Рис. 8. Влияние низовых пожаров на концентрации фульвокислот (ФК) и гуминовых - кислот (ГК) в 0 - 5 см слое почвы, мг/г а.с.м.
При активизации биологических процессов после пожара возможной причиной возрастания количества гуминовых кислот в почвах считается ускоренное разложение не сгоревших остатков корней и увеличение скорости гумификации растительных остатков.
4.4 Качественный состав органического вещества почв в послепожарных лиственничниках
В результате термического анализа отдельных минеральных горизонтов почвы (0 - 5; 5 - 10 см) с гарей разного возраста выявлено два максимума потери массы, отмеченные при 250 и 4000С, а при 1500С происходит удаление гигроскопической и конституционной воды.
Известно, что при температуре 200 - 2500С теряется до 37% органического вещества, при этом 70 - 80% теряется за счет целлюлозы и гемицеллюлозы, 50% - за счет лигнина и водорастворимых органических соединений и 10 - 25% - за счет липидов (Fernandez и др. 1997).
Существенное же снижение массы происходит при 4000С и обусловлено деструкцией таких компонентов органического вещества как лигнин и лигноцеллюлоза. В нижележащих горизонтах (5 -10 см), в отличие от вышележащих, наблюдаются два пика потери массы: первый - при 1500С, характеризующий потери воды, второй - при 4000С, обусловленный деструкцией органического вещества. В результате можно предположить, что минеральный горизонт на глубине 5 - 10 см представлен продуктами гумификации.
Таким образом, термический анализ почв, сформированных в условиях криолитозоны средней Сибири, ведет к трансформации и полной потере содержащегося в них органического вещества при 4000С. Можно предположить, что органическое вещество верхнего горизонта криогенных почв на севере Средней Сибири представлено как «свежими» фракциями, так и продуктами гумификации. С другой стороны возможна и меньшая термоустойчивость органического вещества, гумифицирующегося в данных условиях, что, возможно, обусловлено различиями в его фракционном составе.
Глава 5. Влияние экспозиции склона на количественный и качественный состав органического вещества напочвенного покрова и почвы
5.1 Запасы органического вещества в живом напочвенном покрове в зависимости от экспозиции склона
Анализ процесса накопления ЖНП в послепожарных лиственничниках, сформированных на склонах разной экспозиции, показал, что его запас на северном склоне зависит от возраста лиственничников и экологических условий, составляя при этом от 807,4 до 1884,9 г/м2, в то время как на южных склонах он несколько ниже - от 747,2 до 1504,9 г/м2 (рис.9)
А)
Б)
Рис. 9. Запас живого напочвенного покрова на северном (А) и южном (Б) склонах, г м-2 а.с.м.
Выявленные различия связаны с тем, что на более теплообеспеченных южных склонах снижается влажность и уменьшается прирост ЖНП. На северных склонах, отличающихся большей увлажненностью в течение вегетационного сезона, создаются оптимальные условия для произрастания мхов. Данные условия стимулируют лучшее ветвление мхов, приводящее к образованию более плотных подушек, где дольше сохраняется влага.
Анализ процесса накопления ЖНП в зависимости от микрорельефа показал, что он существенно влияет на гидротермический режим почвы и является важным экологическим фактором.
Во всех случаях в микропонижениях содержится значительное количество ЖНП. Микроповышения южных склонов характеризуются меньшими его запасами, которые составляют от 498,5 до 1430,3 г/м2. Его запасы в микроповышениях северных склонов достигают 1662,4 г/м2, что значительно выше, чем на южных склонах - 624 г/м2. В результате исследований запасов живого напочвенного покрова в микропонижениях было выявлено, что его содержание в низинах превышает таковой в микроповышениях, причем запас ЖНП в северных микропонижениях в зависимости от давности пожара составляет от 1051,4 до 2107,4 и таким образом превышает запас ЖНП в южных, где таковой составляет от 1005,5 до 1807.4 г/м2 соответственно.
5.2 Запасы органического вещества в подстилках постпирогенных лиственничников
Анализ запасов подстилок в лиственничниках показал, что, как и живой напочвенный покров, они формируются преимущественно на склонах северной экспозиции, где их количество в зависимости от возраста лиственничников составляет от 1142,4 до 2250,5 г/м2, в то время как на южных склонах их запасы находятся в пределах от 963,2 до 1554,3 г/м2 соответственно.
С увеличением постпирогенного периода происходит увеличение запасов органического вещества в подстилках, независимо от экспозиции склона, хотя на северном склоне данный процесс выражен гораздо отчетливее (рис. 10).
Кроме того, существенное влияние на характер и темпы накопления подстилки оказывает также и микрорельеф. Проведенные исследования позволили охарактеризовать динамику накопления подстилок в зависимости от возраста лиственничников на склонах разной экспозиции. Согласно полученным данным, запасы подстилки в микропонижениях на северных склонах превышают таковые на южных склонах и составляют от 1393,6 до 2945,7 и от 986 до 1949,8 г/м-2 соответственно.
А)
Б)
Рис. 10. Запас подстилки на северном (А) и южном (Б) склонах, г м-2 а.с.м.
Микроповышения как северных, так и южных склонов отличаются от микропонижений меньшими запасами подстилки. Их запасы в микроповышениях на южных склонах также значительно ниже, чем на северных и составляют от 797,2 до 1158,8 и от 891,3 до 1854,3 г/м-2 соответственно.
5.3 Фракционный состав органического вещества подстилок постпирогенных лиственничников на склонах разной экспозиции
5.3.1 Содержание водоэкстрагируемого органического углерода в подстилках
При исследовании запасов водоэкстрагируемого органического углерода в подстилках выявлено, что его запасы на северном склоне ниже, чем на южном, и достигают на северном от 10,8 до 16 и от 12,6 до 27,9 г/м-2 на южном.
Отмеченные различия являются следствием разных гидротермических условий на этих склонах, определяющих накопление и миграцию водорастворимого органического вещества в подстилках.
С одной стороны, водный режим оказывает влияние на интенсивность и направленность микробиологических процессов разложения органического материала и, соответственно, определяет образование ВЭОУ. С другой стороны, осадки, проходя через подстилку, обеспечивают мобилизацию и миграцию ВЭОУ.
Следует отметить, что если в верхнем 0 - 5 - см слое почвы наблюдаются различия между склонами, то, как показали исследования, в 5 - 10-см горизонте эти различия менее выражены, а также он отличается меньшим содержанием ВЭОУ, который составляет для северного склона от 0,06 до 0,08, а для южного - от 0,07 до 0,09 мг/г.
На северных склонах процессы трансформации подстилки замедлены вследствие низких температур и значительной увлажненности, что приводит к накоплению общего органического вещества на поверхности почвы, но снижению водорастворимого.
На южных склонах трансформация органического вещества подстилки значительно выше в силу лучших гидротермических условий, и, как следствие, количество ВЭОУ там выше.
В целом же можно сказать, что осадки высокой интенсивности и их частота способны вымывать значительные количества ВЭОУ из подстилок. Кроме того, достаточно быстрое восполнение запасов водорастворимого вещества за счет микробиологических процессов в течение вегетационного периода на склонах южной экспозиции способно еще более увеличивать величину его экспорта из лесных экосистем.
5.3.2 Качественный состав органического вещества подстилок в постпирогенных лиственничниках на склонах разной экспозиции
Как показал анализ, органический материал подстилок характеризуется двумя пиками потери массы (рис.11).
Для склонов северной экспозиции характерна значительная потеря массы в диапазоне температур 200-250оС.
Данный пик потери массы характеризует присутствие слабоустойчивых к нагреванию соединений: гемицеллюлозы и целлюлозы, причем разлагаются сначала менее термоустойчивые гемицеллюлозы, а затем собственно целлюлоза.
Для склонов южной экспозиции характерна потеря массы в температурном интервале 300-500оС. В этой области температур происходит разложение важных структурных компонентов опада - структурированной и аморфной целлюлозы, а также более устойчивых соединений, например, лигнина или лигноцеллюлозы. Органическое вещество лесных подстилок обладает разной степенью термоустойчивости, что обусловлено различиями в его фракционном составе.
А)
Б)
Рис. 11. Потеря массы при прокаливании подстилок на северном (А) и южном (Б) склонах % от а.с.м.
Таким образом, можно предположить, что органическое вещество подстилок на склонах северной экспозиции в силу замедленной деструкции накапливается на поверхности почвы и представлено относительно «свежими» фракциями и в меньшей степени продуктами гумификации.
Сочетание теплообеспеченности, увлажнения и хорошего дренажа на южных склонах приводит к меньшему накоплению органического вещества подстилок, представленного преимущественно структурированной и аморфной целлюлозой, а также более устойчивыми соединениями, например, лигнином или лигноцеллюлозой.
Подстилки южных склонов, по сравнению с северными, в большей степени подвержены минерализации в силу гидротермических условий.
5.4 Фракционный состав органического вещества почв послепожарных лиственничников
5.4.1 Содержание водоэкстрагируемого органического углерода в почве
Проведенные исследования концентрации водоэкстрагируемого органического углерода в почве древостоев разного возраста на склонах разной экспозиции показали, что его содержание различается в зависимости от экспозиции склона и составляет для южного - от 0,12 до 0,16, а для северного склона - от 0,11 до 0,12 мг/г (рис.12).
При этом, на переувлажненной территории северного склона, характеризующегося близким залеганием многолетней мерзлоты, скорость протекания процессов деструкции существенно ниже.
В связи с этим, содержание водоэкстрагируемого органического углерода на таких участках ниже, чем на южных.
На склонах южной экспозиции в условиях благоприятного сочетания температуры и влажности разложение органического вещества является результатом более интенсивных микробиологических процессов и активности беспозвоночных.
Кроме того, более высокое по сравнению с северными склонами содержание ВЭОУ в 0-5 -см слое почвы южного склона обусловлено поступлением его из подстилок, где также отмечается большая подвижность углерода.
В целом, следует отметить, что если в верхнем 5 - см слое почвы наблюдаются различия между склонами, то, как показали исследования, в горизонте 5 - 10 см эти различия менее выражены, а также данный горизонт отличается меньшим содержанием ВЭОУ по сравнению с вышележащим и составляет для северного склона от 0,06 до 0,08, а для южного - от 0,07 до 0,09 мг/г
Рис. 12. Концентрация водоэкстрагируемого органического углерода в 0 - 5- см слое почвы на северном (А) и южном (Б) склонах, мг/г а.с.м.
5.4.2 Фракционный состав гумуса в почве послепожарных лиственничников на склонах разной экспозиции
При изучении фракционного состава гумуса в почвах послепожарных лиственничников на склонах разной экспозиции выявлено, что его состав и содержание в зависимости от экспозиции склонов неодинаков и определяется их экологическими особенностями.
Так, на северных склонах в силу складывающихся неблагоприятных гидротермических условий, повышенной увлажненности, более близким залеганием многолетней мерзлоты и бедной микрофлоры, происходит слабая минерализация растительных остатков.
А)
Б)
Рис. 13. Концентрация фульвокислот (ФК) и гуминовых (ГК) - кислот в 0 - 5 - см слое почвы на северном (А) и южном (Б) склонах, мг/г а.с.м.
На склонах же южной экспозиции с более благоприятными гидротермическими условиями наблюдается увеличение микробиологической активности, что приводит к более интенсивной минерализации органического вещества (рис.13).
В нижележащем горизонте (5 - 10 см) отмечено снижение содержания гуминовых и фульвокислот по отношению к вышележащему горизонту. В данных горизонтах на северном склоне прослеживается увеличение доли гуминовых кислот по отношению к фульвокислотам, что связано с уменьшением численности микрофлоры и ее активности.
Таким образом, различия в гидротермическом режиме местообитаний в значительной мере определяют содержание и фракционный состав гумусовых веществ.
5.4.3 Качественный состав органического вещества почв в постпирогенных лиственничниках