Лесоведение, 2021, № 3, стр. 290-302

Изменение свойств мерзлотных лугово-черноземных почв Центральной Якутии под влиянием культур ели

А. П. Чевычелов a, Л. П. Габышева a, А. П. Исаев a, Т. С. Коробкова a, А. А. Алексеев a*

a Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН
677980 Якутск, просп. Ленина 41, Россия

* E-mail: chev.soil@list.ru

Поступила в редакцию 20.04.2020
После доработки 19.06.2020
Принята к публикации 03.02.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучено влияние еловых насаждений (Picea obovata Ledeb.) на изменение морфологических характеристик, состава и свойств мерзлотной лугово-черноземной почвы Центральной Якутии, формирующейся в условиях криоаридного климата, под лугово-степной растительностью, в окрестностях г. Якутска. Показано, что за 45-летний период воздействия исходный морфологический профиль первичной почвы, который имел вид: Wса–АUса–АВса–ВCA–ВСса–Сса трансформировался в профиль лесной перегнойно-карбонатной почвы, характеризующейся следующим строением: O–OH–АJ–АВса–ВCA–ВС–Сса. Отмечено, что изменение морфологического строения целинной почвы произошло посредством формирования горизонтов лесной подстилки O и подстилочно-перегнойного OН, а также уменьшение мощности сезонно-талого слоя со 123 до 102 см и опускание глубины вскипания от 10-й % HCl до 26 см от поверхности, идентифицирующей наличие в почве подвижных карбонатов СаСО3 и MgCO3. Также выявлено, что помимо морфологии существенно изменились состав и свойства перегнойно-карбонатной по сравнению с таковыми лугово-черноземной почвы. Так, в гор. АJ и АВca данной почвы значения рН водной вытяжки уменьшились соответственно на 1.0–0.7. В почвенной толще (0–100 см) лесной почвы по сравнению с лугово-степной в целом увеличилось общее количество обменных оснований Са+2 и Mg+2 в 1.2 раза, сумма солей – в 1.5 раза, содержание общего N и органического С в 3.2 и 1.7 раза соответственно, но при этом уменьшилось количество подвижных карбонатов в 2.9 раза. Помимо этого изменились строение магнитного и солевого профилей изучаемых почв, их степень и химизм засоления, а также тип водного режима с криогенно-выпотного на мерзлотный периодически-промывной в связи со сменой растительности, произрастающей на данных почвах.

Ключевые слова: криолитозона, еловые насаждения, трансформация свойств и состава мерзлотных почв.

Влиянию лесной растительности на формирование, а также изменение свойств и состава почв посвящено значительное число публикаций (Зонн, 1954; Карпачевский, 1981, 1996; Беляев, 2007; Карпачевский и др., 2007; Мошкина, 2008; Анциферова, 2010; Лукина и др., 2010; Егунова, Бескоровайная, 2015; Ведрова и др., 2018; Benkley, Giardina, 1998; Kourtev et al., 1998; Phillips, Firtz Patrick, 1999; Raich, Tufekciogul, 2000; Ganuza, Almendros, 2003; Rech et al., 2005; Chang et al., 2011; Wu et al., 2015; Bargali et al., 2018; Lukina et al., 2019 и др.). Но, к сожалению, большая часть данных исследований в географическом отношении относится к немерзлотным регионам России и Зарубежья. Наши же исследования проводились на территории Центральной Якутии, где леса произрастают на криогенных почвах, которые формируются на многолетнемерзлых почвообразующих породах в условиях криоаридного климата (Поздняков, 1975; Щербаков, 1975; Уткин, 2006).

Одним из способов комплексного изучения влияния древесной породы на почву является закладка пробных площадей на однотипных соседних участках с посадкой разных древесных культур. Главное достоинство такого подхода ‒ возможность отделить влияние древостоя от других почвообразующих факторов (Солодовников, Рожков, 2019). В частности подобные эксперименты, где до последнего времени проводятся почвенные и лесоводственные мониторинговые исследования, были заложены в 1928–1930 гг. на территории лесостепи Европейской России (Шатиловский лес) на выщелоченных черноземах (Беляев, 2007) и в 1968 г. в южной тайге Средней Сибири на старопахотных темно-серых почвах (Евгунова, Бескоровайная, 2015; Ведрова и др., 2018). Аналогичные работы по изучению влияния различных древесных пород на свойства почв в условиях лесостепи Алтайского края, были проведены также на территории дендрария НИИС им. М.А. Лисавенко (Макарычев, Лебедева, 2016, 2017).

В условиях мерзлотной области на территории Якутии такие исследования проведены впервые. По нашему мнению их научная значимость существенно возрастает, если учесть то обстоятельство, что еловые древостои в естественном состоянии на водоразделах Центральной Якутии не произрастают, вследствие высокой горимости лесов данного региона криолитозоны (Чугунов, 1965; Исаев, 2011).

Целью настоящей статьи являлась оценка влияния еловых насаждений на изменение свойств и состава мерзлотных лугово-черноземных почв в криоаридных условиях Центральной Якутии за 45-летний период воздействия.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Наши исследования проводились на территории Центрально-Якутской равнины в окрестностях г. Якутска. Климат района работ характеризуется как криоаридный и резко континентальный, при этом среднемесячная температура июля составляет 18.7°, января – (–43.2°), среднегодовая t – (–10.3°), среднегодовое количество осадков – 234 мм, количество осадков за вегетационный период – 158 мм, испаряемость – 502 мм, коэффициент увлажнения – 0.3, коэффициент континентальности – 302, сумма активных температур (∑t > 10°С) – 1565°С (Чевычелов и др., 2009).

Ель сибирская (Picea obovata Ledeb.) – это стабильный эдификатор или субэдификатор темнохвойных лесов лишь по ключам, руслам рек и речек. На большей части территории встречается в виде незначительной примеси в лесах, образуемых пихтой сибирской и кедром сибирским, иногда в речных поймах совместно с лиственницей и лиственными породами. Мезофит, мезотроф, теневынослива, несолеустойчива, характеризуется медленным ростом (Коропачинский, Встовская, 2002). В Якутии ель сибирская образует чистые и смешанные леса в долинах крупных рек таких, как Лена, Алдан, Вилюй и др. (Конспект …, 2012).

В условиях Центральной Якутии ель сибирская для интродукции и озеленения является ценным и перспективным видом древесных растений. При этом по суммарному показателю жизнеспособности (95 баллов) ель сибирская не уступает лиственнице даурской (95 баллов) и лишь чуть уступает сосне обыкновенной (98 баллов) (Петрова, 1987). Также ель сибирская, будучи более требовательной породой к почвенной среде по сравнению с сосной и лиственницей, при создании ей в культуре хороших условий влажности и питательности, значительно ускоряет рост (Чугунова, 1965).

Якутский ботанический сад (ЯБС) был образован 2 марта 1962 г. (Чугунова, 1965), а началом работы по созданию участка ельника на территории ЯБС являлись посевы ели сибирской, осуществленные З.Е. Чугуновой в 1963 г. на суглинистом пологом приозерном склоне. При этом семена ели, предварительно собранные в долине р. Алдан на территории Южной Якутии, высаживали в бороздки глубиной 3–5 см, поливали и удобряли. Пятилетние растения ели имели высоту около 25 см. В возрасте 9 лет, то есть в 1972 г. сеянцы пересадили на постоянное место в приозерной части ЯБС, которое именовалось как групповые посадки ели. Для этого закладывались специальные траншеи шириной 1.0 м и глубиной 1.5 м, заполненные снизу дренажом (галька и песок) и послойно сверху – плодородным слоем почв в смеси с грунтом (незасоленная почва, песок и перегной). Саженцы также удобряли, мульчировали с поверхности и обильно поливали в период вегетации, а в возрасте 15 лет провели формирующую обрезку крон. Примерно в это же время на местах посадки ели сибирской в ЯБС стал формироваться моховой покров.

Полевые исследования, включающие описание почв и растительности, а также отбор почвенных образцов, были проведены в 2018–2019 гг. на участках 1 и 2. При этом почвенный разрез 1 был заложен примерно в центре участка 1 на почве, не подверженной ранее антропогенному воздействию. В качестве объекта сравнения использовали почву разреза 2, который был заложен в 10 м от края участка 2 на разнотравно-злаковом лугу. Таким образом, два данных почвенных разреза были заложены на ровной поверхности одного высотного уровня и примерно в 60 м друг от друга (рис. 1). Для соблюдения принципа идентичности почвенные образцы из этих разрезов отбирались для анализов по генетическим горизонтам с одних и тех же глубин с 10 см от поверхности.

Рис. 1.

Проекции крон еловых насаждений и места заложения почвенных разрезов 1 и 2 на территории Якутского ботанического сада.

Приведем описания растительности и почв, которые рассматриваются в качестве объектов исследования. При этом проведено таксационное описание лесных культур ели. Всего в древесном пологе было учтено 43 ствола. В исследованных культурах средний возраст ели на 2019 г. составлял 45 лет, максимальный – 57 лет, т.е. они были посажены в период с 1963 по 1975 гг. Ели были высажены в 5 рядов: первые 3 ряда ровные, размер посадок 3 м × 2 м. Пространственно посадки разделены на 2 участка, отличающихся также составом растительного покрова (рис. 1).

Участок 1. Еловое сообщество разнотравно-зеленомошное. Дата обследования 17.08.2018, размер участка ‒ 25 м × 15 м. Под пологом древостоя идет естественное возобновление ели на более открытом пространстве – в окнах леса с моховым покровом. Средняя высота подроста 25 см, максимальная – 32 см. Подрост здоровый, единично встречаются засыхающие всходы. На 1 га насчитывается 48.9 тыс. экз. подроста и всходов ели, из них всходов до 10 см – 6.3 тыс. экз. на га. Из кустарников единично отмечены Salix bebbiana высотой 50 см, а также культуры яблони (Malus baccata).

Растительность еловых культур имеет уже сформированную структуру и состав, похожие на естественный разнотравно-зеленомошный еловый лес, но с присутствием некоторых рудеральных видов – пырея ползучего (Elytrigia repens), люцерны серповидной (Medicago falcata). Травяной покров развит, проективное покрытие 40%. Доминантами выступают сорный вид пырей ползучий, из бобовых – астрагал сходный (Astragal propinquus), встречаются соссюрея горькая (Saussurea amara), бодяк щетинистый (Bidens tripartita), тысячелистник обыкновенный (Achillea millefolium), единично произрастают солонечник даурский (Galatella dahurica), мышиный горошек (Vicia cracca), клевер люпиновидный (Lupinaster pentaphyllus), одуванчик рогатый (Taraxacum cerathoporum), люцерна серповидная, полынь пижмолистная (A-rtemisia tanacetifolia). Моховой покров густой, проективное покрытие составляет 90%, образован в основном из мха Rhytidium rugosum, рассеянно встречается лишайник Peltigera canina (рис. 2).

Участок 2. Еловое сообщество пырейно-разнотравное, обследовано 17.08.2018, размер участка ‒ 25 м ×15 м.

В “окнах” древесного полога произрастает самосев березы повислой (Betula pendula), ивы Бебба, ивы грушанколистной (Salix pyrolifolia) и ели сибирской высотой до 50 см. На 1 га насчитывается 14.4 тыс. экз. подроста и всходов ели, из них 2.6 тыс. экз. – всходы до 10 см. Также в окнах неплохо себя чувствуют культуры смородины (Ribes pauciflorum, высота – 30 см), ели сибирской голубой (высота 49–61 см), акации желтой (Caragana arborescens, 110 см) и сосны сибирской (Pinus sibirica, 200 cм). Травяной покров хорошо развит, представлен в основном рудеральными видами, проективное покрытие яруса 70%. Господствующие виды – пырей ползучий, люцерна серповидная, подорожник средний (Plantago media), хрен гулявниковый (Armoracea sysimbrioides). Рассеянно встречаются кровохлебка аптечная (Sanguisorba officinalis), пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare), бодяк щетинистый, единично произрастают астрагал сходный, девясил британский (Inula britannica), мятлик луговой (Poa pratensis), герань псевдосибирская (Geranium pseudosibiricum), герань луговая (Geranium pratense), осот полевой (Sonchus arvensis), одуванчик рогатый, мышиный горошек. Отличается от предыдущего отсутствием мохово-лишайникового покрова, который как ярус не сформирован.

По основным таксационным показателям сформированные древостои обоих участков близки, в связи с чем приводим их обобщенные характеристики (табл. 1).

Таблица 1.  

Основные таксационные характеристики елового древостоя

Таксационный показатель М ±m С.V., %
1 Количество стволов, экз. га–1 2150
2 Сомкнутость крон 0.8
3 Средний диаметр ствола, см 18.5 0.74 25.4
4 Средняя высота ствола, м 14.2 0.39 19.5
5 Максимальный диаметр ствола, см 30.6
6 Максимальная высота ствола, м 17.8
7 Сумма площадей сечения, м2 га–1 16.3
8 Средний возраст, лет 45.0 1.81 26.4
9 Максимальный возраст, лет 57.0
10 Общий запас древесины, м3 га–1 128.8
11 Средний прирост в высоту, см в год 31.6
12 Средний прирост в толщину, см в год 0.4
13 Средний прирост по запасу, м3 га–1 в год 2.87

Примечание. M ‒ среднее значение, m ‒ ошибка среднего, С.V. ‒ коэффициент вариации.

Почвенный разрез 1 заложен 26.07.2018 на территории ЯБС, в контуре ельника разнотравно-зеленомошного. Географические координаты: 62°01′20.5″ с.ш., 129°37′15.7″ в.д., абсолютная высота – 98.5 м. Морфологическое строение профиля почв: О(0–5)–ОН(5–8)–АJ(8–26)–АВса(26–37)–ВCA(37–72)–ВС(72–86)–Сса (86–102 см).

О, 0–5 см. Бурая, рыхлая, влажная лесная подстилка, состоящая в основном из мохового опада, к низу среднеразложившегося, переход заметный.

ОН, 5–8 см. Темно-бурый, органогенный, подстилочно-перегнойный, слабо увлажнен, переход в следующий горизонт ясный.

АJ, 8–26 см. Серый с коричневатым оттенком, непрочно-мелкокомковатый, легкий суглинок, средне увлажнен, с включением мелких черных древесных углей по всей массе горизонта, переход постепенный.

АВса, 26–37 см. Буровато-серый, непрочно-мелкокомковатый, легкий суглинок, влажный, вскипает от 10-й % HCl, вскипание слабое, переход в следующий горизонт ясный.

ВCA, 37–72 см. Светло-бурый с белесоватым оттенком, непрочно-мелкокомковатый, легкий суглинок, влажный, вскипает от HCl, вскипание среднее, переход заметный.

ВС, 72–86 см. Неоднородный по цвету и механическому составу, представляет чередование прослоек белесовато-светло-серого песка и расположенной по середине прослойки буровато-светло-серого легкого суглинка, с мелкими охристыми пятнами Fe+3, бесструктурный, влажный, переход в следующий горизонт ясный.

Сса, 86–102 см. Белесовато-светло-серый мелкозернистый песок, бесструктурный, влажный, среднее вскипание от HCl, со 102 см мерзлый, льдистый.

Почва: мерзлотная перегнойно-карбонатная.

Почвенный разрез 2 заложен 24.09.2018 на ровной поверхности, географические координаты: 62°01′20.2″ с.ш., 129°37′19.5″ в.д., абсолютная высота – 98.2 м. Разнотравно-злаковый луг, травостой густой, высота травостоя 70–80 см. В травостое доминируют: пырей ползучий, мятлик луговой. Реже встречаются: одуванчик рогатый, незабудка подражающая (Myosotis imitata), ветреница лесная (Anemone sylvestris), герань луговая, тысячелистник обыкновенный, овсяница луговая (Festuca pratensis), лапчатка гусиная (Potentilla anserina), подорожник средний, подорожник большой (Plantago major), люцерна серповидная. Морфологическое строение профиля почв: Wса(0–2)–АUса(2–20)–АВса(20–41)–ВCA(41–60)–ВСса(60–85)–Сса (85–123 см).

Wса, 0–2 см. Буровато-серый, рыхлый, влажный, супесчаный, вскипает от HCl, вскипание среднее, переход в следующий горизонт постепенный.

АUса, 2–20 см. Темно-серый, мелкокомковато-пылеватый, среднесуглинистый, пронизан сеткой мелких живых корней травянистых растений, влажный, с включением мелких черных древесных углей по всей массе горизонта, бурно вскипает от HCl, серыми гумусовыми затеками переходит в следующий горизонт, переход заметный.

АВса, 20–41 см. Светло-серый с белесоватым оттенком, комковато-мелкопылеватый, средний суглинок, влажный, вскипает от HCl, вскипание бурное, переход заметный.

Рис. 2.

Участок 1 еловых насаждений на территории Якутского ботанического сада.

ВCA, 41–60 см. Буровато-белесоватый, непрочно-мелкокомковатый с отдельными серыми пятнами и затеками гумуса, среднесуглинистый, влажный, бурно вскипает от HCl, переход в следующий горизонт заметный.

ВСса, 60–85 см. Белесовато-светло-бурый с серыми мелкими пятнами Mn+2 и охристыми пятнами Fe+3, непрочно-мелкокомковатый, средний суглинок, влажный, вскипает от HCl, вскипание бурное, переход постепенный.

Сса, 85–123 см. В основном бурый, непрочно-мелкокомковатый, легкосуглинистый, с прослойками светло-серой супеси, с мелкими серыми пятнами Mn+2 и охристыми пятнами Fe+3, бурно вскипает от HCl, влажный, со 123 см мерзлый, льдистый.

Почва: мерзлотная лугово-черноземная.

При проведении почвенных исследований использовали профильно-генетический (Розанов, 1983) и сравнительно-аналитический (Роде, 1971) методы, а также общепринятые методики лабораторных аналитических работ (Аринушкина, 1970; Воробьева, 1989). Индексацию генетических горизонтов проводили по классификации почв России (Классификация …, 2004), а определение почв – по классификации почв Якутии (Еловская, 1987). При этом рН определялся потенциометрически на иономере “Мультитест ИПЛ-101”, органический углерод – мокрым сжиганием по Тюрину, обменные катионы – по Шмуку, гранулометрический состав – по Качинскому (Качинский, 1958), СО2 карбонатов – газоволюметрическим методом (Практикум …, 1980). Объемная магнитная восприимчивость (ОМВ) определялась на малогабаритном измерителе магнитной восприимчивости КМ-7, который является усовершенствованной версией каппаметра КТ-6. Величину удельной магнитной восприимчивости (УМВ) получали путем деления значения ОМВ на плотность почвы р (выраженную в кг м–3), т.е. χ = = χ/р. Размерность удельной магнитной восприимчивости – 10–8 м3 кг–1 (Вадюнина, Корчагина, 1973; Водяницкий, Шоба, 2015). Математическая обработка результатов анализов осуществлялась посредством методов математической статистики, принятых в почвоведении (Дмитриев, 2009).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Характеристика таксационных показателей ели сибирской в посадках свидетельствует о высоких темпах роста деревьев. В возрасте 45 (максимально 57) лет стволы достигают в среднем 14.2 м в высоту, 18.5 см в толщину, средний прирост в высоту составляет 31.6 см, по толщине – 0.4 см (табл. 1). Это говорит о сформировавшихся благоприятных условиях для данной древесной породы. При этом не отмечены видимые признаки заселения насекомыми, повреждения, усыхания.

Во всех горизонтах лугово-черноземной почвы отмечались свободные карбонаты (СаСО3 и MgCO3) с максимумом содержания в гор. ВСА (табл. 2), т.е. данная почва вскипала от 10-й % HCl с поверхности, а многолетняя мерзлота отмечалась на глубине 123 см. Лесная перегнойно-карбонатная почва уже вскипала только с верхней границы гор. АВса или с 26 см, а многолетняя мерзлота была зафиксирована на глубине 102 см, т.е. на 21 см выше, чем в целинной почве. Последнее вполне объяснимо, если учесть, что на поверхности почвы разреза 1 за прошедшие 45 лет сформировался теплоизолирующий слой мощностью 13 см, состоящий из горизонтов лесной подстилки О и подстилочно-перегнойного ОН. Помимо морфологии также существенно изменились состав и свойства исследуемых почв (табл. 2–5). Так, в гор. АJ и АВса почвы разреза 1 значения рН водной вытяжки соответственно уменьшились на 1.0–0.7 от первоначальных, также значительно возросло содержание общего N в гор. OH, АВса и ВСА и органического С – в гор. OH и АВса. В гумусовой части профиля (гор. АJ + АВ) перегнойно-карбонатной почвы также увеличилось общее количество обменных оснований Са+2 и Mg+2 соответственно до 30.4–24.6 смоль(экв) кг–1 почвы, главным образом за счет катиона Са+2. В исследуемых почвах также значительно уменьшилось содержание подвижных карбонатов, что отмечается по снижению значений СО2 карбонатов в целом в 1.7 раза с 4.0–9.2% (табл. 2, разрез 2) до 2.3–5.3% (разрез 1). Но при этом максимальное содержание свободных карбонатов в обеих почвах отмечается в аккумулятивно-карбонатном гор. ВСА.

Таблица 2.  

Физико-химические свойства мерзлотных почв

Горизонт Глубина,
см
${\text{p}}{{{\text{H}}}_{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}}}}}$ Сорг,
%
N,
%
С:N Обменные катионы,
смоль(экв) кг–1 почвы
СО2, карбонатов, %
Ca+2 Mg+2 Na+
Мерзлотная перегнойно-карбонатная, разрез 1
О 0–5 6.0 0.82 68.2 39.6
ОН 5–8 6.4 27.21 1.04 26 60.0 34.1 Не.обн.
АJ 10–20 8.0 2.65 0.18 15 15.7 13.6 1.1 То же
АВса 26–36 8.6 2.22 0.11 20 12.3 11.3 1.0 2.3
ВCA 50–60 9.1 0.29 0.03 10 9.1 3.0 0.7 5.3
ВС 75–85 8.8 0.12 0.02 6 7.1 3.0 0.4 То же
Сса 90–100 9.1 0.06 0.01 6 5.0 2.0 0.1 2.5
Мерзлотная лугово-черноземная, разрез 2
Wса 0–2 8.0 7.22 0.21 34 14.5 17.4 4.0
АUса 10–20 9.0 2.89 0.13 12 8.2 16.5 1.4 5.7
АВса 26–36 9.3 0.93 0.02 46 7.1 9.1 1.2 8.4
ВCA 50–60 9.2 0.21 0.02 10 7.1 6.1 0.3 9.2
ВСса 75–85 8.9 0.16 0.01 16 7.4 10.2 0.2 6.2
Сса 90–100 8.9 0.10 0.01 10 7.6 10.6 0.3 6.5

Примечание. Не.обн. – не обнаружено; “–” – значение не определено.

Таблица 3.  

Гранулометрический состав мерзлотных почв

Горизонт Глубина,
см
Содержание частиц, %; размер, мм Сумма частиц, %
1–0.25 0.25–0.05 0.05–0.01 0.01–0.005 0.005–0.001 <0.001 мм <0.01 мм
Мерзлотная перегнойно-карбонатная, разрез 1
АJ 10–20 12.0 51.6 15.7 4.7 7.5 8.5 20.7
АВса 26–36 11.2 51.6 14.8 4.9 7.0 10.5 22.4
ВCA 50–60 11.8 55.0 8.6 4.5 7.3 12.8 24.6
ВС 75–85 8.7 65.0 11.4 3.3 3.4 8.2 14.9
Сса 90–100 15.1 76.0 3.3 0.2 0.8 4.6 5.6
Мерзлотная лугово-черноземная, разрез 2
Wса 0–2 12.6 48.3 19.7 4.8 7.1 7.5 19.4
АUса 10–20 5.4 42.5 19.9 5.3 9.5 17.4 32.2
АВса 26–36 4.2 40.1 17.2 5.8 12.5 20.2 38.5
ВCA 50–60 4.9 39.5 18.3 7.3 13.4 16.6 37.3
ВСса 75–85 0.8 35.9 24.7 8.0 14.4 16.2 38.6
Сса 90–100 0.3 43.5 30.1 5.5 8.3 12.3 26.1
Таблица 4.  

Состав водной вытяжки мерзлотных почв

Горизонт Глубина,
см
Ионы Сумма
солей, %
НС${\text{O}}_{3}^{ - }$ Cl S${\text{O}}_{4}^{{ - 2}}$ Ca+2 Mg+2 Na+ K+
Мерзлотная перегнойно-карбонатная, разрез 1
АJ 10–20 $\frac{{0.085}}{{1.40}}$ $\frac{{0.078}}{{2.25}}$ $\frac{{0.168}}{{0.50}}$ $\frac{{0.045}}{{2.25}}$ $\frac{{0.030}}{{2.50}}$ $\frac{{0.054}}{{2.35}}$ $\frac{{0.0021}}{{0.06}}$ 0.463
АВса 26–36 $\frac{{0.085}}{{1.40}}$ $\frac{{0.059}}{{1.67}}$ $\frac{{0.112}}{{2.34}}$ $\frac{{0.024}}{{1.20}}$ $\frac{{1.79}}{{1.80}}$ $\frac{{0.055}}{{2.39}}$ $\frac{{0.0009}}{{0.02}}$ 2.124
ВCA 50–60 $\frac{{0.055}}{{0.90}}$ $\frac{{0.069}}{{1.97}}$ $\frac{{0.063}}{{1.32}}$ $\frac{{0.009}}{{0.45}}$ $\frac{{0.014}}{{1.15}}$ $\frac{{0.028}}{{1.23}}$ $\frac{{0.0003}}{{0.01}}$ 0.258
ВС 75–85 $\frac{{0.037}}{{0.60}}$ $\frac{{0.033}}{{0.95}}$ $\frac{{0.038}}{{0.78}}$ $\frac{{0.009}}{{0.45}}$ $\frac{{0.014}}{{1.15}}$ $\frac{{0.017}}{{0.73}}$ $\frac{{0.0002}}{{0.01}}$ 0.147
Сса 90–100 $\frac{{0.037}}{{0.60}}$ $\frac{{0.009}}{{0.25}}$ $\frac{{0.011}}{{0.24}}$ $\frac{{0.008}}{{0.40}}$ $\frac{{0.006}}{{0.50}}$ $\frac{{0.004}}{{0.18}}$ $\frac{{0.0001}}{{0.005}}$ 0.075
Мерзлотная лугово-черноземная, разрез 2
АUса 10–20 $\frac{{0.226}}{{3.70}}$ $\frac{{0.024}}{{0.70}}$ $\frac{{0.170}}{{3.54}}$ $\frac{{0.021}}{{1.05}}$ $\frac{{0.034}}{{2.80}}$ $\frac{{0.093}}{{4.06}}$ $\frac{{0.0011}}{{0.03}}$ 0.569
АВса 26–36 $\frac{{0.101}}{{1.65}}$ $\frac{{0.024}}{{0.70}}$ $\frac{{0.133}}{{2.77}}$ $\frac{{0.005}}{{0.25}}$ $\frac{{0.019}}{{1.6}}$ $\frac{{0.075}}{{3.26}}$ $\frac{{0.0003}}{{0.01}}$ 0.357
ВCA 50–60 $\frac{{0.146}}{{2.40}}$ $\frac{{0.010}}{{0.30}}$ $\frac{{0.021}}{{0.44}}$ $\frac{{0.020}}{{1.00}}$ $\frac{{0.014}}{{1.15}}$ $\frac{{0.022}}{{0.98}}$ $\frac{{0.0001}}{{0.005}}$ 0.234
ВСса 75–85 $\frac{{0.110}}{{1.80}}$ $\frac{{0.007}}{{0.20}}$ $\frac{{0.020}}{{0.41}}$ $\frac{{0.017}}{{0.85}}$ $\frac{{0.009}}{{0.75}}$ $\frac{{0.019}}{{0.81}}$ $\frac{{0.0001}}{{0.005}}$ 0.181
Сса 90–100 $\frac{{0.070}}{{1.15}}$ $\frac{{0.009}}{{0.25}}$ $\frac{{0.032}}{{0.68}}$ $\frac{{0.007}}{{0.35}}$ $\frac{{0.007}}{{0.55}}$ $\frac{{0.027}}{{1.17}}$ $\frac{{0.0002}}{{0.006}}$ 0.152

Примечание. Содержание: в числителе ‒ %, в знаменателе ‒ мг-экв.

Таблица 5.  

Изменение свойств мерзлотных почв в процессе залесения

Слой,
см
Объемная
масса, кг м–3
Сорг,
%*
Общий
N, %*
Сумма обменных оснований,
смоль(экв) кг–1 почвы
Сумма
солей, %
СО2
карбонатов, %
Мерзлотная лугово-черноземная, разрез 2
0–50 1250 $\frac{{1.76}}{{11.00}}$ $\frac{{0.07}}{{0.44}}$ 20.4 $\frac{{0.397}}{{2.48}}$ $\frac{{7.4}}{{46.25}}$
50–100 1290 $\frac{{0.15}}{{0.97}}$ $\frac{{0.01}}{{0.06}}$ 17.1 $\frac{{0.183}}{{1.18}}$ $\frac{{6.9}}{{44.50}}$
0–100 $\frac{{0.95}}{{11.97}}$ $\frac{{0.04}}{{0.50}}$ 18.8 $\frac{{0.290}}{{3.66}}$ $\frac{{7.1}}{{90.75}}$
Мерзлотная перегнойно-карбонатная, разрез 1
0–50 1070 $\frac{{3.15}}{{16.85}}$ $\frac{{0.24}}{{1.28}}$ 36.1 $\frac{{0.701}}{{3.75}}$ $\frac{{1.9}}{{10.16}}$
50–100 1410 $\frac{{0.18}}{{1.27}}$ $\frac{{0.02}}{{0.14}}$ 10.6 $\frac{{0.176}}{{1.24}}$ $\frac{{3.0}}{{21.15}}$
0–100 $\frac{{1.66}}{{18.12}}$ $\frac{{0.13}}{{1.42}}$ 23.3 $\frac{{0.438}}{{4.99}}$ $\frac{{2.4}}{{31.31}}$

* В знаменателе приведено содержание, кг м–2; “–” – значение не определено.

Перегнойно-карбонатная почва (табл. 3, разрез 1) характеризуется более легким супесчано-легкосуглинистым, тогда как лугово-черноземная – в основном среднесуглинистым гранулометрическим составом (разрез 2) минеральных почвенных горизонтов. При этом нужно подчеркнуть, что почва разреза 1 развивается на песчаных, а почва разреза 2 – на легкосуглинистых аллювиальных отложениях II надпойменной террасы р. Лена, для которых весьма характерна слоистость и контрастность гранулометрического состава (Усков, 1985). Таким образом, нужно полагать, что существенные различия в гранулометрическом составе изучаемых почв, являются следствием, прежде всего неоднородности состава их почвообразующих пород, а не результатом педогенеза. Между тем нельзя не заметить сходство гранулометрического состава и содержания отдельных фракций механических элементов в гор. АJ (табл. 3, разрез 1) и гор. Wса (разрез 2) данных почв, а также различия в их количестве, отмечаемые в нижележащих горизонтах АВса и ВСА. Следовательно, необходимо также предполагать, что облегчение гранулометрического состава лесной перегнойно-карбонатной почвы по сравнению с целинной лугово-черноземной является также следствием влияния процесса выщелачивания. Латеральная миграция влаги, вероятно, происходила в периоды влагонасыщения почвенного профиля в условиях наличия мерзлотного влагонепроницаемого экрана, в связи со сменой водного режима данных почв с криогенно-выпотного на мерзлотный периодически промывной. Только этим можно объяснить уменьшение содержания фракции средней и мелкой пыли в гор. АВса и ВСА почвы разреза 1 (табл. 3), а также одновременное снижение в данных горизонтах количества подвижных карбонатов соответственно с 8.4 до 2.3% и с 9.2 до 5.3%. Подвижные карбонаты в изучаемых почвах обычно обнаруживаются во фракциях средней (0.01–0.005 мм) и мелкой (0.005–0.001 мм) пыли, поэтому не случайно были получены коэффициенты корреляции для связей данных показателей с общим содержанием СО2 карбонатов, которые оказались соответственно равны r = 0.507 и r = 0.693.

Исследуемые почвы также оказались довольно разными по строению солевых профилей, степени и химизму засоления (табл. 4). Так, целинная лугово-черноземная почва разреза 2 характеризовалась аккумулятивным типом солевого профиля с максимальным содержанием солей в поверхностном гор. АUса, в то время как максимум засоления в перегнойно-карбонатной почве отмечался в гор. АВса. Горизонты Сса в обеих почвах оказались незасоленными, также как и гор. ВСса в целинной почве разреза 2. Наиболее засоленным оказался гор. АВса перегнойно-карбонатной почвы разреза 1, который согласно известным градациям (Еловская, 1987) диагностируется как хлоридно-сульфатный магниево-натриевый солончак. Нижние горизонты ВСА и ВС данной почвы характеризуются соответственно как средне- и слабозасоленные сульфатно-содовые кальциево-магниевые и магниево-кальциевые, а гор. АJ – как среднезасоленный с хлоридно-сульфатным кальциево-магниевым типом засоления. Таким образом, почва разреза 1 имела двучленный солевой профиль: верхний (гор. АJ + АВса) – среднезасоленный и солончаковый хлоридно-сульфатный магниево-натриевый и нижний (гор. ВСА + ВС) – средне- и слабозасоленный сульфатно-содовый ‒ соответственно кальциево-магниевый и магниево-кальциевый. В целинной почве разреза 2 солевой профиль был более-менее однородный по химизму солей и степени засоления; условно его можно разделить на две части: верхнюю (гор. АUса), где фиксируется среднее засоление хлоридное кальциево-магниевое, и нижнюю (гор. АВса + ВCA), где отмечается слабое засоление ‒ соответственно хлоридно-сульфатное магниево-кальциевое и сульфатно-хлоридное кальциево-магниевое.

Также необходимо отметить, что солевой профиль перегнойно-карбонатной почвы не характерен для мерзлотных лесных почв с периодически промывным типом водного режима, такой профиль в большей степени типичен для лугово-степных почв с криогенно-выпотным типом водного режима. Данное обстоятельство объясняется тем, что лето 2018 г. по метеорологическим условиям характеризовалось как крайне сухое, когда в течение всего июля не выпало ни одного дождя. Вероятно, в это время в условиях резкого дефицита влаги в почве разреза 1 и сформировался подобный нетипичный для лесных почв Центральной Якутии тип солевого профиля.

С учетом данных по объемной массе, мощности отдельных горизонтов и содержания в них анализируемых химических показателей, мы также рассчитали их средневзвешенные значения и запасы послойно в 1 м3 почвы в расчете на 1 м2 (табл. 5). Таким образом было выявлено, что в почвенной толще (0–100 см) перегнойно-карбонатной почвы за 45-летний период воздействия лесной растительности по сравнению с целинной лугово-черноземной в целом увеличилось общее количество обменных оснований Са+2 и Mg+2 в 1.2 раза, сумма солей ‒ в 1.5 раза, содержание общего N и органического С ‒ в 3.2 и 1.7 раза соответственно, но при этом уменьшилось количество подвижных карбонатов в 2.9 раза. За рассматриваемый период средние скорости накопления растворимых солей, общего азота и органического углерода в данной почве составили соответственно 29, 20 и 137 г м–2 год–1, а выщелачивания подвижных карбонатов (в пересчете на СаСО3) – 3 кг м–2 год–1. Незначительное накопление легкорастворимых солей в сумме 1.33 кг м–2 на фоне общего выноса подвижных карбонатов в перегнойно-карбонатной почве по нашему мнению связано с увеличением растворяющей способности данной почвы по сравнению с целинной лугово-черноземной в результате смены водного режима и увеличения ее влажности.

Рис. 3.

Магнитные профили исследуемых мерзлотных почв: а – лугово-черноземной, б – перегнойно-карбонатной.

Магнитная восприимчивость является универсальным показателем, отражающим почвенно-генетические и почвенно-экологические особенности конкретных типов почв (Бабанин и др., 1995; Водяницкий, Шоба, 2015). В горизонтах АUca, АВca разреза 2 (рис. 3, А) и гор. AJ, АВca разреза 1 (рис. 3б) изучаемых почв значения УМВ в целом сопоставимы и соответственно равны 76.3 и 73.4, а также 63.9 и 71.7 м3 кг–1. А в верхних органогенных гор. О и ОН разреза 1 значения УМВ закономерно снижаются до 14.8 и 23.0 м3 кг–1. Это указывает на то, что здесь формируется новая относительно “молодая” лесная почва и в целом в почвенном профиле данного разреза идет перестройка магнитного органо-минерального каркаса целинной почвы разреза 2 и прежде всего за счет уменьшения почти в 3 раза содержания подвижных карбонатов СаСО3 и MgCO3. Известно, что кальцит является диамагнетиком с отрицательным значением УМВ, равным –0.38 × 10–6 см3 г–1 (Бабанин и др., 1995, с. 53). Следовательно, при увеличении содержания СаСО3 в почве, значение ее УМВ снижается, и, наоборот, при снижении такового величина УМВ возрастает. Поэтому в гор. ВСА, ВС и Сса почвы разреза 1 по сравнению с аналогичными почвы разреза 2 значения УМВ увеличиваются в среднем в 2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате смены лугово-степной растительности на лесную под еловыми насаждениями 45‑летнего возраста на мерзлотной лугово-черноземной почве, со следующим строением профиля: Wса–АUса–АВса–ВCA–ВСса–Сса в условиях криоаридного климата Центральной Якутии, произошло кардинальное изменение свойств и состава данной почвы и формирование нового типа мерзлотной перегнойно-карбонатной почвы со следующим морфологическим строением: О–ОН–АJ–АВса–ВCA–ВС–Сса и меньшей глубиной сезонного протаивания. В гор. АJ и АВ перегнойно-карбонатной почвы значения ${\text{р}}{{{\text{Н}}}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ понизились соответственно на 1.0 и 0.7 от первоначальных. В почвенной толще (0–100 см) вторичной лесной почвы по сравнению с целинной лугово-степной в целом увеличилось общее количество обменных оснований Са+2 и Mg+2 в 1.2 раза, сумма солей ‒ в 1.5 раза, содержание общего N и органического С ‒ в 3.2 и 1.7 раза соответственно, но при этом уменьшилось количество подвижных карбонатов в 2.9 раза. Средние скорости накопления растворимых солей, общего азота и органического углерода в данной почве составили соответственно 29, 20 и 137 г м–2 год–1, а выщелачивания СаСО3 – 3 кг м–2 год–1. Существенно изменились также и магнитные свойства исследуемых почв, то есть значения объемной и магнитной восприимчивости, а также строение их магнитных профилей. При этом во вновь сформированных органогенных гор. О и ОН перегнойно-карбонатной почвы средние значения УМВ понизились почти в 3 раза, а в нижних минеральных ВСА, ВС и Сса повысились в 2 раза по сравнению с целинной лугово-черноземной почвой, вследствие выщелачивания подвижных карбонатов из состава данных горизонтов.

Список литературы

  1. Анциферова О.А. Влияние еловых насаждений на свойства буроземов Калининградской области // Вестник Российского государственного университета им. И. Канта. 2010. Вып. 7. С. 111–116.

  2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во Московского университета, 1970. 487 с.

  3. Бабанин В.Ф., Трухин В.И., Карпачевский Л.О., Иванов А.В., Морозов В.В. Магнетизм почв. Ярославль: Ярославский гос. тех. университет, 1995. 223 с.

  4. Беляев А.Б. Многолетняя динамика свойств черноземов выщелоченных под разными лесонасаждениями // Почвоведение. 2007. № 8. С. 917–926.

  5. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М.: “Высшая школа”, 1973. 399 с.

  6. Ведрова Э.Ф. Мухортова Л.В., Метелева М.К. Трансформация органического вещества подстилки в лесных культурах // Лесоведение. 2018. № 1. С. 24–36.

  7. Водяницкий Ю.Н., Шоба С.А. Магнитная восприимчивость как индикатор загрязнения тяжелыми металлами городских почв (обзор литературы) // Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение. 2015. № 1. С. 13–20.

  8. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М.: Изд-во Московского университета, 1989. 272 с.

  9. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. М.: Книжный дом “ЛИБРОКОМ”, 2009. 328 с.

  10. Егунова М.Н., Бескоровайная И.Н. Особенности формирования мезофауны в 40-летних культурах на старопахотной серой почве // Вестник КрасГАУ. 2015. № 6. С. 3–9.

  11. Еловская Л.Г. Классификация и диагностика мерзлотных почв Якутии. Якутск: Изд-во Якутского филиала СО АН СССР, 1987. 172 с.

  12. Зонн С.В. Влияние леса на почву. М.: Наука, 1954. 189 с.

  13. Исаев А.П. Естественная и антропогенная динамика лиственничных лесов криолитозоны (на примере Якутии): Автореф. дис. д-ра. биол. наук (экология ‒ 03.02.08). Якутск: Изд-во “СМИК-МАСТЕР”, 2011. 51 с.

  14. Карпачевский Л.О. Лес и лесные почвы. М.: Лесн. пром-сть, 1981. 262 с.

  15. Карпачевский Л.О. Структура почвенного покрова и разнообразие лесных фитоценозов // Почвоведение. 1996. № 6. С. 722–727.

  16. Карпачевский Л.О., Зубкова Т.А., Ташнинова Л.Н., Руденко Р.Н. Почвенный покров и парцеллярная структура лесного биогеоценоза // Лесоведение. 2007. № 6. С. 107–113.

  17. Качинский Н.А. Механический и микроагрегатный состав почвы и методы его изучения. М.: Изд-во АН СССР, 1958. 190 с.

  18. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

  19. Конспект флоры Якутии: Сосудистые растения / Сост. Л.В. Кузнецова, В.И. Захарова. Новосибирск: Наука, 2012. 272 с.

  20. Коропачинский И.Ю., Встовская Т.Н. Древесные растения Азиатской России. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал “Гео”, 2002. 707 с.

  21. Лукина Н.В., Орлова М.А., Исаева Л.Г. Плодородие лесных почв как основа взаимосвязи почва‒растительность // Лесоведение. 2010. № 5. С. 45–56.

  22. Макарычев С.В., Лебедева Л.В. Формирование гидротермического режима почвы под древесными породами в условиях дендрария // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2016. № 5(139). С. 44–49.

  23. Макарычев С.В., Лебедева Л.В. Физические и физико-химические свойства почв разного генезиса (на примере дендрария им. М.А. Лисавенко) // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2017. № 8(154). С. 58–62.

  24. Мошкина Е.В. Содержание свободных аминокислот в почвах хвойных лесов Карелии // Лесной вестник. 2008. № 4. С. 17–21.

  25. Петрова А.Е. Интродукция деревьев и кустарников в ботаническом саду // Интродукционные исследования растений в Якутии: Cб. научн. трудов. Якутск: Изд-во Якутского филиала СО АН СССР, 1987. С. 32–46.

  26. Поздняков Л.К. Даурская лиственница. М.: Наука, 1975. 298 с.

  27. Практикум по почвоведению / Под ред. Кауричева И.С. М.: Колос, 1980. 272 с.

  28. Солодовников А.Н., Рожков В.А. Исследование влияния древесной породы на почву методом дискриминатного анализа // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2019. Вып. 96. С. 22–46.

  29. Роде А.А. Система методов исследования в почвоведении. Новосибирск: Наука, 1971. 92 с.

  30. Розанов Б.Г. Морфология почв. М.: Изд-во Московского университета, 1983. 320 с.

  31. Усков М.Н. Минеральный состав и геохимические особенности четвертичных отложений Центральной Якутии. Якутск: Изд-во Якутского филиала СО АН СССР, 1985. 108 с.

  32. Уткин А.И. Леса Республики Саха (Якутия) – феномен таежного пояса Северной Евразии // Хвойные бореальные зоны. 2006. Т. 23. № 3. С. 7–14.

  33. Чевычелов А.П., Скрыбыкина В.П., Васильева Т.И. Географо-генетические особенности формирования свойств и состава мерзлотных почв Центральной Якутии // Почвоведение. 2009. № 6. С. 648–657.

  34. Чугунов Б.В. Леса Якутии и возможность их отражения в Якутском ботаническом саду // Интродукция растений в Центральной Якутии. Отв. ред. Аворин Н.А., М.; Л.: Наука, 1965. С. 45–76.

  35. Чугунова З.Е. Ассортимент деревьев и кустарников для озеленения населенных пунктов Якутии // Интродукция растений в Центральной Якутии. Отв. ред. Аворин Н.А., М.; Л.: Наука, 1965. С. 5–18.

  36. Щербаков И.П. Лесной покров Северо-Востока СССР. Новосибирск: Наука, 1975. 344 с.

  37. Bargali K., Manral V., Padalia K., Bargali S.S., Upadhyay V.P. Effect of vegetation type and season on microbial biomass carbon in Central Himalayan forest soils, Jndia // Catena. 2018. V. 171. P. 125–135.

  38. Binkley D., Giardina C. Why do trees species affect soils? The warp and woof of tree-soil interactions // Biogeochemistry. 1998. № 42. P. 89–106.

  39. Chang X., Jin H., Yu S., He R., Luo D., Lu L., Sun H., Sun G. Influence of vegetation on frozen ground temperatures the forested area in the Da Xing’ Anling Mountains, Northeastern China // Shengtai Xuebao. 2011. V. 31. № 18. P. 5138–5147.

  40. Ganuza A., Almendros G. Organic carbon storage in soils of the Basque country (Spain): the effect of climate, vegetation type and edaphic variables // Biology and Fertility of Soils. 2003. V. 37. № 3. P. 154–162.

  41. Kourtev P.S., Shrenfeld J.G., Huang W.Z. Effect of exotic plant species on soil properties in hardwood forest of New Jersey // Water, Air & Soil Pollution. 1998. V. 105. № 1–2. P. 493–501.

  42. Lukina N.V., Orlova M.A., Tikhonova E.V., Tebenkova D.N., Kasakova A.T., Gornov A.V., Smirnov V.E., Knyazeva S.V., Bakhmet O.N., Kryshen A.M., Shashkov M.P., Ershov V.V. The influence of vegetation on the forest soil properties in the republic of Karelia // Eurasian Soil Science. 2019. V. 52. № 7. P. 793–807.

  43. Phillips D.H., Firtz Patrick E.A. Biological influence on the morphology and micromorphology of selected podzols (spodosols) and cambisoils (inceptisoils) from the Eastern United States and North-East Scotland // Geoderma. 1999. V. 90. № 3–4. P. 327–364.

  44. Raich Ja.W., Tufekciogul A. Vegetation and soil respiration: correlations and controls // Biogeochemistry. 2000. V. 48. № 1. P. 71–90.

  45. Rech P.B., Oleksyn J., Modrzynski J., Mrozinski P., Hobbie S.E., Eissenstat D.M., Chorover J., Oliver A.C., Cynthia M.H., Tjoelker M.G. Linking litter calcium, eartworms, and soil properties: a common garden test with 14 temperate tree species // Ecology Letters. V. 8. № 8. 2005. P. 811–818.

  46. Wu H.H., Xu X.K., Duan C.T., Li T.S., Cheng W.G. Effect of vegetation type, wetting intensity, and nitrogen supply on external carbon stimulated heterotrophic respiration and microbial biomass carbon in forest soils // Science China Earth Sciences. 2015. V. 58. № 8. P. 1446–1456.

Дополнительные материалы отсутствуют.