Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 7
Глава 2. Экологические условия почвообразования 20
2.1. Основные черты геолого-геоморфологического строения 20
2.2. Климатические условия и их влияние на почвообразование 22
2.3. Растительный покров 25
Глава 3. Объекты и методы исследований 33
3.1. Методы исследования 33
3.2. Общая характеристика объектов исследования 35
3.3. Физико-химические свойства лесных почв 53
Глава 4. Содержание и формы азота в лесных почвах и их подвижность 66
4.1. Азотный фонд подстилок 66
4.2. Общий азот лесных почв 82
4.2.1. Содержание общего азота и гумуса в почвах 82
4.2.2. Запасы общего азота и гумуса в почвах 99
4.3. Минеральный азот лесных почв 104
4.3.1. Содержание минерального азота в почвах и его формы... 104
4.3.2. Запасы минерального азота в почвах 123
4.4. Органический азот лесных почв 130
4.4.1. Гидролизуемые формы органического азота 130
4.4.2. Негидролизуемый органический азот лесных почв 143
4.4.3. Запасы органического азота в почвах 146
4.5. Аммонификация и нитрификация в лесных почвах 149
Глава 5. Экологические особенности азотного фонда лесных почв .165
Выводы 171
Библиографический список использованной литературы 173
Приложения 188
- Основные черты геолого-геоморфологического строения
- Общая характеристика объектов исследования
- Азотный фонд подстилок
Введение к работе
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, 1999 и др.). Сведения о лесных почвах имеются в работах В.М Колосова
4 (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 исследования. Целью настоящей работы является изучение экологических особенностей азотного фонда лесных почв Ульяновской области. Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
Исследовать особенности азотного фонда разных по генезису почв и определить роль различных азотсодержащих веществ в балансе азота.
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 для оценки 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.
Процессы аккумуляции азота и превращение отдельных форм азотсодержащих соединений отражают экологические условия формирования почв.
Среди процессов превращения азотсодержащих соединений в естественных условиях наибольший размах в дерновых и светло-серых почвах получили процессы аммонификации, в серых лесных -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 170 наименований.
Основные черты геолого-геоморфологического строения
В геологическом отношении Правобережье области характеризуется широким распространением мезозойских и кайнозойских отложений преимущественно морского происхождения. Коренные породы в большинстве случаев залегают на небольшой глубине под покровом более молодых - четвертичных отложений.
Наиболее древние коренные породы, выходящие на дневную поверхность в пределах области, относятся к верхнему отделу Юрской системы. Они представлены светло-серыми, серыми и темно-серыми известковистыми, иногда сланцеватыми слегка битуминозными плотными глинами, тонкими прослойками и линзами мягких мергелей и рассеянными мелкими желваками фосфорита (Агрохимическая характеристика почв..., 1966).
Юрские отложения прикрываются сверху мощной толщей меловых отложений. Нижнемеловые отложения, представленные Неокомским, Аптским и Альбским ярусами, сложены очень мощной (до 180-200 м) толщей серых, и темно-серых плотных глин с прослойками песчанистых глин и глинистых глауконитовых песков, обнажающихся местами по правому берегу Волги, а также на Свияго-Волжском водоразделе к северу от г. Ульяновска и по левобережью р. Свияга. Верхнемеловые отложения значительно больше распространены, чем нижнемеловые. Их выходы на поверхность наблюдаются по правому берегу Волги от Ульяновска до Бектяшки, а также в бассейнах Свияги, Суры и Барыша и Яклы. Они также распространены в бассейнах рек Сызрань и Терешка в южных районах области. Нижнемеловые и верхнемеловые отложения, в связи с их значительным распространением на территории области, имеют большое значение в процессах почвообразования (Природа..., 1963).
Третичные отложения имеют большое распространение в центральных, западных и южных частях правобережья области, слагая, главным образом, водораздельные пространства. Представлены Сызранским (нижнесызранской и саратовской свитой) и Царицынским ярусами нижнего палеогена. Нижнесызранская свита слагается преимущественно темно-серыми кремнистыми и желтовато-серыми глинистыми опоками, а также диатомистыми и песчанистыми опоками, саратовская свита мелкозернистыми, белыми, светло-серыми или желтоватыми кварцевыми песками с конкрециями, линзами и прослоями песчаника. Вышележащий Царицинский ярус представлен песками с прослоями рыхлых песчаников и песчанистых опок. Эти породы наблюдаются лишь в юго-западной части области в районе Барыша, Жадовки, Кузоватово, Николаевки, Павловки и Радищева. Здесь они имеют огромное значение как почвообразующие породы, обусловливая развитие выщелоченных и оподзоленных, преимущественно песчаных и супесчаных, реже глинистых и суглинистых почв (Природные..., 1978).
Неогеновые отложения представлены лишь плиоценом, имеющим небольшое распространение - древнеаллювиальными озерными косослоистыми песками, галечниками, рыхлыми песчаниками, мергелями и песчанистыми глинами, Четвертичные отложения представлены комплексом рыхлых осадочных пород в виде глин, суглинков и реже супесей и песков. Как почвообразующие породы они имеют большое значение, особенно в пределах северной равнинной части Правобережья, где нашли преимущественное развитие черноземные почвы (там же).
Левобережье в геологическом отношении резко отличается от Правобережья, т. к. здесь распространены мощные песчаные древнеаллювиальные отложения Волги. У восточной границы области развиты неогеновые глинисто-песчаные отложения (там же). Таким образом, геологическое строение Ульяновской области указывает на значительное разнообразие пород, слагающих ее поверхность, частую смену их и определенный характер сочетаний в различных районах; все это не может не сказаться на направлении и интенсивности почвообразовательных процессов в данных природных условиях.
Характер поверхности в Ульяновской области также весьма разнообразный. Высота над уровнем моря колеблется в широких пределах -от 50 до 300 м. Максимальные высотные отметки (свыше 300 м) сосредоточены в юго-западной части области в истоках рек Сура, Барыш, Сызрань. Правобережье представляет собой высокую волнистую равнину, постепенно понижающуюся с юга на север. Левобережье относится к низменному Заволжью, представляющее древнюю долину р. Волга (Нолль, 1964).
Общая характеристика объектов исследования
Дерновые почвы характеризуются развитием дернового процесса и отсутствием дифференциации профиля по элювиально-иллювиальному типу.
Разрез 2 (VI. 04). Сенгилеевский район, в 5 км на юго-запад от с. Шиловка, в 50 м на запад от р. Арбуга. Верхняя часть холма, западная экспозиция, крутизна 5. Тип леса - сосняк снытьево-осоковый с примесью липы, вяза и березы. В подлеске лещина обыкновенная, клен, бересклет бородавчатый.
Почва дерновая суглинистая высокощебнистая на опоках палеогена. Строение профиля: O(4)-A(15)-Bp(10)-DpB(15)-Dl(15)-D2(25). К особенностям разреза относится черная окраска гумусового горизонта, высокая щебнистость, обильный грибной мицелий в почвенной толще.
Разрез 20 (VIII. 05). Сенгилеевский район, в 5 км на юго-запад от с. Шиловка, 90 м на запад от р. Арбуга. Средняя часть холма, западная экспозиция, крутизна 3-5. Тип леса - липняк снытьево-осоковый с примесью березы. В подлеске лещина.
Почва дерновая суглинистая на суглинках палеогена. Строение профиля: О(3)-А(10)-В(10)-ВС(15)-С(5). К особенностям разреза относится черная окраска гумусового горизонта, отсутствие щебня, обильный грибной мицелий в почвенной толще и его скопление на глубине 40 см. О 0-3 см. Подстилка из опавших листьев, веточек, хорошо разложившаяся, снизу подстилается многочисленным грибным мицелием, А 3-10 см. Темно-серый, среднесуглинистый, свежий, крупнозернистый, рыхлый, корни и деревьев, сильноразвитый грибной мицелий, копролиты червей, переход ясный по цвету, структуре. В 10-20 см. Серый, тяжелосуглинистый, свежий, ореховатый и крупноореховатый, более плотный, редкие корни растений, мицелий, редкий мелкий щебень материнской породы. ВС 25-40 см. Светло-серый, смесь суглинка и крупного плоского щебня, по граням щебня
- охристый налет окислов железа, белесые не вскипающие вкрапления, свежий, встречаются корни, скопление мицелия. С 45-50 см. Неоднородно окрашен - желтоватый и светло-серый, комковатый суглинок с мелким щебнем, мелкие новообразования окислов железа, белесые не вскипающие вкрапления, редкие корни, мицелий, вскипания нет.
Разрез (VI. 04). Сенгилеевский район, менее 5 км на юго-запад от с. Шиловка. Плоская вытянутая вершина возвышенности. Тип леса - березняк разнотравно-злаковый с примесью дуба. В подлеске - лещина обыкновенная, клен остролистный, вишня степная, встречается шиповник коричный, бересклет бородавчатый. Травяной покров состоит из злаков, ландыша майского, земляники лесной.
Почва дерновая легкосуглинистая на маломощных опоках и суглинках палеогена. Строение профиля: O(6)-A(20)-ADp(15)-Dl(20)-D2(30)-D3(20). Отличительными признаками разреза является темно-серая окраска гумусового горизонта, присутствие щебня.
Разрез 19 (VIII. 05). Сенгилеевский район, 50 м севернее разреза РЗ. Плоская вытянутая вершина возвышенности. Тип леса - березняк с примесью дуба разнотравно-злаковый. В подлеске лещина обыкновенная, клен остролистный, бересклет бородавчатый, вишня степная. Травяной покров представлен злаками, ландышем, земляникой лесной.
Почва дерновая легкосуглинистая на суглинках палеогена. Строение профиля: О(3)-А(10)-С(50). Разрез отличается от предыдущего отсутствием переходного горизонта и щебня.
Разрез 7 (VII. 04). Сенгилеевский район, между п. Артюшкино и Смородинка, в 300 м на юг от р. Смородинка. Верхняя часть возвышенности. Тип леса - сосняк разнотравный с примесью березы и дуба. В подлеске лещина обыкновенная, бересклет европейский, рябина. Травяной покров из ландыша майского, земляники лесной, фиалки песчаной.
Почва дерновая песчаная на песках палеогена. Строение профиля: Ad(5)-Al(10)-AC(25)-Cl(45)-C2f(75)-C3f(5). Разрез отличается гидрогенной аккумуляцией железа в нижней части профиля и уплотненным сложением материнской породы.
Разрез 8 (VIII. 04). Сенгилеевский район, между п. Артюшкино и Смородинка, в 50 м на юго-запад от р. Смородинка. Нижняя часть склона, северно-западная экспозиция, крутизна 10. Тип леса - березняк разнотравно-злаковый с примесью дуба и сосны. В подросте дуб, береза, лещина. Травяной покров из полевицы тонкой, клевера среднего, клевера ползучего, тысячелистника обыкновенного, земляники лесной.
Азотный фонд подстилок
Высвобождение азота из подстилок происходит в процессе их минерализации и выноса с внутрипочвенным стоком. Как указывают исследователи, скорость этих процессов не одинаковая. Так в подстилке дубняка на темной серо-бурой супесчаной почве освобождение азота из подстилки при минерализации происходит быстрее, чем последующий вынос с внутрипочвенным стоком. По скорости минерализации азот стоит на третьем месте после калия и фосфора, наравне с магнием, подвижность азота после высвобождения располагается на четвертом месте после алюминия, кальция и магния (Ремезов, 1961).
Запасы азота в подстилках приведены для активной части (труха, разлагающиеся растительные остатки, листья, хвоя, сухая трава, семена).
Содержание валового азота в подстилке зависит от особенностей растительного покрова. Подстиліш сосновых лесов в большинстве случаев содержат меньше азота (0,92 %), по сравнению с подстилками широколиственных лесов (! ,22 %). Среди подстилок сосново-широколиственных лесов наибольшее содержание азота выявлено в подстилке сосняка снытьево-осоковом с примесью широколиственных пород, произрастающего на дерновых почвах, сформировавшихся на щебнистых породах палеогена (Р2) - 1,04 %. Подстилка пронизана мицелием грибов. Подстилки сосняков на почвах на древнеаллювиальных четвертичных песках содержат меньше азота, чем выше рассмотренная, причем подстилка разнотравного сосняка (Р15) содержит больше азота, нежели осоковолосистого (Р16) - 0,97 и 0,95 % (достоверно при а 0,05). Еще меньше азота содержится в подстилках сосново-широколиственных лесов, произрастающих на почвах, где материнскими породами являются пески палеогена. Так, наименьшее количество азота содержится в подстилке разнотравной ассоциации сосны с примесью березы и дуба (Р12) - 0,75 % (табл. 3).
Подстилки сосново-широколиственных лесов, произрастающих на почвах, где материнскими породами являются верхнемеловые отложения (P6), характеризуются повышенным содержанием азота - 0,98 %. Относительно невелико содержание азота в подстилке осинника разнотравного с примесью березы, дуба и сосны на серой почве (Р22) -0,83 % (табл. 3).
Подстилки березняков на бедных супесчаных почвах, где в состав древостоя входит сосна и напочвенный покров разнотравно-осоковый (Р17), содержат меньше азота (0,96 %), чем подстилки березняков на суглинистых почвах, в составе древостоев которых есть дуб и напочвенный покров разнотравно-злаковый (РЗ, Р19) (1,14 и 1,15 %) (табл. 3).
Подстилки дубняков имеют средние количества азота. Содержание азота в опаде дубняков 2004 и 2005 гг. на серой почве несколько варьирует - 0,95 и 1,02 %. Подстилки дубняков могут содержать и больший разброс в пределах одного типа леса (в разных подгоризонтах) - 0,64-1,81 % (Ремезов, Погребняк, 1965).
Наиболее богаты азотом подстилки липовых лесов, особенно мертвопокровные (РП, Р14, Р21). 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 количество его содержание падает до 1,28%, осенний опад наиболее богат азотом - 1,56% (табл, 3). Эти липняки произрастают на темно-серой почве на верхнемеловых отложениях, в состав древостоя входят также дуб и клен. Подстилки липняков, произрастающие на более бедных почвах (дерновых супесчаных на песках палеогена (Р13)), содержат меньше азота - 1,09 %. В литературе также отмечено, что в широколиственных лесах наибольшее количество азота содержится в липовых подстилках (Шумаков, 1963).
