Пространственная неоднородность свойств почв в зоне распространения островной мерзлоты
В.В. Старцев, Ю.А. Дубровский, Е.В. Жангуров, А.А. Дымов Институт биологии Коми научного центра УрО РАН
Аннотация
Пространственная неоднородность свойств почв определяется различными почвенными комбинациями в пределах элементарных почвенных ареалов (ЭПА). Рассмотрены морфологические и физико-химические свойства почв горно-лесного и горно-тундрового поясов Приполярного Урала на примере двух траншей. Почвы горно-лесного пояса формируется в спорадически-пятнистом ЭПА, а почвы горно-тундрового пояса - в регулярно-циклическом ЭПА. Выявлено, что высокая гетерогенность напочвенного растительного покрова обусловливает специфичность формирования различных почвенных комбинаций, различающихся генетически и морфологически.
В горно-лесном поясе формируются торфяно-перегнойно-криометаморфическая почва (Histic Cambi-Turbic Cryosol (Humic)), торфяно-криозём глеевый криогенно-ожелезнённый (Histic Cryosol (Turbic, Reductaquic)) и торфяно-криозём криогенно-ожелезнённый (Histic Cryosol). В горно-тундровом поясе формируются подбур глеевый глинисто-иллювиированный мерзлотный (Stagnic Entic Podzol (Skeletic, Turbic, Reductaquic)), подбур иллювиально-гумусовый глееватый мерзлотный (Folic Cryosol (Skeletic. Humic)) и подбур глинисто-иллювиированный (Stagnic Entic Podzol (Turbic, Skeletic)).
По физико-химическим показателям выявлено, что увеличение содержания обменных катионов Ca2+ и Mg2+ в органогенных горизонтах исследуемых почв определяется составом мохово-лишайникового яруса и сменой доминантов напочвенного покрова, которые маркируют различные условия увлажнения экосистемы. Содержание углерода и азота в минеральных горизонтах почв горно-тундрового пояса значительно выше, чем в почвах горно-лесного пояса, что обусловлено низкой биологической активностью почв горно-тундрового пояса из- за суровых климатических условий и большей консервацией органического вещества в минеральных горизонтах.
Ключевые слова: мерзлотные почвы; неоднородность свойств; многолетнемерзлые породы ММП; Cryosol; Podzol.
Abstract
The structure of the soil cover of the Subpolar Urals is characterized by diversity due to the combination of contrasting environmental conditions: a mosaic of vegetation, character of soil-forming rocks and topography. The study of the spatial variation of soil properties will provide more accurate information about the features of the soil cover of the Subpolar Urals. The aim of this research was to study the spatial heterogeneity of the morphological and physical-chemical properties of soils of the polar Urals.
We carried out studies on the territory of “Yugyd va” National Park (63°59' N, 59°13' E) in the northern part of the Subpolar Urals (See Fig. 1). We examined morphological and physical- chemical properties of soils of the mountain-forest and mountain-tundra belts of the Subpolar Urals using the example of two trenches (See Fig. 2). The first trench was located in the mountain-forest belt (See Fig. 3A). Coordinates: 65°08'12.5"N, 60°51'24.0"E. The second trench was located in the alpine-tundra belt (See Fig. 3B). Coordinates: 65°02'06.3"N, 60°35'19.2"E. The trenches were divided into three segments. Diagnostics and position classification of soils was carried out in accordance with “Field guide of Russian soils” (2008) and the World Reference Base of Soil Resources, version 2015 (IUSS Working Group WRB, 2015). For the studied soils, we determined the main physical-chemical parameters: acidity, total contents of C and N, exchangeable cations - Ca2+ and Mg2+, as well as the content of Fe , Al and Fe..,. (Vorob'eva LA, 2006). The contents of carbon and nitrogen were determined using elemental analyzer EA 1110 (Carlo Erba, Italy). Granulometric composition was determined according to the method of Kachinsky (Shein EV and Karpachevskii LO, 2007).
We showed that the heterogeneity of morphological properties may determine differences between soils within a few meters. We revealed that for the studied trenches the variation of morphological features determines major differences between soils. It is demonstrated that differences in the intensity of soil processes lead to a wide soil diversity. Thus, several types and subtypes of permafrost soils were identified. In the mountain forest belt are formed: Histic Cambi-Turbic Cryosol (Humic) in the first segment, Histic Cryosol (Turbic, Reductaquic)) in the second segment, and Histic Cryosol in the third segment. In the alpine tundra belt are formed: Stagnic Entic Podzol (Skeletic, Turbic, Reductaquic) in the first segment, Folic Cryosol (Skeletic. Humic) in the second segment, and Stagnic Entic Podzol (Turbic, Skeletic) in the third segment. The analysis of granulometric composition of the studied soils of the mountain-forest belt showed that the soils are characterized by a high content of fraction of physical clay. For soils of the mountain tundra belt, we revealed the predominance of large fractions of physical sand (See Table. 1). The soils of the investigated trenches have a slightly acidic reaction medium. Organogenic horizons have the highest acidity. In mineral horizons, there is a smooth decrease in acidity with depth until close to slightly acidic values. We established that soils of the mountain-forest belt are more acidic (pH 4.4-5.7) than soils in the mountain tundra belt (pH 5.1-5.9). The result of biogenic accumulation of the largest concentration of exchange forms of Ca2+ and Mg2+, like the trench of the mountain-forest and mountain tundra belt, was observed in organogenic horizons. In the soils of the mountain forest belt, the Ca2+ content ranged from 8.8 to 14.7 mmol/100 g with a decrease in sphagnum mosses in the vegetation cover and an increase in green mosses. In the soils of the tundra mountain belt, the Ca2+ content is from 14.7 to 23.2 mmol/100 g and correlates with an increase in lichens and a decrease in mosses in the vegetation cover. The analysis of iron compounds revealed that in the mountain forest belt zones the maximum Feox content increases from 0.84 in segment I to 1.44% in segment III. Fedith accumulation from the first to the third segment varies from 0.91 to 2.46% (See Fig. 4). For soils of the mountain-tundra belt, high concentrations of iron compounds are characteristic of horizons with signs of overmoistening. In horizon G of segment I, the content of oxalation-soluble forms was 1.59%, and that of dithion- insoluble forms was 2.59%. In the BFg horizon, it was 2.01 and 2.75%. As a result of the studies, we showed that the distribution of carbon and nitrogen in the studied soils of the Subpolar Urals gradually decreases along the profile (See Fig. 5). The carbon content in the soil litter of the mountain forest belt reaches 43.3%, and that of nitrogen - 1.5%. The litter of soils of the mountain tundra contains up to 42.3% carbon and up to 1.3% nitrogen, respectively. However, in the mineral horizons of soils of the mountain-tundra belt, the content of carbon and nitrogen is much higher than in soils of the mountain-forest belt, which can be explained by the low biological activity of soils of mountain-tundra plant communities.
Thus, we illustrated that it is the morphological characters that primarily serve as the basis for determining the type of soil, both within the same trench and in different altitudinal zones, while the physicochemical parameters are more conservative and serve as a clarifying analytical characteristic. We found out that the increase in the content of Ca2+ and Mg2+ for both trenches is determined by the composition of the moss-lichen layer and a decrease in the moisture organic horizon. The content of C and N in the mineral horizons of soils of the mountain-tundra belt is much higher than in the soils of the mountain-forest belt. We showed that in the mineral horizons of soils of the mountain-tundra belt, due to more severe climatic conditions, a high proportion of bedrock fragments in the profile, and close occurrence of permafrost, organic carbon and nitrogen are better accumulated and preserved than in the soils of the mountain- forest belt.
Key words: Subpolar Urals; permafrost-affected soils; heterogeneity of properties; Cryosol; Stagnic Entic Podzol.
Введение
Пространственное варьирование морфологических, физико-химических и физических свойств почв определяется различными природными факторами, изучение которых может привести к более глубокому понимаю почвы как природного тела и процесса почвообразования в целом. Структура почвенного покрова (СПП) той или иной территории характеризуется специфическими особенностями, и без ее изучения исследования не могут быть полноценными [1, 2].
Современному изучению различных аспектов почвенного покрова северных регионов, в том числе горных территорий, уделяется огромное внимание [3-6]. Территория Приполярного Урала относится к южному пределу распространения криолитозоны на европейском северо-востоке России, для которого характерна островная и редкоостровная мерзлота [7]. Влияние криогенных процессов проявляется в виде формирования льдистой мерзлоты, специфической структурной организации почвенных горизонтов, образования или разрушения почвенной структуры [8].
Структура почвенного покрова района исследования характеризуется значительной пестротой, обусловленной сочетанием контрастных экологических условий и широким рядом факторов: мозаичностью растительного покрова, характером почвообразующих пород и рельефа (крутизна и экспозиция склонов), наличием высотных растительных поясов и влияния криогенеза [9, 10]. Важность изучения горных экосистем подчеркивается их значимостью в поддержании биосферных функций и сохранении глобального биоразнообразия [11]. Отмечается важная роль почвенного покрова в формировании разнообразия наземных экосистем [12]. Исследования пространственного варьирования свойств почв позволят получить более достоверную информацию об особенностях почвенного покрова Приполярного Урала.
В связи с этим цель данного исследования - изучение пространственной неоднородности свойств почв Приполярного Урала.
Материалы и методики исследования
Исследования проведены на территории национального парка «Югыд ва» (рис. 1). Согласно почвенно-географическому районированию территория исследования относится к округу Приполярного Урала горно-тундровых и горно-лесных глееподзолистых потёчно-гумусовых почв [13].
Рис. 1. Расположение объектов исследования. Обозначения: ТР-1 - траншея в горно-лесном поясе; ТР-2 - траншея в горно-тундровом поясе (фрагмент туристской карты масштаба 1:200 000, Приполярный Урал, национальный парк «Югыд ва»)
Почвообразующими породами служат элювий и элюво-делювий, которые представлены преимущественно метаморфическими сланцами и кварцито- песчаниками [14, 15]. Характерной чертой склонов Приполярного Урала является формирование крупноглыбовых образований - курумов, солифлюк- ционных террас, что типично для склонов с ледниковыми и с элювиальными и делювиальными образованиями. Согласно [16] почвы региона относятся к очень холодному подтипу длительно сезоннопромерзающего типа. Климат Приполярного Урала резко континентальный, суровый, с длительной морозной зимой и коротким прохладным летом. Среднегодовая температура воздуха равна -3,2°С, абсолютная минимальная температура -55°С (январь) и максимальная +30°С (июль) [17]. По проведенным ранее исследованиям [18] среднегодовая температура воздуха на высотах от 400 до 610 м изменялась от -1,5 до -2,2°С, а появление устойчивых отрицательных температур воздуха происходит во второй половине октября. Глубина деятельного (сезонно-талого) слоя почв на период исследований (с 24 июля по 04 августа 2013 г.) составляла от 0,4 до 1 м.
Для определения неоднородности морфологических и физико-химических свойств мерзлотных почв использовали траншейный метод. Данный метод позволяет выявить особенности изменения свойств почв в пределах нескольких метров [19]. Траншея горно-лесного пояса (рис. 2, А) заложена в ельнике ерниково-зеленомошном на высоте 430 м над ур. м., длина траншеи составляет 3,8 м. Координаты расположения: 65°08'12.5'^, 60°51'24.0''Е. Траншея горно-тундрового пояса (рис. 2, В) заложена перпендикулярно пологому склону северо-западной экспозиции хребта Росомаха (высота 961 м над ур. м.) протяженностью 4,1 м. Координаты расположения: 65°02'06.3'^, 60°35'19.2''Е.
Для тундр и лесов северных регионов характерна мозаичность растительного покрова, обусловленная быстрой сменой в пространстве экологических условий, протекающими в почве криогенными процессами, микрорельефом, пестротой микроклиматических условий [20]. Кроме этого, при закладке траншей выполнены многочисленные прикопки для определения типа элементарного почвенного ареала (ЭПА) исследуемой территории. Растительный покров описан с использованием стандартных геоботанических методов [21]. Траншеи разделены на три сегмента по смене доминантов в напочвенном растительном покрове.
Основная роль отведена описанию таких характеристик, как состав, общее проективное покрытие (ОПП) травяно-кустарничкового и мохово-лишайникового ярусов и проективное покрытие отдельных сегментов. В травяно-кустарничковом покрове описана вертикальная и горизонтальная структура, учитывали видовой состав и ОПП. Проективное покрытие каждого вида оценивали в составе яруса непосредственно на всей пробной площади. При описании напочвенного покрова регистрировали видовой состав, ОПП и степень господства видов. Сегменты траншей описывали отдельно. Параметры, характеризующие сообщество в целом, например сомкнутость крон и т.п., на этом этапе не учитывали.
Рис. 2. Схемы исследованных траншей: А - траншея горно-лесного пояса; B - траншея горно-тундрового пояса. I, II, III - номера сегментов. 1 - подстилание многолетнемерзлыми породами, 2 - грунтовый лед, 3 - обломки горных пород
Почвенные образцы для химического анализа отобраны по горизонтам. Диагностику и классификационное положение почв осуществляли согласно «Полевому определителю почв России» [22] и международной классификации почв WRB [23]. Для исследованных почв определяли основные физико-химические параметры: кислотность, валовое содержание углерода, азота, обменные формы кальция и магния, содержание железа и алюминия [24]. Содержание углерода и азота определяли на элементном анализаторе ЕА-1110 (Carlo Erba, Италия) в ЦКП «Хроматография» Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН [25]. Определение рН - потенциометрически со стеклянным электродом (Аквилон И-500, Россия) с соотношением почва: раствор (для органогенных горизонтов - 1:25, для минеральных - 1:2,5). Гранулометрический состав определяли по методу Качинского [26]. Содержание оксалаторастворимых форм железа и алюминия, растворимых в кислом растворе оксалата аммония, диагностировали методом атомно-эмиссионной спектрометрии. Для извлечения из почвы дитиониторастворимых форм соединений железа вне зависимости от степени окристаллизованности использовали метод Мера-Джексона, критерий Швертмана рассчитывали по формуле (Кш=Feox/Fedlth) [27].
Морфологические свойства исследуемых почв
Горно-лесной пояс (рис. 3, А)
Кочковатый микрорельеф в горно-лесном поясе характеризует появление спорадически-пятнистых ЭПА, обусловленных специфическими процессами биологической природы - предельно структурными элементами (ПСЭ) [28]. К таким элементам можно отнести приствольные повышения, межкроновые западины и моховые кочки, которые определяют различия в напочвенном покрове. В траншее горно-лесного пояса по сегментам наблюдается смена доминантов мохово-лишайникового яруса. В первом сегменте, расположенном в приствольном пространстве, доминируют сфагновые мхи. Во втором сегменте доминантами являются политриховые мхи, в третьем - зеленые мхи. Известно, что такие изменения в составе напочвенного покрова свидетельствуют о снижении степени увлажнения почв [29]. Таким образом, напочвенный покров и морфологическое строение почв в пределах отдельных сегментов имеют ряд отличий.