Биологический круговорот мелколиственных лесов

Целинная растительность, под которой формируются серые  лесные почвы, представлена травянистыми лесами, состав которых существенно  изменяется с запада на восток. Западная часть территории занята буковыми, буково-грабовыми и дубово-грабовыми  лесами. В Европейской части растительность представлена дубовыми, состоящими из дуба с примесью липы, клена, ясеня, вяза. В подлеске растут лещина, крушина, клен и др. В Западной Сибири дубравы сменяются березовыми с примесью сосны травянистыми лесами; еще восточнее к этим породам деревьев примешиваются сосна и лиственница.

Существовали разные мнения по вопросу об образовании серых  лесных почв; одни ученые считали, что  их происхождение связанно с оподзоливанием черноземов под влиянием лесной растительности; другие – что серые лесные почвы  произошли из почв более оподзоленных в результате усиления дернового  процесса. В.В. Докучаев считал серые  лесные почвы самостоятельным типом, сформированным под травянистыми лесами.

Почти одновременно с В.В. Докучаевым известный геоботаник С.И. Коржинский выдвинул свою гипотезу о происхождении серых лесных почв путем деградации черноземов под влиянием поселения леса. Серые лесные почвы, по его мнению, представляют собой переходную стадию деградации чернозема под лесом, конечным продуктом которой является подзол. Не смотря на полное отсутствие в работах                   С.И. Коржинского каких-либо достоверных данных, подтверждающих его теорию, она была безоговорочно принята многими почвоведами, геоботаниками и географами. Оподзоленные черноземы и темно-серые лесные почвы она рассматривает как бывшие степные черноземы, измененные под воздействием лесной растительности.

Дальнейшее экспериментальное изучение биологического круговорота веществ и наблюдение за соотношением подзолистого и дернового процессов в серых лесных почвах показали, что условия их формирования является ослабленный процесс подзолообразования, чему способствуют особенности биологического круговорота веществ, гумификации, водного режима. В лесах с богатым травяным покровом на поверхность почвы ежегодно поступает 70-90 ц/га растительного опада, содержащего 50-90 кг/га азота и 70-100 кг/га оснований, преимущественно кальция. Почти полное отсутствие анаэробного разложения растительного опада приводит к образованию качественно отличного от подзолистых почв гумуса. Значительная часть гумусовых кислот нейтрализуется основаниями самого опада, и в результате этого процессы разрушения почвенных минералов в серых лесных почвах существенно ослабляются (По природным зонам, 1969).

Характерной чертой серых  почв является наличие осветленного горизонта, указывающего на то, что  почвы в различной степени  оподзолены. Наиболее выражено осветление над иллювиальным горизонтом, где  разнонаправлено развиваются элювиально-глеевые  явления: вверх – охватывая всё  большую толщу гумусового профиля  и по трещинам вниз, разрушая с поверхности иллювиальный горизонт. Иллювиальные горизонты плотные, мелкопористые, влагоемкие, вследствие чего периодически застаивается влага и обеспечивается контрастность окислительно-восстановительных условий, что приводит к накоплению в верхней части профиля почв аморфного железа.

В северной части территории, где количество и качественный состав биомассы отличаются от более южных  территорий, где более выражен  нисходящий ток воды, способствующий выносу оснований из растительного  опада и верхних почвенных  горизонтов, формируются светло-серые  и серые лесные почвы. Южнее, в  соответствие с изменением биоклиматической обстановки, формируются темно-серые  лесные почвы; светло-серые и серые  лесные встречаются здесь на легких породах или на участках с повышенным увлажнением. С нарастанием к  востоку континентальности климата  уменьшается время и напряженность  биоклиматических процессов; в  этом направлении возрастает гумусность серых лесных почв, уменьшается мощность гумусового горизонта, ослабляются признаки оподзоленности.

По  мнению Б.П. Ахтырцева (1979), серые лесные почвы формируются под влиянием следующих элементарных почвенных процессов:

1) поступление  органических остатков в почву;

2) гумусонакопление  и связанная с ним биогенная  аккумуляция зольных веществ;

3) выщелачивание карбонатов и продуктов распада минералов;

4) лессиваж и оглинивание.

Ниже  приводится морфологическая характеристика серой лесной почвы под осиново-березовым  лесом, отражающая в своем строении основные формирующие её процессы (рис. 4,5).

 AW 0-5  Неоднородный, светло-серый с темно-серыми агрегатами, комковато-зернистый, среднесуглинистый, многочисленные корни травяной растительности, рыхлый, свежий. Граница волнистая, переход по плотности заметный по окраске постепенный.

AYel 5-15 Неоднородный, светло-серый с белесыми пятнами и темно-серыми пятнами                        по ходам корней, зернистый, среднесуглинистый, рыхлый, свежий. Граница волнистая, переход по плотности резкий, по окраске постепенный.

AEL_f 15-25 Неоднородный, светло-серый с серыми и белесыми пятнами, мелкозернисто-комковатый, среднесуглинистый, слегка уплотнен, свежий. Граница диффузная, переход по плотности постепенный, по окраске резкий.

ELB 25-50 Неоднородный, коричневый с белесыми и серыми пятнами, ореховато-комковатый, среднесуглинистый, уплотнен, свежий. Граница диффузная, переход по плотности постепенный, по окраске заметный.

B₁t 50-85 Неоднородный, серовато-коричневый с темными кутанами, неяснопризматический, среднесуглинистый, плотный, свежий. Граница диффузная, переход по плотности постепенный, по окраске заметный.

B₂ 85-110 Неоднородный, бурый с желтоватым оттенком и коричневыми пятнами, ореховатый, плотный, свежий. Граница диффузная, переход по плотности и окраске постепенный.

BC 110-130 Неоднородный, буровато-желтый, комковатый, тяжелосуглинистый, плотный, плотнее предыдущего, свежий.

Рисунок 4 – Осиново-березовый  лес                             Риунок 5 – Серая лесная почва

Подзолистый процесс в  лесостепной зоне протекает в  более ослабленной форме, чем  в таежно-лесной, а для проявления дернового процесса создаются лучшие условия. Эти особенности в развитии подзолистого и дернового процессов  связаны, прежде всего, с заметным отличием характера биологического круговорота  веществ и условий гумификации  на фоне ослабленного промывного режима. В  зависимости от почвообразовательных  процессов лесной  зоны могут формироваться и дерново-подзолистые почвы.

Таким образом, почва и  лес, влияя друг на друга, подвергаются преобразованиям по структуре и качеству. Постоянно взаимодействуя, растительность и почва представляют в то же время неразрывное единство, обусловливающее состав, продуктивность и устойчивость биологического круговорота.

2.  Общие черты почвенно-биологических процессов

Сложные многоярусные сообщества лиственных лесов с богатым подлеском и травяным покровом обеспечивают; значительную массу ежегодного опада (70−90 ц/га) и возвращаемых с опадом химических элементов (250−350 кг/га). Однако отношение органического вещества опада к содержащимся в нем зольным элементам хотя и меньше, нежели в биогеоценозах хвойных лесов, все еще достаточно широко − около 30.

Богатство опада азотом (50−90 кг/га) и основаниями, особенно кальцием (70−100 кг/га), обусловливает довольно интенсивное его разложение и образование при гумификации в значительном количестве аккумулятивных форм гумуса (гуминовых кислот) и устойчивых органо-минеральных соединений. В связи с этим для почв лиственных лесов характерна высокая емкость обмена и значительная величина оллоидного поглощающего комплекса.

Вместе с тем часть  продуктов разложения опада остается недоусредненной и рН  лесных подстилок хотя и выше, чем в хвойных лесах, лежит в кислотном интервале − 5.7−6.8.

Процессы гумификации  наряду с образованием высокомолекулярных гуминовых кислот приводят к одновременному синтезированию более упрощенных и дисперсных фульво-кислот. В группе гуминовых кислот значительная роль принадлежит менее конденсированным бурым гуминовым (ульминовым) кислотам. Гумус лесных почв представляет собой сложную многокомпонентную систему. Соотношения между гуминовыми и фульво-кислотами в ней варьируют весьма широко, что находится во взаимосвязи как с типами сообществ лиственных лесов (различиями древесных пород, степенью развитости подлеска, травяного покрова и т. п.), так и с фациальными климатическими особенностями отдельных регионов в пределах зоны лиственных лесов, что определяет интенсивность и характер разложения мертвых органических остатков.

Образующиеся перегнойные кислоты из лесной подстилки просачиваются в минеральные горизонты почв. При этом часть из них тут же осаждается, связываясь с Са и R ₂0 ₃. В первую очередь выпадают в осадок наиболее высокомолекулярные гумусовые кислоты, т. е. гуминовые кислоты. Таким образом, формируется гумусово-аккумулятивный горизонт серых лесных почв, богатый гуминовыми кислотами. Мощность его определяется обилием относительно конденсированных продуктов гумусообразования и способных их связывать зольных элементов, освобождающихся при разложении опада.

Осаждение наиболее устойчивых органо-минеральных производных в верхних горизонтах серых лесных почв приводит к подкислению почвенных растворов и относительному обогащению их менее конденсированными продуктами гумусообразования — фульво-кислотами и их подвижными органо-минеральными соединениями. Степенью ненасыщенности и агрессивности последних определяются размеры и интенсивность оподзоливания нижней части гумусовых горизонтов серых лесных почв. Постепенно просачиваясь вглубь, менее дисперсные и менее подвижные органо-минеральные соединения осаждаются под влиянием микробного разложения или изменения условий среды (рН, окислительно-восстановительный потенциал и т. п.). С этими процессами связано формирование иллювиальных горизонтов серых лесных почв. Органическое вещество иллювиальных горизонтов претерпевает дальнейшие превращения под влиянием внутрипочвенного иссушения, промерзания и т. д. В силу этого в нижней части иллювиальных горизонтов серых лесных почв органическое вещество характеризуется обычно относительным возрастанием содержания гуминовых кислот.

Таким образом, биологический  круговорот в сообществах лиственных лесов является в очень незначительной степени недокомпенсированным. Это  обусловлено как значительно  большим потреблением и возвратом зольных элементов (в 2.5−3 раза в сравнении с хвойными лесами), так и благоприятной обстановкой для синтеза устойчивых органо-минеральных новообразований муллевого типа.

Заключение

Таким образом, почва как  многокомпонентная система всегда является центром биологического круговорота. Она обеспечивает его протекание работой различных механизмов. Среди них не только механизм выветривания, снабжающий питательными элементами живые организмы на ранних стадиях круговорота, но и механизм удержания биофильных элементов. В почве создаются и удерживаются новые биогенные тела природы, причем возобновляемые, такие как подстилка и гумус, чью роль в круговороте трудно переоценить. Последние обеспечивают и причем чрезвычайно длительный период нормальное функционирование наземных экосистем и высокую продуктивность. Почва одновременно может являться транзитной системой для поступления биофильных элементов, участвующих в круговороте. Функционирование почвы может быть не только дополнительным фактором обеспечивающим цикличность круговорота, но и зачастую ведущим, причем на разных уровнях организации биосферы (Васильевская, Богатырев, 2003).

Перспективы развития учения о биологическом круговороте  лежат в различных плоскостях, но составляют единое целое. В настоящий  период теория несколько опережает экспериментальные и эмпирические наблюдения. Далеко не все идеи, положения и имеющиеся в литературе показатели реализуются в выполняемых в этой области научных исследованиях.

Основываясь на литературных данных, можно выделить несколько  особенностей биологического круговорота  мелколиственных лесов:

1. биомасса полновозрастных древостоев достигает от 250 до 300 т/га, максимальных величин биомасса осинников и березняков достигает к 40 годам, затем постепенно уменьшается;
2. ежегодный прирост древостоя зависит от величины годовой продукции отдельных деревьев, от изменения числа деревьев с возрастом. Ежегодный прирост органического вещества для полновозрастных: насаждений выражается в количестве 7 – 12 т/га; особое место занимают осинники, отличающиеся очень высокой энергией прироста, составляющей 17,5 – 20 т/га;
3. количество опада в целом по всем сообществам колеблется от 5 до 7 т/га. Особое место занимают осинники 50-летнего возраста, в которых опад превышает 13 т/га;
4. интенсивность биологического круговорота мелколиственных лесов выше, чем хвойных и измеряется величинами от 300 до 400 кг/га в год;
5. в южно-таежной зоне березняки имеют зольных элементов до 1,4 т/га, а осинник 50 лет накапливает в деревьях осины около 2,2 т/га азота и зольных элементов;
6. обобщенный порядок накопления химических элементов в биомассе выглядит следующим образом: осинники – Ca > N > K > Si P Mg > S Al > Fe Mn; березняки – N > Са > К > Mg Al Si P S > Fe Cl Mn Na;
7. как накопление в биомассе, так и потребление и ежегодный возврат химических элементов с опадом в лиственных лесах значительно больше, чем в хвойных лесах; ведущими элементами, определяющими геохимические циклы их миграции, являются Са, затем N, К, а в ряде сообществ и Si.

Список использованной литературы

1. Ахтырцев Б.П. Серые лесные почвы Центральной России: изд. Воронеж. Ун-та, 1979. - 231 с.
2. Базилевич Н.И., Титлянова А.А. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. − М.: Мысль, 1978.  − 181с.
3. Васильевская В. Д., Богатырев Л. Г. Функции почв как основного звена в цикле биологического круговорота веществ и устойчивость наземных экосистем. – Структурно-функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере. – М.: Наука, 2003. – С. 174-188.
4. Гришина Л.А. Биологический круговорот и его роль в почвообразовании. – Москва: МГУ, 1974. – 128с.
5. Ковда В. А. Основы учения о почвах, кн. 1. М.: Наука, 1973. – 447 с.
6. Лобова Е.В., Хабаров А.В. Почвы. – М. Мысль, 1983. – 303с.
7. По природным зонам. – М. Издательство Московского университета, 1969. – 250 с.
8. Ремезов Н.П., Смирнова К.М., Быкова Л.М. Потребление и круговорот азота и зольных элементов в лесах европейской части СССР. – М. Издательство Московского университета, 1959. – 282 с.
9. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности Земного шара. – М.: Наука, 1965. – 250с.