Екологічна роль біогенного мікроструктуроутворення лісових едафотопів Південного Сходу України

Мікроструктура горизонтів Нр і НР суттєво відмінна від верхніх горизонтів. Ґрунтовий матеріал має вигляд суцільної маси неагрегованих, слабо взаємодіючих між собою піщаних механічних елементів. Аналогічна зміна характеру мікробудови в профілі притаманна також грунтам центральної заплави р. Самари, обумовлено схожими факторами.

Екологічні особливості мікроморфологічної організації зоогенних агрегатів лісових ґрунтів південного сходу України

Належність структурних ґрунтових агрегатів до викидів певних представників ґрунтової мезофауни визначалась за розробленими і прийнятими в мікроморфології грунтів ознаками (Bal, 1970, 1973; Парфенова, Ярилова, 1977; Поляков, Ярилова, 1978; Zaharie; Shaw and Pawluk, 1986; Phillips and FitzPatrick, 1999).. На основі дослідження розмірів агрегатів, форми та характеру поверхні, складності будови, речовинного складу (співвідношення органічних та мінеральних компонентів), форми гумусу та зв'язку органічних компонентів з мінеральною частиною грунту визначені чотири типи зоогенних структур (рис. 2) грунтів південного сходу України.

Копроліти люмбрицид (сім. Lumbricidae) розміром 0,07-4 мм, округлої та слабовидовженої форми з гладким контуром. Гумус мулевого типу щільно пов'язаний з мінеральною частиною. Зустрічаються прості та складні копроліти, що складаються з матеріалу різних генетичних горизонтів. Переважна частина копролітів - складної будови, з розвинутою системою каналоподібних та округлих пор. Розвиток порового простору залежить від складності будови та ступеня руйнації агрегатів.

У чорноземах звичайних степових біогеоценозів та під штучними дубовими насадженнями копроліти люмбрицид, в комплексі з викидами личинок комах, відіграють головну роль у мікроструктурній організації гумусових горизонтів. Найбільш масштабна структуроутворююча діяльність люмбрицид в грунтах природних лісів Присамар'я: в байрачних лісових чорноземах та заплавних лучно-лісових грунтах утворюються копролітові горизонти, практично повністю складені з зоогенних агрегатів. У мікроструктурній організації темно-каштанових грунтів Старобердянського лісового масиву копроліти відсутні.

Викиди личинок комах (представники сім. Scarabaeidae, Elateridae, Tenebrionidae) розміром 0,06-0,2 мм, округлої правильної форми з гладким характером поверхні. В цілому мікробудова викидів личинок комах схожа з мікробудовою копролітів люмбрицид (речовинний склад, форма гумусу), відрізняючись переважно розмірами та площиною пористості.

У темно-каштанових грунтах Старобердянського масиву викиди личинок комах домінують серед викидів інших представників ґрунтової мезофауни. У мікроструктурній організації чорноземів звичайних під степовою рослинністю та штучними лісовими насадженнями вони, разом з копролітами люмбрицид, відіграють головну роль. У мікроструктурній організації едафотопів природних заплавних та байрачних лісових біогеоценозів Присамар'я викиди личинок комах мають другорядне значення.

Розміри викидів енхітреід (сім. Enhcytraeidae) знаходяться в межах 0,04-0,08 мм. Характеризуються правильною ізометричною формою, не рівним контуром. За складом - органо-мінеральні, але участь мінеральних часток незначна. Ступінь переробки органічних залишків енхітреідами обумовлює не досить щільний зв'язок органічних компонентів з мінеральною частиною. Викиди простої будови, пори відсутні.

Найбільш активна структуроутворююча діяльність енхітреід спостерігається в едафотопах заплавних і байрачних лісів Присамар'я. Особливістю цього типу викидів є характер розташування в грунтовому матеріалі: скупчення агрегатів наповнюють біогенні пори в тілі більш великих структурних окремостей, насамперед копролітів люмбрицид.

Викиди представників сім. Acarina - від 0,02 до 0,06 мм розміром, овальної дуже правильної форми з гладким контуром. Складаються агрегати виключно з органічного матеріалу, простої будови, пори відсутні.

Викиди кліщей наповнюють порожні рослинні залишки, в яких зберігається кора. Зустрічаються такі агрегати в усіх досліджуваних едафотопах по всьому профілю, однак в цілому їх значення в мікроструктурній організації грунтів незначне.

З водостійких ґрунтових агрегатів фракцій 2-1 мм, 1-0,5 мм та 0,5-0,25 мм були виготовлені прозорі шліфи. Мікроморфометричні виміри і розрахунки проводились із застосуванням сканера, комп'ютера та відповідного програмного забезпечення (Балалаев, 2002). На основі отриманих значень (Балалаев, Яковенко, 2002) площини (S), периметра (P), довжини (L) та ширини (D) агрегатів розраховувались величини, що характеризують складність форми об'єкта: показник ізометричності I = D/L, показник округлості R = 4рS/P² (Скворцова, Морозов, 1993); коефіцієнт розчленованості KR = P/(3,54*S) (Фридланд, 1972); площини чотирьох вирізів у напрямку зменшення (F1, F2, F3, F4); ексцентрисітет (EC); момент інерції агрегату (J); максимальний момент інерції (MJ); загальна довжина скелета (TL) (Прэтт, 1982).

Регресійний аналіз зв'язків між геометричними показниками водотривких агрегатів (рис. 3) показав, що чим ближче форма до ізометричної, тим гладкіші є контури агрегатів. Момент інерції найбільшою мірою пов'язаний з площиною агрегатів, зростаючи при збільшені останньої. Чим вище значення ізометричності та округлості агрегатів, тим нижче значення моменту інерції і відповідно більша обертальна рухливість агрегатів (Кузьмичев, 1989).

Спостерігається збільшення відносного вмісту розчленованих агрегатів із збільшенням розмірів окремостей.

Необхідно зазначити, що поступова руйнація агрегатів змінює первинні геометричні показники: зменшується округлість контурів, ступінь ізометричності може як зростати, так і знижуватись.

Рис. 3 Зв'язок між просторовими показниками водостійких агрегатів фракції 2-1 мм заплавних лучно-лісових грунтів (ПП 209 В): S - площа агрегатів, мм2, I - ізометричність, R - округлість, J - момент інерції; у дужках наведено коефіцієнт детермінації

S = 0,6215*I + 0,0006*J (98,9 %) (98,9 %)

I =1,064*S + 0,374*R - 0,0006*J (94,5 %) (94,5 %)

R = 0,486*I (80%) (80 %)

J = 1602,6*S - 909,1*I (97,8 %)

Взаємозалежність деяких екологічних характеристик едафотопів та просторових показників ґрунтових агрегатів вивчалась із застосуванням факторного аналізу (Рао, 1968; Харман, 1972; Факторный..., 1989). Геометричні показники агрегатів розміром 2-1 мм пов'язані з коефіцієнтом структурності, водостійкістю агрегатів, чисельністю люмбрицид (екз/м²). Чим ближче форма агрегатів до ізометричної, а контури їх мають гладкий характер, тим вище значення коефіцієнта структурності. Чим більші агрегати (у межах фракції 2-1 мм) та гладкіші їх контури, тим вищі значення водостійкості. Зв'язок між екологічними характеристиками едафотопів (коефіцієнтом структурності, водостійкістю агрегатів, чисельністю люмбрицид (екз/м²)) та просторових показників ґрунтових агрегатів розміром 1-0,25 мм не виявлено. Таким чином, різна факторна структура відображає відмінність як у генезисі, так і в процесах руйнації агрегатів трьох розмірних фракцій.

Ґрунтова мезофауна формує агрегати переважно округлої форми з гладкою поверхнею, вони характеризуються значною обертальною рухливістю, оптимізуючи, таким чином, умови свого пересування в ділянках, складених здебільшого зоогенними агрегатами. Найбільш правильною формою відзначаються викиди кліщей. Викиди представників різних сімейств відрізняються за своїм речовинним складом, ступенем переробки органічних компонентів, їх морфологічними характеристиками і зв'язком з мінеральною частиною грунту. Виявлено однотипність мікробудови копролітів люмбрицид та викидів личинок комах.

Участь кожного з типів викидів відповідає структурі комплексу ґрунтової мезофауни. Найбільш масштабна структуроутворююча діяльність мезофауни в грунтах байрачних і заплавних лісових біогеоценозів Присамар'я, де в структурі комплексу ґрунтової мезофауни значно домінують сапрофаги. В цих грунтах сформований зоогенний копролітовий горизонт. Повнопрофільні дослідження мікробудови дозволили встановити, що стратифікація структуроутворюючої діяльності ґрунтової мезофауни в профілі обумовлена, зокрема, особливостями мікроструктурної організації едафотопу.

Біогенне мікроструктоутворення тісно пов'язано з такими характеристиками структурного стану, як мікробудова, агрегатний склад, коефіцієнт структурності, водостійкість, морфологія агрегатів. Найнижчі значення коефіцієнта структурності визначені для темно-каштанових лісополіпшених грунтів. Чорноземи звичайні лісополіпшені характеризуються більшими значеннями коефіцієнта структурності порівняно з степовими. Найбільші, серед досліджуваних біогеоценозів, значення коефіцієнта структурності визначені для грунтів під природною байрачною та заплавною рослинністю. Аналогічно показникам коефіцієнта структурності змінюється водостійкість ґрунтових агрегатів, досягаючи найвищих значень в едафотопах байрачних та заплавних лісів Присамар'я. Загальною характеристикою гумусових горизонтів є домінування агрегатів грудкуватої морфології, а також збільшення відносного вмісту грудкуватих агрегатів у великих розмірних фракціях.

1. Застосування методологічних підходів екологічної мікроморфології дозволило вивчити екологічну роль біогенного мікроструктуроутворення у формуванні біорізноманіття лісових едафотопів південного сходу України згідно з новодокучаївською формулою: властивості (мікроструктурна організація грунтів) ? елементарні грунтові процеси (біогенне мікроструктуроутворення) ? фактори (ґрунтова мезофауна як структурний елемент лісового біогеоценозу).

2. Тип лісового біогеоценозу визначає характер і масштаби біогенного мікроструктуроутворення - мікроструктуру генетичних горизонтів, участь біогенних структур у загальній картині мікроструктурної організації едафотопів, морфологію ґрунтових агрегатів.

3. У ряду грунтів: темно-каштановий лісополіпшений - чорнозем звичайний - чорнозем звичайний лісополіпшений - заплавний лучно-лісовий - чорнозем лісовий збільшуються масштаби біогенного мікроструктуроутворення, зростає значення сапрофагів у процесах агрегування ґрунтового матеріалу.

4. В тій же послідовності спостерігаються зміни мікроструктурної організації, що відображаються в збільшенні агрегованості, пористості, пухкості мікроструктури.

5. Виявлена однотипність інтенсивності і характеру біогенного мікроструктуроутворення грунтів байрачних та заплавних лісів Присамар'я, в поверхневих гумусових горизонтах яких превалюють зоогенні агрегати.

6. Процеси біогенного мікроструктуроутворення впливають на макроструктурний стан едафотопів. Такі характеристики, як агрегатний склад, коефіцієнт структурності, водотривкість та морфологія ґрунтових агрегатів є оптимальними в грунтах байрачних і заплавних лісів Присамар'я. За окремими показниками до цих грунтів наближаються чорноземи звичайні лісополіпшені під штучними насадженнями Великоанадоля.

7. Установлено, що стратифікація структуроутворюючої діяльності ґрунтової мезофауни в профілі не тільки обумовлена екологією тварин, а також пов'язана з особливостями мікроструктурної організації едафотопів.

8. Найбільш масштабна, в досліджених едафотопах південного сходу України, структуроутворююча діяльність люмбрицид (сім. Lumbricidae ) та личинок комах (сім. Scarabaeidae, Elateridae, Tenebrionidae).

9. Досліджена мікробудова агрегатів, що формуються ґрунтовою мезофауною (представниками сім. Lumbricidae, Scarabaeidae, Elateridae, Tenebrionidae, Enhcytraeidae, Acarinа). Установлена однотипність мікробудови викидів люмбрицид та личинок комах.

10. Виявлені взаємозв'язки між просторовими показниками водостійких ґрунтових агрегатів. Більш ізометричні агрегати характеризуються також більш гладким характером поверхні. Установлено, що ґрунтова мезофауна поліпшує умови свого існування, формуючи агрегати з показниками, які обумовлюють високу обертальну рухливість окремостей.

11. Проаналізовано та статистично обґрунтовано зв'язок деяких екологічних характеристик едафотопів та просторових показників водотривких ґрунтових агрегатів. Висока чисельність люмбрицид пов'язана з такими показниками агрегатів, як слабовидовжена форма та гладкий характер поверхні. Коефіцієнт структурності тим вище, чим ближче до ізометричної форма агрегатів, а контури їх мають більш гладкий характер. Водотривкість зростає зі збільшенням гладкості контурів та розмірів агрегатів.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Белова Н.А., Яковенко В.Н. Микроморфология и экология пойменных лесных почв Присамарского мониторинга // Вопросы степного лесоведения и рекультивации земель. Д.: ДГУ, 1997. С. 74-88.

2. Яковенко В.Н. Микроморфология водопрочных агрегатов лесных почв в степи // Екологія та ноосферологія. 1999. Т. 6, № 1-2. С. 212-214.

3. Яковенко В.Н. Особенности зоогенного структурообразования лесных черноземов байрачных лесов Присамарья // Екологія та ноосферологія. 1999. Т. 8, № 4. С. 77-82.

4. Яковенко В.Н. Микроструктура и микроморфология черноземов обыкновенных лесоулучшенных Присамарья Днепровского // Екологія та ноосферологія. 2000. -Т. 9, № 1-2. С. 98-107.

5. Яковенко В.Н. Вопросы методики изготовления прозрачных шлифов структурных агрегатов почв // Питання степового лісознавства та лісової рекультивації земель. Д., 2000. Вип. 4. С. 148-152.

6. Яковенко В.Н. Микроморфология структурных агрегатов лесных культурбиогеоценозов // Питання степового лісознавства та лісової рекультивації земель. Д., 2001. Вип. 3. С. 112-116.

7. Балалаев А.К., Яковенко В.Н. Анализ связи экологических характеристик почв и пространственных показателей почвенных агрегатов // Ґрунтознавство. 2002. Т. 3, № 3-4. С. 27-39.

8. Яковенко В.М. Зоогенне структуроутворення грунтів степової зони України // Наукова конференція ДДУ по підсумках НДР за 1996 р. Д.: ДДУ, 1997. С. 85.

9. Яковенко В.Н. Зоогенное структурообразование почв в степных лесах юго-восточной Украины // Матеріали ІІ Всеукраїнської конф. “Проблеми фундаментальної екології”. Кривий Ріг, 1997. Ч. 2. Кривий Ріг, 1997. С. 25-29.

10. Яковенко В.Н. Характер образования зоогенной структуры в степных лесах юго-востока Украины // Франція та Україна, науково-практичний досвід у контексті діалогу національних культур. Міжнар. конф. Д., 1998. С. 18 19.

11. Яковенко В.Н. Дождевые черви как структурообразователи почв искусственных лесов юго-восточной Украины // Агрохімія і ґрунтознавство: Міжвідомч. тематич. наук. зб. Спец. випуск до з'їзду УТГА. Х., 1998. С. 82 83.

12. Яковенко В.Н. Дождевые черви как структурообразователи ненарушенных почв степного Приднепровья // Современные методы рекультивации земель и производство экологически чистой сельскохозяйственной продукции: Сб. тез. Д., 1998. С. 26 27.

13. Яковенко В.Н. Микроморфологические исследования копролитовой структуры почв степных лесов Украины // Экология и молодежь: Материалы І Междунар. науч.-практ. конф., Гомель, 1998. Гомель, 1998. Т. 2. С. 196.

14. Белова Н.А., Яковенко В.Н. Педофауна как фактор микростроения лесных почв в степи // Стійкий розвиток: забруднення оточуючого середовища та екологічна безпека: Матеріали 1 міжнар. наук.-практ. конф. Д., 1999. С. 14-16.

Особистий внесок В.М. Яковенка дані стосовно участі мезофауни в агрегуванні грунтового матеріалу (30%).

15. Яковенко В.Н. Основные характеристики структурного состояния почв лесных байрачных экосистем Присамарья // Проблеми фундаментальної та прикладної екології: Матеріали ІІ Міжнар. конф., Кривий Ріг, 2000. Кривий Ріг, 2000. С. 80-81.

16. Яковенко В.Н. Балалаев А.К. Микроморфология и компьютерная микроморфометрия почв искусственных дубовых насаждений Присамарья // Проблеми фундаментальної та прикладної екології: Матеріали ІІ Міжнар. конф. Кривий Ріг, 2000. С. 111-112.

Особистий внесок В.М. Яковенка результати мікроморфологічних досліджень грунтів штучних дубових насаджень Присамар'я (50%).

17. Яковенко В.Н. Неоднородность микростроения водопрочных структурных отдельностей почв Старобердянского лесного массива // Проблеми фундаментальної та прикладної екології. Кривий Ріг, 2000. С. 84-85.

18. Яковенко В.Н. Микроморфология биогенного микроструктурообразования байрачных лесов Присамарья // Екологія кризових регіонів України: Матеріали міжнар. конф.Д.: РВВ ДНУ, 2001. С. 39-40.

19. Яковенко В.Н. Влияние искусственных насаждений на микроморфологию зональных черноземных почв // Матеріали зїзду Українського ботан. товариства. Х., 2001. С. 143.

20. Яковенко В.Н. Микроморфология лесных и лесоулучшенных черноземов Присамарья Днепровского // Грунтознавство та агрохімія на шляху до сталого розвитку України: Матеріали з'їзду УТГА. Х., 2002. Т. 3. С. 221-222.

21. Яковенко В.Н. Микроструктура почв лесных биогеоценозов Присамарья // Проблеми екології та екологічної освіти: Матеріали І міжнар. наук. конф. Кривий Ріг, 2002. С. 165-167.

Анотація

Использование методологических подходов экологической микроморфологии позволило исследовать экологическую роль биогенного микроструктурообразования в формировании биоразнообразия лесных эдафотопов юго-востока Украины в соответствии с новодокучаевской формулой: свойства (микроструктурная организация почв) ? элементарные почвенные процессы (биогенное микроструктурообразование) ? факторы (почвенная мезофауна как структурный элемент лесного биогеоценоза).

Выявлено, что тип лесного биогеоценоза определяет характер и масштабы биогенного микроструктурообразования - микросложение генетических горизонтов, участие биогенных структур в общей картине микроструктурной организации эдафотопов, морфологию почвенных отдельностей.

В ряду почв: темно-каштановая лесоулучшенная - чернозем обыкновенный - чернозем обыкновенный лесоулучшенный - пойменная лугово-лесная - чернозем лесной возрастают масштабы биогенного микроструктурообразования и значение почвенных сапрофагов, как структурообразователей почв. В такой же последовательности наблюдаются изменения микроструктурной организации, выражающиеся в увеличении агрегированности, пористости, рыхлости микросложения. Выявлена однотипность интенсивности и характера биогенного микроструктурообразования почв байрачных и пойменных лесов Присамарья, в верхних гумусовых горизонтах которых преобладают зоогенные агрегаты.

Изучено влияние биогенного микроструктурообразования на макроструктурное состояние эдафотопов. Такие характеристики, как агрегатный состав, коэффициент структурности, водопрочность и морфология почвенных агрегатов, оптимальны в почвах байрачных и пойменных лесов Присамарья. По отдельным показателям к этим почвам приближаются черноземы лесоулучшенные под массивными искусственными насаждениями Великоанадоля.

Установлено, что стратификация структурообразующей деятельности почвенной мезофауны в профиле не только обусловлена экологией животных, но и связана с особенностями микроструктурной организации эдафотопа.

Наиболее масштабна в исследованных эдафотопах юго-востока Украины структурообразующая деятельность люмбрицид (сем. Lumbricidae ) и почвообитающих личинок насекомых (сем. Scarabaeidae, Elateridae, Tenebrionidae).

Исследовано микростроение агрегатов, формируемых почвенной мезофауной (представителями сем. Lumbricidae, Scarabaeidae, Elateridae, Tenebrionidae, Enhcytraeidae, Acarinа). Установлена однотипность микростроения выбросов люмбрицид и личинок насекомых.

Выявлены зависимости между пространственными показателями водопрочных почвенных агрегатов. Более изометричные агрегаты характеризуются более плавным характером поверхности. В крупных фракциях возрастает относительное содержание изрезанных агрегатов. Установлено, что почвенная мезофауна улучшает условия своего существования, формируя агрегаты с показателями, обусловливающими высокую вращательную подвижность отдельностей.

Проанализирована и статистически обоснована связь некоторых экологических характеристик эдафотопов и пространственных показателей водопрочных почвенных агрегатов. Высокая численность люмбрицид связана с такими показателями агрегатов, как слабоудлиненная форма и плавный характер поверхности. Коэффициент структурности тем выше, чем более изометричны агрегаты, а контуры их имеют более плавный характер. Водопрочность возрастает с увеличением плавности контуров и размеров структурных агрегатов.

Ключевые слова: эдафотопы юго-востока Украины, почвенная мезофауна, биогенное микроструктурообразование, структурное состояние, биоразнообразие лесных эдафотопов.