Биогеохимические особенности почв пояса внетропических лесов

Почвы лесных ландшафтов при всем их разнообразии имеют общие черты, обусловленные близким характером происходящих в них биогеохимических процессов. В результате замедленного биологического круговорота на поверхности почв залегает слой слаборазложившихся продуктов спада — лесная подстилка (горизонт А₀). Преобладание атмосферных осадков над испарением и присутствие легкорастворимых гумусовых кислот, образующихся при разложении растительных остатков микроорганизмами, среди которых важную роль играют грибы, способствуют формированию кислых, систематически промываемых почв. Сбалансированное соотношение атмосферных осадков и испарения сопровождается лишь периодическим промачиванием почв, имеющих вследствие этого слабощелочную реакцию.

Для всех типов почв лесных ландшафтов характерна аккумуляция элементов питания в лесной подстилке, под которой расположен горизонт их выноса. Еще ниже концентрация элементов постепенно увеличивается вплоть до почвообразующей породы. Некоторые элементы в отдельных типах почв образуют горизонт слабоповышенной концентрации под горизонтом выноса. В иллювиальных подзолах тайги это связано с выпадением органических соединений и гидроксидов железа, в которых фиксируются тяжелые металлы и близкие им рассеянные элементы. В кислых бурых и дерново-подзолистых почвах лиственных лесов проявляется эффект лессиважа — вымывание высокодисперсных частиц из верхней части профиля и осаждение их в средней. С дисперсными частицами перемещаются адсорбированные элементы.

Дифференциация тяжелых металлов между исходной породой и лесной подстилкой проявляется не только в подзолистых почвах таежных лесов Европы и Северной Америки, но также в почвах таежно-мерзлотных ландшафтов Восточной Сибири.

В почвах листопадных субтропических лесов со сбалансированным режимом атмосферных осадков и жестколиственных лесов, существующих в условиях сезонно-аридного (средиземноморского) климата, дифференциация металлов по профилю выражена слабее, но их аккумуляция в лесных подстилках очевидна.

В подстилках ненарушенных лесных фитоценозов выделяются два горизонта: свежий опад, лежащий на поверхности почвы, и находящийся под ним частично разложившийся и уплотненный опад. Химический состав нижнего горизонта лесной подстилки отличается от верхнего более высоким содержанием азота, лигнина и суммы зольных элементов.

Американские исследователи провели изучение некоторых тяжелых металлов в лесной подстилке листопадного леса в восточной части штата Теннесси, США. Из данных табл. 8 следует, что содержание рассеянных тяжелых металлов в разложившемся опаде всех деревьев-эдификаторов свинца больше почти в 2 раза, цинка — в 2—3 раза по сравнению со свежим спадом. По-видимому, тяжелые металлы образуют достаточно прочные связи с устойчивыми компонентами спада (лигнином и т. п.) и новообразованными органическими соединениями (белками микроорганизмов и др.). В результате этого металлы накапливаются в нижней части лесной подстилки, откуда захватываются в биологический круговорот после разрушения связи с органическими веществами или вымываются в составе растворимых органических соединений, главным образом фульвокислот.

Таблица 8. Распределение концентраций (10~⁴%) и масса (г/га) свинца и цинка в продуктах опада деревьев-эдификаторов леса Уокер Бранч, Теннесси, США (по данным Р. Ван Хука и др.).

Примечание. Числитель — масса металла (г/га); знаменатель — концентрация металла (10^-4%).

По указанной причине время полного возобновления мертвого напочвенного органического вещества (лесной подстилки) и поступивших с ним масс тяжелых металлов неодинаково. Период возобновления массы подстилок в лесных внетропических фитоценозах изменяется от 2—3 лет в широколиственных лесах до 7—8 лет в хвойных лесах северной тайги. Для полного возобновления масс тяжелых металлов, находящихся в лесных подстилках, требуется в 1,5—2 раза больше времени, чем для возобновления органического вещества подстилок. Отмеченная задержка отражается в повышении концентрации всех металлов в нижнем горизонте подстилок по сравнению со свежим спадом.

Неодинаковая прочность связи металлов и различная растворимость органических соединений способствуют неодинаковому возрастанию концентрации разных металлов. Остаточное обогащение наиболее характерно для свинца и никеля, концентрация которых в подстилках по сравнению со свежим спадом увеличивается до 10 раз и более. Цинк и кадмий закрепляются менее прочно, их вынос функционально связан со степенью атмосферного увлажнения и испаряемостью. В субтропических лесных ландшафтах с увлажнением недостаточным или близким к сбалансированному цинк и кадмий могут накапливаться в нижней части лесной подстилки. В лесах суббореального и бореального пояса эти металлы более активно выносятся, благодаря чему их концентрация в нижнем горизонте подстилок редко возрастает более, чем в 1,5—2 раза.

По данным Б. Н. Золотаревой (1994), запасы тяжелых металлов в подстилках хвойных и широколиственных лесов бассейна Верхней Оки от 3 до 12 раз превышают массы этих металлов, ежегодно вовлекаемые в биологический круговорот, а время полного возобновления масс в подстилках составляет для меди — 3, цинка — 6, свинца — 8 лет.

Таким образом, напочвенное органическое вещество лесных ландшафтов играет двойственную роль в биосферной геохимии тяжелых металлов. Во-первых, оно служит временным резервуаром, куда выводятся из миграции значительные массы рассеянных металлов. Во-вторых, благодаря образованию специфических водорастворимых органических соединений — фульвокислот, с которыми металлы образуют прочные комплексы, в лесных подстилках начинается перераспределение масс металлов, вовлекаемых в водную миграцию и биологический круговорот.

По особенностям распределения по профилю почв выделяют две группы элементов. Представители первой активно поглощаются лесной растительностью и в то же время относительно прочно связаны в мертвом органическом веществе. Их концентрация в горизонте ао больше, чем в почвообразующей породе. У представителей второй группы концентрация в горизонте ао хотя и повышается по сравнению с горизонтом выноса, но все же не достигает уровня исходной породы. К первой группе относятся марганец, цинк, медь, свинец, никель и некоторые другие элементы, ко второй — титан, цирконий, ванадий, хром. Типичная кривая распределения тяжелых металлов по профилю почв бореальных лесов показана на рис. 4.

Степень дифференцированности элементов по генетическим горизонтам почвенного профиля уменьшается по мере снижения гумидности ландшафтов. Тем не менее, даже в условиях развития смешанных и мелколиственных лесов изменение концентраций от почвообразующей породы к верхней части профиля почвы хорошо выражено. В. Б. Ильин (1974) показал, что в южной части лесной зоны Западной Сибири имеет место четкая дифференциация металлов в почвах, причем для одних элементов преобладает биогенная аккумуляция, для других — вынос. В частности, в балансе марганца процессы биогенной аккумуляции преобладают над выносом, а в балансе меди отношения обратные.

Закономерности дифференциации элементов в почвах лесов умеренного климата хорошо выдерживаются независимо от гранулометрического состава почвообразующих пород и, следовательно, от абсолютного содержания элементов.

Рис. 4. Распределение молибдена по профилю дерново-подзолистой почвы (Ярославская область)

Дифференциация рассеянных элементов по профилю почв — суммарный итог перераспределения их разных форм. Последние достигают наибольшего разнообразия именно в почвах благодаря различным биогеохимическим процессам. В почве к формам, унаследованным от исходных почвообразующих пород, добавляются биогенные, поступившие с отмершими органами и метаболитами высших растений, почвенной мезофауны и образованные в процессе жизнедеятельности микроорганизмов.

Разные формы в неодинаковой мере способны к миграции и перераспределению по профилю почвы Элементы, содержащиеся в обломочных минералах, практически стабильны. Элементы, связанные с высокодисперсными глинистыми минералами, перемещаются вместе с ними или принимают участие в процессах сорбции—десорбции. Часть элементов находится в конкрециях и тончайших пленках гидроксидов железа, а также входит в состав специфических почвенных органических соединений.

Определение всех форм рассеянных элементов весьма трудоемко. Тем не менее, имеющиеся данные позволяют ориентировочно оценить соотношение главных форм в некоторых почвах.

В ландшафтах смешанных лесов Восточно-Европейской равнины наиболее распространены дерново-подзолистые почвы суглинистого состава. В них во фракции в < 1 мкм в наибольшем количестве находятся элементы, активно вовлекающиеся в биологический круговорот и относительно накапливающиеся в лесных подстилках. Медь и молибден в этой фракции составляют 60—70% от общего количества каждого из этих металлов, содержащихся в почве. Металлы, слабо поглощаемые растениями, например хром и ванадий, находятся в высокодисперсной массе почв в меньшем количестве, около 20—30%.

В табл. 9 использованы данные А. А. Титовой (1970) и Е. Г. Журавлевой (1970) для иллюстрации изменения содержания главных форм меди и кобальта в профиле дерново-подзолистых почв Подмосковья. Содержание легкорастворимых и обменных форм металлов незначительно, всего несколько процентов от их общего количества в почве. Содержание различных органических соединений металлов довольно большое в верхней части профиля, где много гумусовых соединений, но в минеральных горизонтах резко снижается. Очень активно вовлекается в биологический круговорот в ландшафтах Подмосковья медь, менее активно — кобальт. В результате в почвенном гумусе содержание меди в два раза выше по сравнению с более инертным кобальтом. Значительная доля элементов (особенн…

Темы для самостоятельной работы.

• 1. Составьте схему массообмена в экосистеме бореального леса с указанием масс главных элементов.
• 2. Определите количество кислорода, находящегося в атмосфере благодаря фиксации углерода в залежах торфа на территории пояса бореальных лесов и суббореальных лесов.