Влияние вырубки леса на биологические свойства горных почв западного кавказа
На правах рукописи
ПОЛЯКОВ АРТЕМ ИГОРЕВИЧ ВЛИЯНИЕ ВЫРУБКИ ЛЕСА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОЧВ ЗАПАДНОГО КАВКАЗА 03.02.08 – экология (биологические наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Ростов-на-Дону - 2011 2
Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования Южного федерального университета
Научный консультант: доктор географических наук, профессор Казеев Камиль Шагидуллович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Безуглова Ольга Степановна кандидат биологических наук Локтионова Ольга Андреевна
Ведущая организация: Майкопский государственный технологический университет
Защита состоится 29 апреля 2011 года в 17-00 на заседании диссертаци онного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам при Южном федеральном университете (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105, ауд. 304, e-mail:
[email protected], факс: (863)2638723).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148) и на сайте Юж ного федерального университета по адресу: www.sfedu.ru.
Автореферат разослан 23 марта 2011 года
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Т.В. Денисова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Лесные экосистемы широко распространены в ус ловиях предгорий и низкогорий Западного Кавказа. В последние годы они под вергаются все более возрастающему антропогенному воздействию, особенно в связи с известными проектами по проведению Олимпийских игр в Сочи и раз витию туристической инфраструктуры в Краснодарском крае и республиках Северного Кавказа. В связи с этим, а также в связи с развитием промышленной лесозаготовки происходит интенсивная вырубка леса. Антропогенные экоси стемы мест вырубок в значительной мере отличаются от лесных экосистем.
Происходит деградация растительности, изменение фауны и почвенного покро ва и основных экологических факторов. Формируются антропогенно нарушенные ландшафты, значительно отличающиеся от природных лесов. В горных условиях эти процессы усугубляются активным развитием эрозии на склонах.
Цель и задачи исследования. Основная цель работы - изучить влияние вы рубки леса на биологические свойства лесных горных почв Западного Кавказа.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
1. Изучить влияние рубки леса на биоту.
2. Изучить влияние рубки леса на профильное распределение биологиче ских и других свойств почв.
3. Определить степень устойчивости разных лесных почв гор Западного Кавказа к вырубке леса.
В качестве исследуемых показателей выбраны: растительность и флора, численность микрофлоры и микроартропод, плотность, влажность, рН и темпе ратура почвы, ферментативная активность, содержание гумуса, и др.
Объектами исследований были бурые и серые лесные почвы, а также ренд зины (дерново-карбонатные почвы) горных районов Республики Адыгея и Краснодарского края.
Основные положения, выносимые на защиту.
Вырубка леса в горах Западного Кавказа приводит к резким изменениям природных экосистем. Происходит смена растительного покрова, фауны, изменение физических, химических и биологических свойств почв.
Степень изменения определяется типом почв, временем с момента вы рубки и особенностями рельефа. Основным фактором деградации почв после сведения леса является эрозия.
По степени устойчивости биологических свойств к рубке леса почвы За падного Кавказа располагаются в ряд: рендзины серые лесные бурые лесные.
Научная новизна. Выявлено, что рубка леса коренным образом изменяет лесные экосистемы Западного Кавказа. Установлено, что рубка леса сущест венно меняет биологические, физические и химические показатели горно лесных почв, а так же различные процессы, проходящие в них. Степень влия ния рубки леса на почву зависит от ее типа почв, времени, прошедшего после рубки, и степени развития эрозионных процессов.
Практическая ценность работы. Результаты исследования могут быть использованы при мониторинге и диагностике антропогенно-нарушенных почв, при оценке воздействия на окружающую среду, а также в других природо охранных и производственных мероприятиях.
Результаты исследования используются в учебном процессе при препода вании экологии, почвоведения, природопользования и охраны окружающей среды, экологической экспертизы, мониторинга и биоиндикации в Южном фе деральном университете и могут быть использованы в учебном процессе в дру гих вузах.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на V Всероссийском съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на Дону, 2008);
The Eurosoil Symposium (Vienna, Austria, 2008), Международной научно-практической конференции «Ноосферные изменения в почвенном по крове» (Владивосток, 2007);
научной конференции «Неделя науки 2010» (Рос тов-на-Дону, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, объе мом 1,5 п.л., из них 1 статья в издании, из перечня ВАК. Доля участия автора в публикациях составляет 82%.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, вы водов и 17 приложений, изложена на 123 страницах, включает 17 рисунков, таблиц, 11 фотографий. Список литературы включает 147 источников, из них 21 на иностранном языке.
Исследования поддержаны Российским фондом фундаментальных иссле дований (грант № 07-04-00690), Федеральным агентством по науке и иннова циям (гранты № МД-3155.2007.4), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты № П169 и № П1298), грантом Президента РФ по государственной поддержке ведущих на учных школ «Устойчивость экологических функций почв к антропогенным воздействиям» (№ НШ-5316.2010.4).
Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе своему на учному руководителю д.г.н., профессору К.Ш. Казееву, д.с.-х.н., профессору С.И. Колесникову, к.б.н. Л.С. Везденеевой, к.б.н., М.А. Кутровскому, Ю.С.
Кузнецовой, всем соавторам публикаций и сотрудникам кафедры экологии и природопользования ЮФУ.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. ИЗУЧЕННОСТЬ ПРОБЛЕМЫ В первой главе дана общая характеристика проблемы изучения влияния рубок леса на разные аспекты ландшафтов. Описаны разные способы рубки ле са и возникающие при этом экологические проблемы. Приведены примеры сукцессий, протекающих после антропогенного воздействия на лесные экоси стемы. Подробно рассмотрены показатели, которые в наибольшей степени из меняются при вырубке лесов.
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Для определения устойчивости лесных почв Западного Кавказа в 2008 2010 гг. были проведены экспедиционные исследования в горные районы Рес публики Адыгея (табл. 1). Исследовали бурые лесные почвы в окрестностях пос. Гузерипль, серые лесные почвы в окрестностях пос. Никель и рендзины в окрестностях горы Оштен. Эти почвы занимают значительную территорию За падного Кавказа и подробно описаны в литературе (Вальков и др., 1996, 2002, 2008;
Казеев и др., 2004, 2007).
Таблица Объекты исследований Возраст Высота над Места проведения Географические Почва вырубки, уровнем моря, исследований координаты лет м 44°11.038' с.ш., Серая лесная почва пос. Никель 7-10 40°09.725'в.д.
44°00.608' с.ш.
Бурая лесная почва пос. Гузерипль 20-30 4007.800' в.д.
Рендзина выщело- Окрестности 4400.297 с.ш.
0 ченная г. Оштен 4000.409 в.д.
Проведенные исследования включали изучение растительности, энтомо фауны, микрофлоры, почв, почвообразующих пород и др.
Полевые и лабораторно-аналитические исследования выполнены при уча стии автора на кафедре экологии и природопользования ЮФУ с использовани ем общепринятых в биологии, экологии и почвоведении методов (Галстян, 1974;
1978;
Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991;
Казеев и др., 2003;
Хазиев, 2005).
Влажность почвы определяли весовым методом. Плотность почвы опреде ляли объемно-весовым методом в 3-х кратной повторности. Температуру изме ряли электронным термометром HANNA CHECTEMP послойно каждые 5 см.
Для определения численности мелких членистоногих (микроартропод) прово дили послойный отбор почвенных образцов (объемом 125 см3). Выделение микроартропод проводили в воронках в течение 7 дней, без электрического обогрева. Численность бактерий определяли методом посева на питательную среду МПА. Микроскопические грибы высевали на подкисленную среду Чапе ка. Численность бактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков об растания на среде Эшби. Общую численность бактерий определяли люминис центно-микроскопическим методом с окрашиванием бактерий акридином оранжевым (Методы…, 1991). Активность каталазы, дегидрогеназы, инвертазы и фосфатазы определяли по методам А.Ш. Галстяна (1974;
1978). Содержание гумуса определяли методом И.В. Тюрина в модификации Никитина. Повтор ность опытов — 4-6-кратная.
Для выявления общих закономерностей использовали интегральный пока затель биологического состояния (ИПБС) почвы (Казеев и др., 2003).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 3.1. ВЛИЯНИЕ РУБКИ ЛЕСА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛЕСНЫХ ПОЧВ Для изучения влияния рубки леса на ферментативную биологическую ак тивность и физические свойства почв, изучено три, подвергнутых рубке участ ка. Участки отличаются друг от друга временем рубки и типом почв.
Первый исследуемый участок расположен среди дубово-буково-грабового леса на высоте 505-520 м над уровнем моря. Высота деревьев в лесу не превы шает 15-20 м. Видовой состав лесообразующих пород исследуемого лесного участка: бук восточный (Fagus orientalis Lipsky), граб восточный, грабинник (Carpinus orientalis Mill), граб обыкновенный (Carpinus betulus L.), дуб Гартвиса (Quercus hartwissiana Stev.), дуб грузинский (Quercus iberica Stev.), дуб скаль ный (Quercus petraea Liebl.), ясень высокий (Fraxinus execelsior L.), ива белая (Salix alba L.), ольха серая (Alnus incana Moench.), ольха клейкая (Alnus glutinosa Gaertn.), липа (Tilia L.), лещина (Corylus L.), вяз (Ulmus L.), клен (Acer L.), сви дина (Thelycrania Four). Подстилка покрывает 90 % поверхности почвы. Под пологом леса кроме подроста лесообразующих пород произрастают ежевика, папоротник, осока, вика, диоскорея, ясменник, купена, фиалка, земляника, пас лен сладко-горький, сочевичник. Фоновая почва - серая лесная.
Вырубка на серой лесной почве возрастом 7-10 лет расположена в не скольких километрах от поселка Никель в нижней части пологого (3-8 ) север ного склона к р. Белой (фото.1). Высота над уровнем моря 505 м. Размер вы рубленного участка, заросшего высокотравной растительностью с подростом из деревьев и кустарников составляет около 5 га.
Фото 1. Вырубка на серой лесной почве, 2009 г.
В июне 2008 г. растительность на вырубке покрывала 95% площади и включала: пырей, вейник, мать-и-мачеху, орешник и свидину, осот, козлятник, папоротник, пижму, гравилат, мелколепестник едкий, бодяк, бутень опьяняю щий, повой заборный, ежевику, чистец лесной, журавельник, осоку, землянику, вербейник и др. (табл. 2). Так же встречался подрост деревьев, высотой не бо лее 3 м (граб восточный, липа, ива, ясень, клен, рябина, кизил и др.). Почва серая лесная смытая на элювии некарбонатных пород.
Таблица Встречаемость и фитомасса семейств растений, (июнь, 2008 г) встречаемость, общая в/с надзем- % от общей Семейство ная фитомасса, ц/га массы % Осоковые 67 3,96 5, Злаковые 67 3,55 5, Губоцветные 100 1,73 2, Зонтичные 100 0,72 1, Сложноцветные 100 46,45 68, Розовые 67 5,77 8, Бобовые 33 2,76 4, Ситниковые 33 0,56 0, Маслиновые 67 1,96 2, Бальзаминовые 33 0,16 0, Папоротники 33 0,15 0, Вьюнковые 33 0,19 0, семейств Всего 67,96 100, В июне 2009 г общее проективное покрытие составило 100%, высота ос новной массы травостоя - 20-30 см, ветошь мощностью до 5 см. Общая сухая фитомасса на вырубке составляла 51 ц/га. Были отмечены следующие виды растений: зверобой продырявленный, бутень, козлятник лекарственный, вер бенник, мать-и-мачеха, лютик кавказский, пырей ползучий и др.
В июне 2010 г. на вырубке серой лесной почвы были встречены представи тели 14 семейств растений. Выявлена неоднородность растительного покрова и широкое варьирование фитомассы на разных участках вырубки. Некоторые па раметры растительности приведены в таблицах 3,4 и на рисунке 1.
Таблица Фитомасса (ц/га) вырубки на серой лесной почве, июнь 2010 г.
Корни, до глу Надземная масса Общая бины 40см № участков сырая масса сухая масса сырая масса сырая масса 1 337, 210,0 50,4 127, 2 258, 152,5 35,2 146, 3 291, 156,8 71,1 134, Таблица Встречаемость представителей семейств растений на вырубке, июнь 2010 г.
Семейство встречаемость, % Сложноцветные Губоцветные Осоковые, злаковые Лютиковые Первоцветные Бобовые Гвоздичные, зонтичные Розоцветные Ситниковые Кленовые Маслиновые Березовые Рис. 1. Масса растений разных семейств на вырубке, % от общей, июнь 2010 г.
Рис. 2. Распределение корней в серой лесной почве вырубки, июнь 2010 г. (n=3) Проведенные в 2010 г. исследования показали, что по сравнению с ком плексом микроартропод лиственного леса, численность микроартропод на вы рубке под луговой растительностью была заметно ниже для всех групп микро артропод. Максимальную численность в слое 0-10 см имели ногохвостки – 23, тыс. экз. /м2, а также панцирные клещи – 21,8 тыс. экз. /м2. Численность гамазо вых клещей по сравнению с другими группами микроартропод была мини мальной и составляла 5,6 тыс. экз. /м2, а клещей акароидно-тромбидиформного комплекса – 7,9 тыс. экз. /м2. Численность прочих беспозвоночных составляла 4,4 тыс. экз. /м2. Максимальное обилие мелких членистоногих отмечено в слое 0-5 см, а затем происходило снижение численности к нижележащим слоям.
Таким образом, численность практически всех групп микроартропод, за исключением ногохвосток, была заметно выше в лиственном лесу по сравне нию с вырубкой (рис. 3).
Рис. 3. Влияние рубки леса на общую численность микроартропод серой лесной почвы, октябрь 2009 г. (совместно с Л.С. Везденеевой) Численность же ногохвосток в слое 0-10 см практически не различалась и под лиственным лесом составляла 22,4 тыс.экз./м2, а под луговой растительно стью (вырубка) - 23,2 тыс.экз./м2.
Плотность верхнего 10-сантиметрового слоя серой лесной почвы на вы рубке существенно выше, чем в лесу (1,21 против 0,76 г/см3). Связано это с раз витием эрозионных процессов и выходом в этой связи на поверхность более плотных глубинных горизонтов. Уплотнение почвы приводит к снижению по рового пространства в почве, изменению ее аэрации и гидротермического ре жима.
Значительных различий влажности контрольного и вырубленного участка серой лесной почвы не выявлено. Как на вырубке, так и под лесом влажность верхних горизонтов составила 24-25%. Вниз по профилю данный показатель плавно снижается на обоих участка.
Температура верхнего горизонта в почве на вырубке выше, чем под лесом.
Незначительная разница (1C) объясняется наличием буйной травянистой рас тительности на вырубке, которая защищает от испарения и попадания прямых солнечных лучей, а, следовательно, и сильного нагревания верхних горизонтов.
Как в почве на вырубке, так и под лесом, температура с глубиной плавно сни жается на несколько градусов, и с 20 см выравнивается.
Исследования эколого-биологических свойств серой лесной почвы показа ли незначительное расхождение значений показателей в контрольных почвах под лесом и почв вырубок (табл. 5,6). Незначительная разница в уровне значе ний биологических показателей на серой лесной почве связано с тем, что пер воначальная деградация почвы при рубке, тралевке и связанными с ними эро зионными процессами, сменилась в последние годы интенсивным развитием дернового процесса на освещенной Солнцем территории, сопровождающегося интенсивным гумусонакоплением в оставшейся части почвенного профиля.
Обильно разросшаяся луговая растительность защитила почву от дальнейшей эрозии, которая в условиях пологих склонов исследуемого участка значительно сократилась. Это практически уравняло многие эколого-биологические пара метры почвы вырубки с контрольными значениями.
Таблица Усредненные данные по биохимическим свойствам лесных почв исследуемого района, октябрь 2009 г.
Глубина, Гумус, Каталаза, Дегидрогеназа, Инвертаза, мг Почва рН см млО2/г/мин мгТФФ/10г глюкозы/г % Серая, лес 0-10 6,7 5,1 3,1 25,8 25, Серая, вырубка, 0-10 6,4 6,1 3,8 17,6 26, Бурая, лес 0-10 6,0 19,8 5,7 4,5 16, Бурая, вырубка 1 0-5 6,7 2,7 2,9 9,5 6, Бурая, вырубка 2 0-3 6,4 3,0 2,3 7,5 38, Микробиологические исследования показали высокие значения численно сти основных групп микроорганизмов (табл. 6). При этом отмечены типичные закономерности распределения бактерий и грибов для травянистых и лесных экосистем. В почве вырубки численность бактерий выше, чем в лесу, в то время как численность микроскопических грибов почти на треть ниже.
Таблица Численность микрофлоры лесных почв исследуемого района, октябрь 2009 г.
Аммонифи- Нитрифици Азотобак Влаж- цирующие рующие Микромице Почва тер, % об ность, % бактерии, бактерии, ты, тыс/г растания млн/г млн/г Серая, лес 25,2 86 17,6 5,6 704, Вырубка, серая 23,3 100 40,6 7,5 551, Бурая, лес 28,1 94 5,9 1,4 185, Вырубка, бурая 1 9,4 100 1,4 1,1 47, Вырубка, бурая 2 11,9 100 1,7 1,7 119, Верхний горизонт вырубки содержит больше гумуса, чем в почве под ле сом (рис. 3). Это связано с аккумуляцией органического вещества в дерновом горизонте серой лесной почвы, интенсивно пронизанном корневыми системами травянистых растений. Что касается профильного распределения, то в обоих случаях содержание гумуса с глубиной снижается.
Рис.4. Содержание гумуса в профиле серой лесной почвы на вырубке и в лесу, октябрь 2009 г.
Исследования в окрестностях поселка Никель на вырубке с серой лесной почвой проводили многократно в течение 3 лет. Так как биологические свойст ва почв сильно зависят от времени года на рис. 5 приведены значения некото рых показателей, определенных в течение 2008-2010 гг. в июне месяце.
Рис. 5. Динамика свойств серой лесной почвы на вырубке, июнь 2008-2010 гг.
Динамика разных показателей выражена в различной степени. Содержание гумуса по годам изменяется незначительно, учитывая то, что пространственные изменения на разных участках вырубки довольно существенны (табл. 7). В наи большей степени из исследуемых показателей динамична активность каталазы.
Это связано со связью ее активности с изменяющимися по годам гидротерми ческими условиями. Подобное закономерности были показаны ранее (Галстян, 1974;
Звягинцев и др., 1976;
Казеев и др., 2002, 2004).
Таблица Варьирование содержания гумуса в серой лесной почве на вырубке (n=9), июнь 2010 г.
Дисперсия Ошибка M m Горизонт мл О2/г/мин опыта, % А 4,2 3,7 0,68 16, АВ 3,4 0,1 0,13 3, В 4,3 5,5 0,83 19, Вырубка на бурой лесной почве имеет возраст 20-30 лет, находится на вы соте более 830 м над уровнем моря. Территория находится неподалеку от по селка Гузерипль и представляет собой выровненный участок на верхней трети покатого склона горы к р. Белой. Травянистая растительность с участками под роста мелколиственных деревьев занимает 70-90% поверхности почвы и пред ставлена рудеральными видами (ромашкой, клевером, мятликом, тысячелист ником и др.). На поверхности почвы мох, щебень. Мощность почвы до 30 см.
Почва участка - бурая лесная смытая сильнощебенчатая на элювии сланцев. На территории вырубки были заложены разрезы и прикопки. В качестве контроля принят участок, расположенный в пихтово-буковом лесу, в 40 м от вырубки, на покатом склоне горы. Высота деревьев до 20 м, диаметр стволов 50 см, проек тивное покрытие 10%, подстилка мощностью 1-3 см покрывает 90-95% поверх ности почвы. Мощность почвы такая же, как и на вырубке (30 см).
Влажность верхнего горизонта почвы под лесом составила 28%, что прак тически в 3 раза выше, чем на вырубке (табл. 5). Это связано с тем, что древес ная растительность и наличие подстилки снижают испарение воды с поверхно сти почвы. Если в почве под лесом влажность с глубиной резко уменьшается, то на вырубке она варьирует в небольшом пределе (9-12 %). К глубине 15 см влажность почвы на вырубке и под лесом выравнивается.
Наблюдаются изменения в температуре почв и распределению ее по про филю (рис.6). Отсутствие подстилки и деревьев приводит к тому, что на по верхность почвы попадает гораздо больше прямых солнечных лучей, что при водит к иссушению верхних горизонтов и их нагреванию.
Исследования плотности почвы, показали, что рубка деревьев на бурой лесной почве приводит к переуплотнению верхних горизонтов (более чем в раза). Высокая плотность почвы на вырубке (1,83 г/см3) препятствует прораста нию семян новых поколений деревьев и трав.
Лесные почвы, как правило, имеют кислую реакцию среды. В почвах вы рубок рН повышается относительно контрольных значений под лесом, что до казано некоторыми авторами (Дробиков, 1969), и подтверждено нашими иссле дованиями. рН верхнего горизонта почвы вырубки выше, чем под лесом (табл.5).
Рис.6. Температура бурой лесной почвы под лесом и на вырубке, октябрь 2009г.
Исследование биологических показателей показало значительное измене ние бурой лесной почвы после рубки леса. Значения биохимических и микро биологических показателей в лесу в целом выше, чем на вырубке.
Содержание гумуса в верхнем горизонте почвы леса более чем в 3 раза превышает аналогичный показатель на вырубке (19,8 против 3,0%). В профиле, расположенном в лесу наблюдается плавное снижение содержания гумуса, и на глубине 25 см оно составляет 4,0 % (рис.7).
Рис.7. Содержание гумуса в профиле бурой лесной почвы на вырубке и в лесу 3.2. ВЛИЯНИЕ РУБКИ ЛЕСА НА ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕРНОВО КАРБОНАТНЫХ ПОЧВ (РЕНДЗИН) ЗАПАДНОГО КАВКАЗА Ландшафты, сформированные на карбонатных породах широко распространены на Западногом Кавказе. Почвы данных територий представлены выщелоченным подтипом дерново-карбонатных почв. При исследованиях влияния рубки леса на эколого-биологические особенности рендзин окрестностей горы Оштен были выялены уже отмеченные выше закономерности. Плотность дерново-карбонатной почвы на вырубке была значительно выше таковой под лесом (1,05 и 0,47 г/см3). Это вызвано как нарушением сложения поверхностных горизонтов, так и общим уплотнением почвы при работах мощной тяжелой техники (фото 2, рис. 8). Водный и солевой рН почвы меняется незначительно.
Фото 2. Вырубка на рендзинах, 2010 г.
Рис. 8. Изменение плотности рендзин при рубке леса, август 2010 г.
Почвы вырубки обладают более низкими значениями разных биологических показателей в верхнем горизонте: содержания гумуса, численностью микроорганизмов, интенсивности дыхания, ферментативной активности (табл. 8,9).
Таблица Эколого-биологические свойства рендзин выщелоченных окресностей г.
Оштен, август 2010г.
Обилие бактерий выделения СО2, Влажность поч бактерий млн./г рода Азотобак Интенсивность микроскопиче Численность Численность ских грибов, Глубина, см Горизонт мг/10г тер, % рНН2О вы, % рНKCl тыс/г Рендзина, пихтово-буковый лес, контроль А 0-5 32,2 6,6 5,5 100 57,3 145,5 55, АВ не опр. не опр. не опр.
5-10 29,8 7,0 5,4 В не опр. не опр. не опр.
10-35 27,5 6,4 4,8 С не опр. не опр. не опр.
35-50 28,7 7,1 6,5 Рендзина, вырубка А 0-5 32,8 7,0 5,7 47 45,7 12,5 38, АВ не опр. не опр. не опр.
5-10 34,9 6,9 6,2 В не опр. не опр. не опр.
10-25 32,4 7,0 5,8 С не опр. не опр. не опр.
25-35 28,3 7,2 6,4 Таблица Эколого-биологические свойства рендзин окресностей г.Оштен, август 2010 г.
Гумус, Каталаза, мл Инвертаза, мг Горизонт Глубина О2/г/мин глюкозы/г/сут % Рендзина, пихтово-буковый лес, контроль А 0-5 24,0 8,5 87, АВ 5-10 11,8 5,2 42, В 10-35 5,7 3,3 59, С 35-50 5,3 7,2 0, Рендзина, вырубка А 0-5 13,4 9,0 34, АВ 5-10 7,4 6,5 26, В 10-25 5,3 3,9 16, С 25-35 4,0 8,5 31, Численность одноклеточных водорослей, например, в поверхностном горизонте рендзины под лесом на 60% больше, чем на участке вырубки, несмотря на лучшие условия освещенности на последней (рис. 9).
Рис. 9. Численность водорослей в верхнем горизонте рендзин, август 2010 г.
Необходимо отметить, что биологические особенности дерново карбонатных почв проявляются прежде всего в характере их профильного распределения. Значения биологических показателей снижается вниз по профилю в значительно меньшей степени, чем в бурых и серых лесных почвах.
Связано это с карбонатностью почвообразующих пород, насыщенных биогенными элементами. При этом рендзины выщелочены вплодь до элювия породы, что характерно для этих почв в условиях прохладного гумидного климата (Кутровский, 2006). Близость карбонатов приводит к увеличению рН в нижней части профиля рендзин. Из биологических показателей положительно на карбонатность породы реагируют азотфиксирующие бактерии и активность каталазы, которые создают инверсии в нижней части профиля.
Профильное распределение значений биологических показателей при антропогенных нарушениях на вырубках изменяется по сравнению с контрольными значениями в лесу (рис. 10, 11). Возможно это связано с разным температурным режимом почв исследуемых участков (табл. 10). Как и в других случаях температура почвы на вырубке была значительно выше, чем в лесу.
Это относится не только к самым прогреваемым поверхностным горизонтам, где разница составляла 7-9, но и к более глубоким частям профиля, где она составляла около 4. Однако прогревание почвы вырубки не привело к их иссушению, что важно для протекания биологических процессов.
Таблица Температура дерново-карбонатных выщелоченных почв, С Глубина, см Лес Вырубка 0 24,7 32, 5 15,8 24, 10 14,7 21, 20 13,7 18, 30 12,9 17, Рис. 10. Эколого-биологические свойства рендзины выщелоченной под пихтово-буковым лесом, окрестности г. Оштен, август 2010 г.
Рис. 11. Влияние рубки леса на эколого-биологические свойства рендзины вы щелоченной, окрестности г. Оштен, август 2010 г.
Большая часть исследуемых биологических показателей при антропогенном воздействии снижается. Особенно это относится к содержанию гумуса и активности инвертазы, значения которых снижаются на 40-50% относительно контрольных значений в лесу. В то же время активность каталазы и, в еще большей степени, фосфатазы в поверхностном горизонте на вырубке возрастает. Характер профильного распределения этих двух ферментов совершенно различен. Там где у одного наблюдается снижение значений, у другого отмечено повышение. Это свидетельствует о разных механизмах регуляции этих ферментов, относящихся к разным группам (гидролазам и оксидоредуктазам).
3.3. ИЗМЕНЕНИЕ ИПБС ЛЕСНЫХ ПОЧВ НА ВЫРУБКАХ Комплексные исследования биологических свойств исследуемых почв проводили по методике, предложенной сотрудниками кафедры экологии и при родопользования Южного Федерального университета (Казеев, 1996, 2004;
Ко лесников, 2001;
Казеев и др., 2003, 2004). Для оценки биологических свойств лесных почв использовали интегральный показатель биологического состояния почв, в который включали несколько наиболее информативных биологических показателей. Чаще всего это были: численность сапрофитных и азотфиксирую щих бактерий, а также микроскопических грибов;
содержание гумуса, отра жающий интегральные биологические свойства;
активность ферментов (окси доредуктаз – каталазы и дегидрогеназы, гидролаз – инвертазы и фосфатазы).
Кроме них в некоторых случаях были использованы и другие показатели: чис ленность водорослей, продуктивность тест-культуры (редиса), интенсивность продуцирования почвой углекислого газа (дыхание почв) и др. В исследованиях применяли два подхода. Сравнивали не только поверхностные наиболее био генные горизонты исследуемых почв, используя сравнительно-географический подход, но и весь почвенный профиль со всеми горизонтами, вплоть до почво образующей породы, используя профильно-генетический подход.
В результате проведенных исследований были получены результаты, пред ставленные в рисунках 12-14. Выявлено, что изучаемые контрольные почвы имеют разные исходный уровень биогенности и биологической активности, от раженный в ИПБС (рис. 12).
Рис. 12. Сравнительные значения ИПБС контрольных вариантов (под лесом) исследуемых почв Западного Кавказа (ИПБС верх: содержание гумуса, численность сапрофитных бактерий, грибов, активность каталазы и инвертазы;
ИПБСпрофиль: активность каталазы, дегидрогеназы и инвертазы, содержание гумуса) Наиболее высокий уровень значений (100%) как для верхнего горизонта, так и для всего профиля определен для дерново-карбонатных почв (рендзин).
Это связано с особенностями почвообразующих пород, представленных у ренд зин элювием известняка, увеличивающим содержание кальция почве и почвен ном растворе. Этот факт в значительной мере усиливает интенсивность биоло гических процессов в почвах, увеличивает их продуктивность и биогенность (Кутровский и др., 2006). Серые и бурые лесные почвы значительно менее био генны, чем рендзины. Кроме того уровень их биологической активности очень близок, особенно если учитывать всю мощность почвенного профиля (60,3% у серой и 59,7% у бурой лесной почвы). Более существенная разница выявлена при сравнении поверхностных горизонтов этих почв (58 и 48% соответственно).
На вырубках выявлено значительное изменение значений ИПБС верхних горизонтов бурых лесных почв рис 13. В зависимости от его мощности сниже ние ИПБС составляют 22-58%. Это очень существенное изменение для такого показателя как ИПБС, которое свидетельствуют о высокой степени нарушения эколого-биологических процессов в почвах (Колесников и др., 2001;
Казеев и др., 2003, 2004).
Рис. 13. Изменения ИПБС поверхностных горизонтов почв при рубке леса, сентябрь 2009 г.
(в ИПБС включили: активность каталазы, дегидрогеназы, инвертазы, содержание гумуса, численность сапрофитных бактерий, микромицетов, азотфикирующих бактерий) Для верхнего горизонта серой лесной почвы изменения ИПБС менее за метны, при этом отмечено увеличение ИПБС в почве вырубки на 5% по срав нению с контрольной почвой под лесом. Этот факт связан с высокой продук тивностью открытых пространств, занятых мощным покровом травянистых растений и подростом деревьев и кустарников. В свою очередь это вызывает усиление дернового процесса почвообразования и увеличение биогенности почвы.
Изменения значений ИПБС поверхностного горизонта дерново карбонатной почвы вырубки составляет 28% относительно 100% значений верхнего горизонта рендзины контрольного участка (рис. 14).
Рис. 14. Изменение ИПБС при рубке леса на дерново-карбонатных почвах, август 2010 г.
(в ИПБСверх включили содержание гумуса, активность каталазы, инвертазы, фосфатазы, численность сапрофитных и азотфиксирующих бактерий, микромицетов, водорослей, продуктивность редиса, интенсивность дыхания;
ИПБСпрофиль содержание гумуса, активность каталазы, инвертазы, фосфатазы) Связано это, в первую очередь, с механическим разрушением и уплотнени ем верхнего слоя почвы при работе тяжелой техники. Другие деградационные процессы (в особенности эрозия) еще не успели себя проявить ввиду молодого возраста вырубки, измеряемого первыми сутками. Именно поэтому на этом участке изменения ИПБС отмечены только для поверхностного горизонта, в то время как его средняя и нижняя часть практически не отличается от контроль ной почвы (рис. 15). В связи с этим снижение ИПБС одинаковы при учете, как верхнего горизонта, так и всего профиля. Профильный подход изучения влия ния антропогенного воздействия по суммарной биологической активности дал более наглядные результаты на бурых лесных и, особенно, серых лесных поч вах. Если верхние горизонты серой лесной почвы вырубки не уступают кон трольным значениям, то при сравнении всего почвенного профиля выявлено резкое снижение значений ИПБС почти вдвое. Основной причиной этого стало значительное укорочение профиля почвы на вырубке вследствие интенсивной эрозии. Аналогичные процессы привели и к 3-4 кратному снижению значений ИПБС почвенного профиля бурой лесной почвы, в то время как верхние гори зонты в лесу и на вырубках различались значительно меньше. То есть, можно утверждать, что применение профильного подхода при изучении экологиче ского состояния почв и определении степени их антропогенного изменения да ет более объективные результаты, чем просто сравнение поверхностных гори зонтов исследуемых почв.
Рис. 15. Влияние рубки леса на ИПБС верхних горизонтов и всего профиля (А+В) в целом лесных почв Западного Кавказа ВЫВОДЫ 1. Выявлено коренное изменение природных лесных экосистем Западного Кавказа вследствие рубки леса. При этом возрастает доля травянистых растений, происходит изменение фауны, развиваются эрозионные про цессы, изменяются экологические свойства почв.
2. Разные почвы, сформированные под одинаковым типом растительности – серые и бурые лесные, рендзины - изменяют свои свойства при рубке ле са по разному. По степени устойчивости к рубкам исследуемые лесные почвы образуют ряд: рендзины – серые лесные – бурые лесные.
3. На вырубках отмечено увеличение разнообразия растений, продуктив ность травянистых экосистем вырубок очень высокая. В условиях низких гор сукцессия направлена на лесовозобновление и носит демутационный характер: травянистая растительность – кустарники – мелколиственный лес – грабово-буковый лес.
4. Типичный для лесных почв резкоубывающий характер профильного из менения биологических свойств после рубки леса значительно выравни вается, вследствие деградации верхних наиболее биогенных горизонтов.
Возникают инверсии в распределении некоторых биологических показа телей (активность каталазы, дегидрогеназы).
5. Почвы вырубок и леса в целом резко различаются по гидротермическим условиям, плотности, рН и другим параметрам.
6. Содержание гумуса в почвах вырубок определяется типом почвы, време нем с момента рубки, развитием дернового процесса под вторичными травянистыми ценозами и степенью проявления эрозионных процессов.
7. Для оценки антропогенных изменений горных почв хорошие результаты дало применение ИПБС с учетом мощности всех горизонтов. Макси мальные изменения ИПБС при этом отмечены для бурых лесных почв (67-75%), минимальные - для рендзин (24%).
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статья в издании, рекомендованном ВАК:
1. Поляков А.И. Изменение горно-лесных экосистем Северного Кавказа вследствие вырубки леса // Известия вузов. Северо-Кавказский регион.
Естественные науки. 2010. № 4. С. 113-114. (100%;
0,2 п.л.).
Статьи и тезисы в других изданиях:
Поляков А.И., Кутровский М.А., Казеев К.Ш. Эколого-биологические 2.
особенности почв на карбонатных породах предгорий и гор Западного Кавказа / Мат-лы Междунар. научно-практич. конф. «Ноосферные изме нения в почвенном покрове». Владивосток, 2007. Изд-во Дальневос. ун та, 2007. С. 105-107. (50%;
0,13 п.л.).
Поляков А.И., Казеев К.Ш. Биологическая активность рендзин разных 3.
природных зон Северо-Западного Кавказа / Материалы V Всероссийского съезда общества почвоведов им. В.В. Докучаева, 18-23 августа 2008 г. / ЗАО «Ростиздат». Ростов-на-Дону, 2008. С.302. (70%;
0,04 п.л.).
4. Polyakov A.I., Kazeev K.S. Rendzin biological activity of different natural zones of the Nothewest Caucasus Adygea / Abstracts of The Eurosoil Sympo sium. Vienna. Austria. 2008. P. 269. (70%;
0,04 п.л.).
Тер-Мисакянц Т.А., Поляков А.И., Кузнецова Ю.С. Изменение горно 5.
лесных экосистем Северного Кавказа вследствие вырубки леса / Мат-лы научной конф. «Неделя науки 2010» студентов и аспирантов кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета.
Отв. ред. К.Ш. Казеев. Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2010. С. 85-87.
(60%;
0,12 п.л.).
Кузнецова Ю.С., Поляков А.И., Тер-Мисакянц Т.А., Везденеева Л.С., Ко 6.
лесников С.И., Казеев К.Ш. Влияние рубки леса на биологические свой ства почв Адыгеи // Биологическая диагностика экологического состоя ния почв Юга России / Отв. редактор К.Ш. Казеев. Ростов-на-Дону. Изд во «Эверест», 2010. С. 100-105. (20%;
0,2 п.л.).
Поляков А.И., Кузнецова Ю.С., Казеев К.Ш. Изменение биологической 7.
активности горных почв Западного Кавказа при вырубке леса / Актуаль ные проблемы экологии и биологии почв / Отв. редактор К.Ш. Казеев.
Ростов-на-Дону. Изд-во «Росиздат», 2010. С. 110-115. (50%;
0,2 п.л.).
Поляков А.И., Казеев К.Ш. Сравнительная устойчивость горных почв 8.
Адыгеи к вырубке леса / Актуальные проблемы экологии и биологии почв / Отв. редактор К.Ш. Казеев. Ростов-на-Дону. Изд-во «Росиздат», 2010. С. 107-109. (80%;
0,12 п.л.).