Почвы холмисто-моренных ландшафтов природного парка "Вепсский лес"

Размещено на http://www.allbest.ru/

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Магистерская диссертация

Почвы холмисто-моренных ландшафтов природного парка «Вепсский лес»

Выполнил: Левков Станислав Сергеевич

Научный руководитель:

к.с.-х.н., доц. Бахматова К.А.

Заведующий кафедрой:

к.б.н., доц. А.А. Егоров

Санкт-Петербург 2016

Оглавление

Введение

Глава 1. Литературный обзор

Глава 2. Физико-географическое положение изучаемой территории

2.1 Районирование изучаемой территории

2.2 Климатические особенности района

2.3 Геологическое строение и рельеф

2.4 Гидрография и гидрогеология природного парка «Вепсский лес»

2.5 Почвообразующие породы

2.6 Почвы и почвенный покров

2.7 Растительный покров

Глава 3. Объекты и методы исследования

3.1 Объекты исследования

3.2 Методы исследования

Глава 4. Характеристика почв

4.1 Морфологическое строение

4.2 Почвы и растительные сообщества исследуемого участка холмисто-моренных ландшафтов Вепсского леса

4.3 Химические показатели почв

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Объектом нашего исследования являются почвы холмисто-моренных ландшафтов природного парка «Вепсский лес». Парк находится в северной части Валдайско-Онежской возвышенности. Эта уникальная территория известна своими хвойными лесами и болотами, специфическими ландшафтами, приуроченными к конечно-моренному поясу вепсовской стадии Валдайского оледенения. Издавна внимание почвоведов привлекал почвенный покров территории конечно-моренного пояса, характеризующийся высоким разнообразием, в связи с пестротой почвообразующих пород и пересеченностью рельефа. Здесь, мы встречаем различные отделы и типы почв, часто сменяющие друг друга. Генезис и почвенная диагностика почвенных разностей этой территории долгое время считались дискуссионными.

В связи с тем, что почвенные исследования для данной территории, после появления новой классификации не проводились, то наша работа является актуальным материалом для пополнения информации о почвах северо-востока Ленинградской области и их современном состоянии.

В связи со значительной площадью, занимаемой парком, и разнообразием природных комплексов в его границах, для проведения исследований был избран конкретный участок в пределах парка - долина реки Сарки, окрестности Харагинского озера.

Территория находится в естественном ненарушенном состоянии, встречаются старовозрастные участки леса. Незначительный уровень антропогенной нагрузки на территорию дает возможность изучать почвенный и растительный покров и их естественные взаимосвязи.

Цель работы:

Изучение почв холмисто-моренных ландшафтов парка «Вепсский лес», сформированных на разных почвообразующих породах.

Для достижения поставленных целей были сформулированы следующие задачи:

Ш изучить морфологическое строение почв, сформированных на водно-ледниковых песках, на моренных суглинках и на двучленных породах;

Ш провести типизацию почв, встречающихся в районе исследования;

Ш определить химический, гранулометрический состав и физико-химические характеристики почв.

Актуальность работы обусловлена следующими факторами:

Ш необходимостью актуализации информации по почвам и почвенному покрову Ленинградской области в соответствии с современными подходами к диагностике и классификации почв России;

Ш формированием базы данных по почвенным ресурсам Ленинградской области, с перспективой включения в Единый государственный реестр почвенных ресурсов России.

Новизна работы:

Впервые изучены почвы холмисто-мореных ландшафтов территории, прилегающей к Харагинскому озеру.

Выявлено генетическое разнообразие этих почв, обусловленное пестротой почвообразующих пород.

Впервые проведена типизация почв данной территории, согласно “Классификации и диагностики почв России” (2004-2008гг.).

"Исследования проведены с использованием оборудования ресурсного центра Научного парка СПбГУ «Методы анализа состава вещества»/"Scientific research were performed at the Center for Chemical Analysis and Materials Research of Research park of St.Petersburg State University".

Глава 1. Литературный обзор

Почвенный покров Северо-Запада России отличается значительным разнообразием, которое обусловлено пестротой почвообразующих пород и форм рельефа, формирование которых связано с последним оледенением. Основной фундаментальной сводкой по почвам и почвенному покрову региона является монография «Почвы и почвенный покров Северо-Запада России» (1995), на которую мы неоднократно ссылаемся в этой работе. Специальное внимание почвам холмисто-моренных ландшафтов уделено в монографии Э.И. Гагариной (2004). Согласно ее данным, почвенный покров Вепсовско-Андомского округа отличается высокой пестротой, обусловленной влиянием мезорельефа, перераспределяющего влагу, двучленностью почвообразующих пород, влиянием растительного покрова. Обилие холмов, обычно небольших, создает мелкоареальный рисунок почвенного покрова. Почвенный покров характеризуется высокой контрастностью и округлой формой ареалов.

Почвы на двучленных отложениях широко распространены на севере, северо-востоке и северо-западе Русской равнины и издавна привлекали внимание исследователей, вследствие дискуссионного характера их генезиса и классификации (Апарин, Рубилин, 1975; Апарин, 1992). Среди двучленных отложений на обследованной нами территории парка «Вепсский лес» можно выделить: 1. Морены с перемытой верхней толщей (и «легкая», и «тяжелая» части содержат каменистые включения и заметной количество частиц крупного и среднего песка). 2. Отложения звонцев (верхняя часть наноса представляет собой мелкопесчаную слоистую супесь, а нижняя - пластичную глину, обе не содержат ни камней, ни крупного песка). Звонцовые отложения приурочены к наиболее высоким и крутосклонным холмам.

Б.Ф. Апарин и Е.В. Рубилин (1975) в фундаментальной монографии показали основные черты строения и генезиса пород на двучленных отложениях. Так, ими отмечается, что осветленный горизонт на гранулометрическом контакте появляется в результате периодического избыточного увлажнения, приводящего к развитию восстановительных условий и процесса оглеения. Также авторы обращают внимание на типичность сильно языковатой нижней границы контактно-элювиального горизонта. Согласно современным представлениям (Турсина, 2012), эти трещины имеют палеокриогенное происхождение. В почвах они служат каналами миграции влаги и растворенных веществ. Порозность кроющего наноса значительно выше, а плотность - ниже, чем у подстилающей толщи, поэтому возникает резкая граница между двумя толщами. Б.Ф. Апарин (1992) делает предположение, что маломощная верхняя часть двучленных пород образовалась в результате наложения в период деградации ледника взвешенных наносов на плотную основную морену.

Почвам на двучленных породах посвящен ряд публикаций И.М. Яшина с соавторами (2011, 2012, 2015). Авторы отмечают роль процессов кислотного гидролиза, лессиважа и глееобразования в формировании профиля подзолов с двучленным строением профиля. Обращает на себя внимание сходство морфологии профилей этих почв, встречающихся в разных регионах: характерная контрастность верхней и нижней части профиля по гранулометрическому составу, белесые языки и затеки в толще красно-бурого суглинка, приуроченные к зоне литогенного контакта.

А.О. Макеев с соавторами (2015) указывают на широкую распространенность двучленных отложений в области верхнеплейстоценовых оледенений Европы. Авторы рассматривают педолитокомплексы на двучленных отложениях в области московского оледенения, однако можно увидеть много сходных черт с более молодыми осадками валдайского оледенения: высокая плотность морены, обусловленная ледниковой нагрузкой и процессами гидроконсолидации, сеть мерзлотных трещин, пронизывающих породу и т.д.

В соответствии с большинством теорий, в процессе оподзоливания происходит миграция металлоорганических комплексов, которая сопровождается формированием осветленного горизонта выноса и лежащего под ним интенсивно окрашенного иллювиального горизонта, обогащенного органическим веществом, железом и алюминием. Миграция органического вещества в иллювиальные горизонты способствует формированию пула органического углерода на глубине, где органические соединения сохраняются длительное время благодаря взаимодействию с минеральными компонентами почвы. Таким образом, количество стабилизированного органического вещества связано с количеством металлорганических комплексов и слабо окристаллизованных оксидов и гидроксидов железа и алюминия (Catoni et al., 2014). Если алюминий и железо мигрируют в составе металлоорганических комплексов, их иммобилизация в горизонте BHF может быть объяснена осаждением вследствие изменения соотношения органического углерода и металлов или микробиологическим разложением органического лиганда (Lundstr?m et al., 2000). С 1980-х гг. существует теория неорганического коллоидного транспорта алюминия, кремния и железа, которая возникла в связи с выявлением в иллювиальных горизонтах подзолов минерала имоголита. Фармер и его соавторы (Farmer et al., 1980; Farmer and Lumsdon, 2001) полагают, что иммоголит не может осаждаться из комплексов с органическим веществом, а исключительно из протоимоголита (алюмосиликатного предшественника). В связи с этим они рассматривают протоимоголит как транспортную фазу для перемещения алюминия, железа и кремния из верхней части профиля в иллювиальный горизонт. Вместе с тем, ряд авторов отмечает, что разнообразие природных обстановок, в которых встречаются подзолы, предполагает, что процессы, которые их сформировали, не во всех случаях идентичны. Представляется более вероятным наличие нескольких процессов мобилизации и иммобилизации алюминия, железа, кремния и органического вещества, которые могут приводить к формированию подзолов, и специфическое сочетание факторов почвообразования в каждом конкретном местоположении определяет наличие и степень выраженности каждого из этих процессов (Sauer et al., 2007). Р. Гейслер с соавторами (Geisler et al., 2000) показали, что важную роль в биогеохимических циклах Al, Fe и Si играет их мобилизация в подстилке. Она происходит прямым и непрямым путем. В первом случае элементы мобилизуются за счет выветривания in situ, которому способствуют кислая реакция и высокая концентрация низкомолекулярных органических соединений, которых в постилке в 10 раз больше, чем в подзолистом горизонте. Минеральные частицы, подвергающиеся выветриванию, поступают в подстилку в результате перемешивания почвы при ветровалах, роющей деятельности фауны, а также при лесных пожарах и иногда и при участии человека. Непрямой путь реализуется через выветривание в минеральных горизонтах и последующее поступление Al, Fe и Si в подстилку в результате капиллярного поднятия почвенных растворов и захвата корнями и гифами микоризных грибов.

В результате процесса альфегумусового подзолообразования дифференциация профиля по содержанию оксидов железа и алюминия достигает максимума и затрагивает все гранулометрические фракции (Тонконогов, 2009). В подзол-элювоземах, где горизонт E формируется в маломощном песчаном наносе, подстилаемом глинами, иллювиальный горизонт не формируется (Тонконогов, 2008). Для подзолистых и дерново-подзолистых почв характерны процессы селективного оподзоливания, при котором избирательно разрушаются наименее устойчивые минералы илистой фракции, а также лессиваж - миграция и аккумуляция илистой фракции без разрушения (Тонконогов, 2008, 2009). По мнению В.Д. Тонконогова (2008), область распространения элювиального, подзолистого и срединных горизонтов в основном определяются гранулометрическим составом почвообразующего субстрата. Подзолистый горизонт приурочен к песчаным отложениям и относительно мощным легким суглинкам, элювиальный - к легким суглинкам, близко подстилаемым тяжелосуглинистым текстурным горизонтом.

Е.С. Мигунова (2009) отмечает, что дифференциация природы внутри однородного в климатическом отношении региона определяется минеральным составом, физическими свойствами, сложением и строением (рельефом) поверхностных отложений, т.е. с исходной неоднородностью минерального фундамента.

Состав и продуктивность лесов сильно различаются на участках, разных по свойствам почвы. Обычно под лесом развивается поверхностный горизонт подстилки (О), благодаря произрастанию леса меняется микроклимат на поверхности почвы, а также ее физические, химические и биологические характеристики. Отдельное дерево может влиять на почву в радиусе 10 м и более, в сравнении с 1-5 м для кустарников и 0,1-0,5 м для травянистых растений. Изменение и пространственное варьирование свойств почвы вокруг отдельных деревьев формируются за счет распределения влаги и растворенных веществ, стекающих по стволу и просачивающихся через древесную крону, и поступления листового и корневого опада (Binkley and Giardina, 1998). В смешанных лесах качественные различия опада различных видов деревьев могут быть ведущим звеном в формировании пространственных закономерностей распределения почвенных организмов и некоторых свойств почвы, таких как содержание органического углерода и рН (Ettema and Wardle, 2002). Для лесных экосистем характерен рост почвенного разнообразия за счет биомеханического (ветровалы) и биохимического воздействия деревьев (Samonil et al. 2014).

Согласно О.Г. Чертову (1981), изучаемая территория относится к подгруппе лесных земель на двучленных наносах дренированных равнин и склонов различной крутизны с ельниками черничными и кисличными зеленомошными. Производительность древостоев на этих землях выше, чем на дренированных песках и супесях. Отмечается характерная особенность гидрологического режима этих земель: наличие в апреле-мае и сентябре-ноябре поверхностного горизонта почвенно-грунтовых вод (верховодки) на границе с подстилающим суглинком. Это явление имеет большое экологическое значение, т.к. препятствует использованию лесной растительностью в период ее интенсивного роста потенциально более богатой подстилающей породы. В модергумусовых и модермуллевых почвах на этих землях в толще гумусового горизонта регулярно О.Г. Чертов регулярно обнаруживал угольки, а на поверхности - следы уборки камней. Признаки давнего окультуривания отмечали на этих землях также Б.Ф. Апарин и Е.Ф. Рубилин (1975). Также в пределах участка встречается и другой тип земель: лесные земли на суглинках моренных бескарбонатных дренированных равнин и пологих склонов с ельниками черничными и чернично-кисличными зеленомошными. В условиях хорошего дренажа здесь образуются модергрубогумусные и модергумусные почвы разной степени подзолистости, а под лиственными древостоями - модермуллевые и реже муллевые подзолистые почвы. Образование гумусового горизонта в последних, по мнению О.Г. Чертова (1981), безусловно, связано с окультуриванием, мощность этого горизонта приближается к 13-15 см.

Рис.1. Фрагмент схемы типов гумуса почв лесной зоны О.Г. Чертова (1981)

Схема типов гумуса, представленная О.Г. Чертовым, восходит к типам гумуса Ф. Дюшафура (1970), который в хорошо аэрируемых почвах выделял мюлль (гумус включен в глинисто-гумусовый комплекс), модер (органическая и минеральная составляющие перемешаны не полностью, гумусово-глинистый комплекс отсутствует) и мор (органогенный горизонт, не смешанный с минеральными горизонтами). Формирование трех типов гумуса является проявлением существующей на биогеоценотическом уровне связи между составом растительных сообществ, почвенной биотой и плодородием почв. Тип гумуса обусловлен качеством растительного опада (различные виды растений формируют опад разного качества), составом микроорганизмов и почвенной фауны (Ponge, 2003).

Согласно определителю серий типов леса (Федорчук и др., 2005), на изученной территории на вершинах холмов выделяются серии черничная на дренированных суглинках и двучленных наносах (ЧЕРГ) и кисличная на дренированных бескарбонатных суглинках и двучленных наносах (КИСГ). Для той и другой характерно постоянное присутствие в напочвенном покрове индикаторных видов группы майника. В этих эдафических условиях устойчивость ели как лесообразующей породы очень высока. Авторы отмечают, что почвы лесов серии ЧЕРГ характеризуются бедностью азотом, сильнокислой реакцией, ненасыщенностью основаниями, однако благоприятны для произрастания довольно продуктивных еловых, сосновых и мелколиственных древостоев. В травяно-кустарничковом ярусе лесов кисличной серии обычно преобладает кислица, иногда в сочетании с черникой, а наряду с видами группы черники и майника, встречаются и виды группы перловника (на нашем участке - сныть, вороний глаз, грушанка круглолистная и щитовник мужской). Свойства почвообразующих пород в сериях ЧЕРГ и КИСГ различаются мало. Формирование различных типов биогеоценозов связано преимущественно с изменением экологических свойств верхних горизонтов почвы. Преобладают дерново-подзолистые и грубогумусные почвы. По сравнению с ельниками черничными, почвы содержат несколько больше азота и несколько менее кислые.

По мнению Е.С. Мигуновой (2009), для оценки трофности местообитаний важны гранулометрический состав почвенно-грунтовой толщи и содержание фосфора и калия в корнедоступных минеральных горизонтах. По мнению этого автора, биогенное накопление как валовых, так и подвижных форм фосфора и калия в органогенных горизонтах существенно не проявляется в богатстве местообитаний, т.к. в органической форме эти элементы недоступны растениям. Из элементов минерального питания Е.С. Мигунова особенно выделяет фосфор, необходимый для фиксации атмосферного азота.

Нико ван Бреемен (van Breemen, 1993) отмечает, что фосфор, возможно, главный элемент минерального питания, запасы которого относительно ограничены в большинстве природных экосистем. Мобильность фосфора очень низкая. Низкая подвижность фосфора обусловлена его низкой растворимостью, усилена эффективным поглощением элемента растениями, накоплением фосфора в органическом веществе и сорбцией/осаждением на аморфных вторичных оксидах железа и алюминия в почвах. Ван Бреемен полагает, что и закрепление фосфора оксидами находится под контролем биоты и может рассматриваться как часть биотического цикла фосфора. Его гипотеза основана на том, что 1) вторичные оксиды алюминия и железа образуются при биологически опосредованном выветривании первичных минералов; 2) они часто осаждаются под влиянием Fe-окисляющих бактерий; 3) эти оксиды могут сохраняться в аморфном состоянии благодаря взаимодействию с гумусовыми веществами. Фосфор, ассоциированный с такими аморфными оксидами, может извлекаться растениями более эффективно, чем из термодинамически стабильных кристаллических фосфатов алюминия и железа.

Растения могут влиять на плодородие почв через следующие процессы (Разнообразие и динамика, 2013):

· поглощение элементов питания;

· химическое выветривание горных пород;

· поступление элементов питания с опадом, а для деревьев - и со стволовыми и кроновыми водами;

· перераспределение осадков, света и тепла;

· разложение и минерализацию органического вещества, формирующегося из растительных остатков разного качества.

Корневые системы растений оказывают влияние на физические и химические свойства почв, ее биологическую активность (Звягинцев и др., 2005).

В лесных биогеоценозах в процессе старения и вывала деревьев образуются окна. Этот процесс сопровождается педотурбацией, в результате формируется ветровальный почвенный комплекс (Васенев, Таргульян, 1995; Бобровский, 2010).

Глава 2. Физико-географическое положение изучаемой территории

2.1 Районирование изучаемой территории

Согласно физико-географическому районированию Севера-Запада СССР (Исаченко и др. 1965), изучаемая территория относится к Вепсовскому ландшафту. В зональном отношении этот ландшафт считается среднетаежным с чертами южной тайги. Специфику его определяет абсолютно доминирующая в нем грядово-холмисто-моренная местность, с обилием заозеренных, проточных, заболачивающихся котловин и лощин.

Согласно хозяйственно-геоботаническому районированию (Ниценко, 1964), территория природного парка «Вепсский лес» входит в Онежско-Валдайский район.

Рис.2. Местоположение парка «Вепсский лес» на карте области.

Согласно почвенно-географическому районированию Северо-Запада России (Гагарина и др., 1995), «Вепсский лес» располагается на территории Вепсовско-Андомского конечно-моренного почвенного округа.

2.2 Климатические особенности района

Климат природного парка «Вепсский лес» умеренно-континентальный, он характеризуется довольно коротким теплым летом и продолжительной суровой зимой. Среднегодовая температура составляет +2 °С. Период с температурами выше +10°С длится 90-110 дней. Температура самого холодного месяца (января) составляет -10-11°С, а самого теплого (июля) - +16-16,5°С. Минимальная зафиксированная температура -52°С, а максимальная - +35°С. Устойчивый снеговой покров лежит в течение 110-120(140) дней, мощность его составляет в среднем 50-60 см (от 20 до 80 см).

За год выпадает 650-800 мм осадков, большая их часть приходится на период июль-сентябрь. Для данной территории характерна постоянная высокая влажность воздуха и значительное (187 дней в год) количество пасмурных дней.

Присущий рассматриваемой территории пересеченный рельеф способствует формированию разнообразных микроклиматов.

2.3 Геологическое строение и рельеф