасы еще бльшие, а максимальные количества могут достигать на глубине одного метра 22,0 т/га по азоту и 265, т/га по гумусу. Самые впечатляющие запасы главных компонентов почвенного плодородия содержатся в темно-серых почвах (Р11, Р21):
см 0-10 0-20 0-50 0- т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га % от 0-100 т/га Серые почвы Азот 3,16 19,30 7,01 42,82 13,40 81,86 16, Гумус 53,39 22,58 96,49 40,80 168,30 71,16 236, Темно-серые почвы Азот 4,92 17,25 8,62 30,21 18,62 65,26 28, Гумус 70,99 21,34 126,32 37,98 257,54 77,43 332, В верхнем полуметровом слое почв под изученными древостоями запасы азота в среднем составляют (т/га): почвы ольшаников (4,3) осинников (7,5), сосняков (7,6) дубняков (14,3) березняков (14,7) липняков (15,3). Запасы гумуса велики в почвах осинников, поэтому ряд по гумусу несколько отличается (т/га): ольшаники (83,3), сосняки (84,9) дубняки (127,5) березняки (146,6) осинники (191,5) липняки (195,5).
Запасы общего азота в лесных почвах увеличиваются в следующем ряду почв: светло-серые дерново-подзолистая, дерново-глеевая и дерновые на древнеаллювиальных четвертичных отложениях, дерновые на песчаных породах палеогена аллювиальная дерновая на четвертичных отложениях дерново-карбонатная на верхнемеловых отложениях серые на верхнемеловых отложениях дерновые на щебнистых и суглинистых породах палеогена, темно-серые на верхнемеловых отложениях.
4.2. Минеральный азот лесных почв Лишь небольшая часть азота в почве представлена минеральными соединениями. В лесных почвах Ульяновской области минеральный азот составляет в среднем 0,65 % от общего азота в гумусово-аккумулятивном горизонте.
Максимальные значения отмечены для светло-серой песчаной почвы на древнеаллювиальных отложениях – 1,42 %, минимальные – для светло-серой песчаной почвы на песках палеогена и серой почвы на верхнемеловых отложениях – 0,3 %. В целом гумусово-аккумулятивные горизонты дерново подзолистых почв содержат 1,18 % минерального азота от общего, светло серых – 0,83 %, дерновых – 0,73 %, дерново-глеевых – 0,70 %, аллювиальных дерновых – 0,58 %, серых – 0,54 %, темно-серых – 0,50 %, рендзин – 0,36 %.
Запасы аммонийного азота в большинстве случаев преобладают над запасами нитратного, исключение составляют двадцатисантиметровый слой дерново-глеевой почвы ольшаника (Р23);
запас нитратов близок к запасу аммония в верхнем полуметровом слое серой почвы дубняка на верхнемеловых отложениях (Р18) и двадцатисантиметровом слое светло-серой песчаной почвы сосняка на песках палеогена (Р4) (табл. 1).
По среднему содержанию минерального азота (мг/кг) в гумусовом горизонте почв под изученными древостоями выстраивается следующий ряд:
березняки (15,7) сосняки (19,0) липняки (23,2) ольшаники (25,2), осинники (25,5) дубняки (31,0). Вклад аммонийного и нитратного азота в минеральный фонд почв под разными древостоями различен. Среднее содержание обменного аммонийного азота в гумусовом горизонте почв возрастает в следующем ряду (мг/кг): ольшаники (5,6) березняки (15,4) сосняки (16,9) липняки (21,9) осинники (25,3) дубняки (27,8). Среднее содержание нитратного азота в гумусовом горизонте возрастает в ряду (мг/кг):
осинники (0,25) березняки (0,37) липняки (1,31) сосняки (2,11) дубняки (3,23) ольшаники (19,6).
Таблица Запасы общего, минерального и органического азота в лесных почвах (кг/га) Глубина, см 0-20 0-50 0- Почвы, (№ разреза) А Б В А Б В А Б В 17,27 693,7 27,63 1269, Дерновая супесчаная на 2110 3690 - - древнеаллювиал. четв. песках (Р16) 0,26 1398,8 0,74 2392, 44,37 1106,4 92,88 2415,8 176,62 4052, Дерновая песчаная на древнеаллю 3390 7030 виальных четвертич. песках (Р9) 0,37 2238,8 0,85 4520,5 1,92 6758, 17,89 560,6 33,27 1189,6 46,71 2053, Дерновая супесчаная на 1880 3980 многочленных песках палеог. (Р13) 0,38 1301,1 0,86 2765,3 1,46 4468, 26,90 2233,5 63,31 4082, Дерновая суглинистая высокощеб 9510 16900 - - нистая на опоках палеог. (Р2) 2,15 7247,5 3,11 12750, 53,94 2255,1 116,37 4527, Дерновая суглинистая на опоках и 10470 19850 - - суглинках палеогена (Р20) 1,17 8159,7 3,11 15204, Дерновая легкосуглинистая 26,52 2967,5 48,92 6316, 13440 27,88 - - щебнистая на маломощных 1,11 10449 2,96 21511, опоках и суглинках палеогена (Р3) 31,73 1213,1 78,86 2808, Дерновая легкосуглинистая на 5590 12430 - - суглинках палеогена (Р19) 0,32 4344,9 0,84 9541, Дерново-карбонатная выщелочен 36,00 1875,5 69,88 2980,9 145,04 4404, 7950 12480 ная легкосуглинистая на 6,00 6032,5 10,58 9418,6 16,52 13293, верхнемеловых отложениях (Р6) Аллювиальная дерновая легкосуг- 36,20 1610,1 94,52 2871,7 173,851 4398, линистая слоистая на чет. от. (Р10) 5870 10210 0,47 4223,3 1,14 7242,7,85 10466, 7,63 945,5 22,74 1270,9 44,59 1889, Дерново-глеевая песчаная на мно 3180 4280 гочленных четвертич. отлож. (Р23) 16,11 2210,9 18,43 2968,0 20,55 4945, Дерново-подзолистая легкосугли- 14,37 418,4 20,63 1099,9 47,75 2510, 1550 3980 нистая на породах палеогена (Р12) 0,33 1116,9 0,83 2858,6 2,19 5619, Светло-серая супесчаная на 11,17 695,7 19,91 1315, 1990 3740 - - древнеаллювиальных четвертич 0,58 1282,6 1,29 2402, ных отложениях (Р15) Светло-серая супесчаная на 14,06 535,4 20,32 1321,4 40,24 2794, 1580 3850 древнеаллювиальных 0,38 1030,1 0,76 2507,6 1,16 4804, четвертичных отложениях (Р17) 8,87 1036,4 24,80 1713,3 44,65 3934, Светло-серая песчаная на песках 3200 5110 палеогена (Р4) 5,31 2149,4 9,24 3362,7 11,71 6718, Серая суглинистая с гумусово 25,74 724,1 52,25 1584,5 88,27 2562, 3620 7490 иллювиально-железистым 0,40 2869,8 1,71 5851,5 5,27 8044, горизонтом на верхнемел. отл.(Р22) 22,84 1879,1 60,16 3074,2 84,02 4563, Серая суглинистая на 9580 15400 верхнемеловых отложениях (Р1) 2,81 7675,3 4,73 12310,8 7,36 17385, 23,13 1566,2 72,99 3533, Серая суглинистая на - - 7820 верхнемеловых отложениях (Р18) 13,15 6217,6 59,19 13634, Темно-серая суглинистая со втор. 47,38 1783,0 104,20 4126,6 135,56 6584, 9,25 20850 гум. гор. на верхнемел. отл. (Р11) 5,40 7414,2 7,65 16611,5 9,69 25230, Темно-серая суглинистая со втор. 35,71 1506,1 90,36 3190,3 182,80 5036, 7990 16380 гум. гор. на верхнемел. отл. (Р21) 1,29 6446,9 2,03 13097,3 3,43 19867, Примечание. А – общий азот;
Б – минеральный азот: числитель – обменный аммоний, знаменатель – нитраты;
В – органический азот: числитель – гидролизуемый, знаменатель – негидролизуемый. Прочерк – запасы не определялись.
4.4. Органический азот лесных почв Определение фракционного состава азота показало, что лесные почвы Ульяновской области содержат небольшое количество минерального азота, а основные его запасы связаны с органическим комплексом (рис. 3).
Гидролизуемые азотсодержащие органические соединения (легко- и трудногидролизуемые) являются непосредственным источником образования минеральных форм азота.
В почвах содержание обеих гидролизуемых фракций падает с глубиной, но доля трудногидролизуемой от суммы гидролизуемых фракций увеличивается с глубиной, а доля легкогидролизуемой фракции в целом уменьшается, в силу затухания микробиологических процессов и, следовательно, меньшей скоростью разложения органики.
В дерновых почвах на древнеаллювиальных четвертичных отложениях и песках палеогена, аллювиальной дерновой и дерново-глеевой почвах относительное содержание гидролизуемых фракций составляет 28-54 %, и содержание легкогидролизуемых фракций уступает трудногидролизуемым.
В дерновых почвах на опоках и суглинках палеогена содержание легко- и трудногидролизуемых фракций азота близкое, и даже наблюдается некоторое преобладание первых над вторыми (не достоверно с принятым уровнем значимости). Преобладание легкогидролизуемой фракции азота над трудногидролизуемой отмечается и в дерновых легкосуглинистых почвах Волжско-Камской лесостепи (Азот в почвах…, 1979).
В дерново-подзолистых и светло-серых почвах доля гидролизуемого азота велика и составляет 26-41 % для первых и 32-45 % для вторых. Оподзоленные горизонты светло-серых почв содержат наименьшие количества гидролизуемого азота, впрочем, как и общего азота. Он аккумулируется в иллювиальной части профиля, и чем сильнее развит процесс оподзоливания, тем сильнее проявляется разница между содержанием данной фракции в элювиальной и иллювиальной толще (рис. 3).
Доля гидролизуемого азота от содержания общего азота заметно уменьшается в почвах, сформированных на карбонатных отложениях. Так в дерново-карбонатной почве и рендзине процент гидролизуемого азота от общего составляет 21-32. Серые и темно-серые почвы содержат еще меньше гидролизуемых фракций азота – 19-24 %. Значения легко- и трудногидролизуемых фракций очень близки (рис. 3).
А Б В Г Д Е Ж З И К Л - минеральный азот;
- легкогидролизуемый азот;
- трудногидролизуемый азот;
- негидролизуемый остаток Почвы: А – дерновые на древнеаллювиальных четвертичных отложениях;
Б – дерновые на песчаных породах палеогена;
В – дерновые на щебнистых и суглинистых породах палеогена;
Г – дерново-подзолистая на супесчаных породах палеогена;
Д – аллювиальная дерновая слоистая на четвертичных отложениях;
Е – дерново-глеевая на четвертичных отложениях;
Ж – дерново-карбонатная выщелоченная;
З – перегнойно-карбонатная (рендзина);
И – светло-серые на песчаных четвертичных и палеогеновых отложениях;
К – серые на верхнемеловых отложениях;
Л – темно-серые на верхнемеловых отложениях.
Рис. 3. Фракционный состав азота в лесных почвах (% от общего азота).
Доля гидролизуемого азота (%) в гумусовом горизонте почв под изученными древостоями уменьшается в следующем ряду: ольшаники (32,1) сосняки (29,6) березняки (27,2) дубняки (24,5) липняки (21,7) осинники (19,4). Доля легкогидролизуемого азота от гидролизуемого уменьшается в ряду (%): осинники (50,5) липняки (49,5) дубняки (48,8) березняки (46,2) ольшаники (45,8) сосняки (43,2). По относительному содержанию трудногидролизуемого азота древостои располагаются в обратном порядке.
Содержание негидролизуемой фракции является преобладающей в азотном фонде почв, и ее доля колеблется от 52,7 до 80,4 %. Древостои произрастают на почвах, в гумусовом горизонте которых в среднем содержится следующее количество негидролизуемого азота (% от общего): осинники (79,2) липняки (77,7) дубняки (75,1) березняки (72,1) сосняки (69,7) ольшаники (69,2).
4.5. Аммонификация и нитрификация в лесных почвах В результате пребывания почвы в оптимальных условиях температуры и влажности происходит интенсификация биологических процессов. Наиболее интенсивно они протекают в гумусово-аккумулятивных горизонтах почв и подстилках. В подстилках большинства почв в бльших количествах накапливается обменный аммоний. Наибольшую активность проявляют подстилки липняка мертвопокровного темно-серой почвы: максимальная прибыль минерального азота составляет 2244 мг/кг, из них на долю нитратного азота приходится 45 %. Среднее изменение минерального азота в подстилках различных древостоев в процессе компостирования составляет (мг/кг): липняки (779) дубняки (629) сосняки (485) березняки (386) ольшаники (314) осинники (237).
Во всех почвах отмечено накопление минерального азота в гумусовом горизонте, бльшую долю в накоплении в дерновых и светло-серых почвах вкладывает обменный аммоний, в серых – нитратный азот. Процессы пополнения или убыли минерального азота происходят во всей толще почв, как правило, затухая в нижней части профиля (рис. 4). Биологические процессы затрагивают и органический компонент, в результате чего происходит разложение гидролизуемых фракций и пополнение за их счет минерального азота. Переход органического азота в более доступные формы часто заканчивается на стадии легкогидролизуемого азота. Таким образом, несмотря на то, что органический азот в почвах достаточно подвижен, минерального азота в почвах накапливается немного.
до компостирования;
после компостирова ния;
- прибыль нитратов;
- прибыль обменного аммония;
- убыль нитратов и обменного аммония.
Рис. 4. Нитрифицирующая и аммонифицирующая способность лесных почв.
Почвы: Р2 – дерновая суглинистая высокощебнистая на опоках палеогена;
Р19 – дерновая легкосуглинистая на суглинках палеогена;
Р20 – дерновая суглинистая на суглинках палеогена;
Р3 – дерновая легкосуглинистая щебнистая на маломощных опоках и суглинках палеогена;
Р16 – дерновая супесчаная на древнеаллювиальных четвертичных песках;
Р23 – дерново-глеевая песчаная на многочленных четвертичных отложениях;
Р9 – дерновая песчаная на древнеаллювиальных четвертичных песках;
Р10 – аллювиальная дерновая слоистая на четвертичных песках;
Р7 – дерновая песчаная на песках палеогена;
Р8 – дерновая песчаная оглеенная на двучленных отложениях (песках палеогена и верхнемеловых отложениях);
Р12 – дерново-подзолистая легкосуглинистая на супесчаных отложениях палеогена;
Р13 – дерновая супесчаная на многочленных песках палеогена;
Р6 – дерново карбонатная выщелоченная на верхнемеловых отложениях;
Р5 – перегнойно-карбонатная (рендзина) на верхнемеловых отложениях;
Р15, Р17 – светло-серые супесчаные на древнеаллювиальных четвертичных песках;
Р4 – светло-серая песчаная на песках палеогена;
Р22 – серая суглинистая с гумусово-иллювиально-железистым горизонтом на верхнемеловых отложениях;
Р1 и Р18 – серые суглинистые на верхнемеловых отложениях;
Р11, Р21 – темно серые суглинистые со вторым гумусовым горизонтом на верхнемеловых отложениях.
Глава 5. Экологические особенности азотного фонда лесных почв Сравнивая запас азота в лесных почвах Ульяновской области с усредненными данными по России (Шконде и др., 1967;
Болотина, 1947), можно констатировать, что самые бедные почвы Ульяновской области (дерново-подзолистые и дерновые легкого гранулометрического состава) имеют в гумусовом горизонте меньший запас азота, чем в среднем по России, но больший – в метровом слое;
богатые азотом почвы (дерновые суглинистые, серые и темно-серые) характеризуются повышенными его запасами (рис. 5).
_ в метровом слое;
- - - в слое 0-20 см.
Почвы:
- Ульяновской области: 1 - светло-серые, 2 дерновые супесчаные, 6 - серые, 9 - темно-серые, 10 - дерновые суглинистые.
- России (Шконде и др.,1967): 3- дерново подзолистые, 4 - бурые лесные, 5- серые лесные, 7 - черноземы обыкновенные, 8 - черноземы выщелоченные, 11 - черноземы типичные.
Рис. 5. Запасы общего азота в почвах России и Ульяновской области.
Одной из особенностей азотного фонда лесных почв Ульяновской области является небольшое содержание минерального азота. Так в дерново подзолистых легкосуглинистых почвах сосново-широколиственных лесов Ульяновской области оно составляет 0,3-1,2 %, а в дерново-подзолистых супесчаных почвах сосновых лесов Татарии – 6,1-13,0 % и дерново подзолистых легкосуглинистых почвах широколиственных лесов Татарии – 3,0 6,0 % (Азот в почвах…, 1979). В дерновых почвах на древнеаллювиальных четвертичных и палеогеновых отложениях Ульяновской области содержание минерального азота также не велико (0,2-1,4 % от общего) и близко к бурым почвам в среднем по России (1-2 % от общего) (Шконде и др., 1967). В светло серых почвах Ульяновской области и Татарии содержание минерального азота составляет 0,5-0,9 и 2,5-5,8 %, в серых – 0,4-1,1 % и 2,1-3,9 % от общего соответственно.
Другая особенность азотного фонда изучаемого района – хорошо развитая нитрификационная способность почв, сформированных на карбонатных породах, где нитраты часто преобладают в минеральном азотном фонде. В литературе отмечается, что в парующей почве ЕЧР может наблюдаться преобладание нитратного азота над аммонийным (Башкин, Кудеяров, 1977). На причину возможного преобладания нитратного азота над аммонийным в почвах, развитых на карбонатных отложениях, указывал еще И.В. Тюрин (1943), подчеркивая влияние состава пород древесного полога и растений напочвенного покрова, а также содержания кальция в материнской породе, степени дренированности почвы, присутствие дождевых червей. Совокупное действие всех перечисленных факторов в серых почвах Ульяновской области – богатство опада азотом, карбонатность материнской породы, отсутствие застоя влаги (при достаточном атмосферном увлажнении), наличие в почвах дождевых червей наряду с благоприятными климатическими условиями способствует развитию биологических процессов до стадии образования нитратов в значительном количестве.
Выводы 1. В лесных почвах Ульяновской области доля минеральных азотсодержащих соединений невелика. В составе минеральных фракций дерновых, дерново-подзолистых и светло-серых почв преобладает обменный аммоний. В почвах, развитых на карбонатных породах – серых лесных, а также в гумусовом горизонте дерново-глеевой почвы ольшаника может доминировать и нитратный азот. Одной из экологических особенностей лесных почв области является малая доля минерального азота, другой особенностью – преобладание в некоторых почвах нитратной формы. В подстилках большинства сосново широколиственных и широколиственных лесов во фракционном составе азота преобладает аммонийная форма. В дерновых почвах легкого гранулометрического состава, дерново-подзолистых и светло-серых трудногидролизуемая фракция азотсодержащих органических соединений преобладает над легкогидролизуемой. В серых, темно-серых и дерновых почвах тяжелого гранулометрического состава содержание гидролизуемых фракций органического азота близкое. Негидролизуемая фракция органического азота является преобладающей во всех типах почв.
2. В Ульяновской области запасы азота в дерновых почвах легкого гранулометрического состава, дерново-подзолистых и светло-серых в целом меньше, чем в аналогичных почвах других регионов. Запасы азота в серых, темно-серых и дерновых почвах суглинистого гранулометрического состава больше, чем в среднем по России. Минимальные запасы характерны для почв, развитых на древнеаллювиальных четвертичных и палеогеновых песчаных отложениях, максимальные – для почв, развитых на верхнемеловых отложениях и суглинках и опоках палеогена. Содержание азота в гумусовых горизонтах почв минимально под древостоями осинников и сосняков, больше под березняками и ольшаниками, максимально – под липняками и дубняками.
3. Процессы разложения азотсодержащей органики в дерновых и светло серых почвах идут преимущественно до стадии аммонификации, в серых – аммонификации и нитрификации. Мобилизация органического азота в почвах идет сравнительно интенсивно до стадии легкогидролизуемого азота, дальнейшее накопление минеральных форм азота протекает слабо.
Публикации 1. Гусарова В.С. Анализ лесных почв Ульяновской области /В.С. Гусарова, Р.М. Коритняк, В.А. Гребенников //Естествознание и Гуманизм: сб. науч. раб. – Т. 2. – Томск: Сиб. гос медиц. ун-т, 2005. – С. 58-59.
2. Гусарова В.С. Агроэкологическое состояние почв в лесостепи Поволжья /Гребенников В.А., Гусарова В.С., Коритняк Р.М. //Естествознание и Гуманизм:
сб. науч. раб. – Т. 2. – Томск: Сиб. гос медиц. ун-т, 2005. – С. 56-57.
3. Гусарова В.С. Почвы реликтовых лесов Вешкаймского района Ульяновской области /В.С. Гусарова, Р.М. Коритняк //Пути сохранения биоразнообразия и биологическое образование: сб. тр. Всерос. науч.-практ.
конф. – Елабуга. – 2005. – С. 27-29.
4. Гусарова В.С. К характеристике дерновых и серых лесных почв Шиловской лесостепи /В.С. Гусарова, А.Ю. Умнов, Р.М. Коритняк //Актуальные вопросы здоровья и среды обитания современного человека: мат.
2-ой Всерос. конф. – Ульяновск: УлГУ, 2005. – С. 22-24.
5. Гусарова В.С. Почвы хвойно-широколиственных лесов Ульяновской области /Горбачев В.Н., Гусарова В.С., Коритняк Р.М. и др. //Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы, перспективы: – Ч. II. Проблемы повышения продуктивности, устойчивости и экологичности земледелия и растениеводства: мат. Всерос. науч.-практ. конф. – Ульяновск: УГСХА, 2005. – С. 153-158.
6. Гусарова В.С. Лесные почвы Ульяновской области /Горбачев В.Н., Коритняк Р.М., Гусарова В.С. и др. //Вестник Томского государственного университета. – 2005. – Приложение № 15. – С. 132-134.
7. Гусарова В.С. Азотный режим темно-серых лесных почв Ульяновского Поволжья /В.С. Гусарова //Современные проблемы эволюции: сб. докл. «ХХ Любищевские чтения». – Ульяновск: УГПУ, 2006. – С. 306-320.
8. Гусарова В.С. Органический азот в лесных почвах Среднего Поволжья /В.С. Гусарова //Информационные системы и технологии в управлении и организации производства;
Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды: мат. Межд. науч.-практ. конф. «Татищевские чтения:
актуальные проблемы науки и практики». – Тольятти: Волжский ун-т, 2006. – С. 161-166.
9. Гусарова В.С. Содержание и запасы азота в лесных почвах Ульяновской лесостепи /В.С. Гусарова //Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации: мат. Межд. науч. конф. – Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т, 2006. – С. 125 129.
10. Гусарова В.С. Азот подстилок и плодородие лесных почв Ульяновского Поволжья /В.С. Гусарова //Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем: мат. II Межд. науч. практ. конф. – Иркутск: Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2006. – С. 470-475.
11. Гусарова В.С. Аммонифицирующая и нитрифицирующая способность лесных почв Среднего Поволжья /В.С. Гусарова //Методология и методы научных исследований в области естествознания: мат. Всерос. науч.-практ.
конф. – Самара: Изд-во СГПУ, 2006. – С. 225-229.
12. Гусарова В.С. Азотный фонд подстилок хвойно-широколиственных лесов Ульяновского Поволжья /В.С. Гусарова //Современные проблемы почвоведения и экологии: сб. ст. – Ч. 2. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. – С. 250-254.