Реферат: Некоторые географические гипотезы современного формирования второго гумусового горизонта Западной Сибири
Во время массового размножения миллионы гусениц сибирского шелкопряда уничтожают хвою и обрекают деревья на гибель. Площади отдельных очагов повреждения (шелкопрядников) колеблются от 500-700 га до 6-10 тыс. га, а в отдельных случаях даже до 70-150 тыс. га.
Гибель древесного яруса сопровождается резким изменением всей экологической обстановки в шелкопряднике. В первую очередь изменяется фитоклимат территории. Кроме этого, гусеницы сибирского шелкопряда после поедания хвои образуют значительную массу экскрементов, покрывающих поверхность почвы сплошным органо-минеральным слоем, который существенно меняет скорость и направленность биохимических процессов в почвах. Практически мгновенно формируется новый органический горизонт почвы. Каждая тонна экскрементов содержит в кедровниках 20,4 кг, в пихтачах - 68,8 кг, в ельниках 124,0 кг кальция. Такая добавка стимулирует дерновый процесс в почвах и образование гуматного гумуса.
Столь глубокое изменение экологических условий сопровождается буйным развитием травянистой и кустарниковой растительности. Увеличение количества тепла, аэрации и оснований активизирует микрофлору и фауну почвы, которая сверхактивно разлагает экстремально большую массу опада и отпада, в которой с годами начинает преобладать травянистая фитомасса. Эти изменения отражаются на ходе гумификации органических остатков, направляя процесс в сторону увеличения доли гуминовых кислот.
Через несколько лет участок тайги, поврежденный шелкопрядом, буквально превращается в склад сухой древесины, заросший густой травянисто-кустарниковой растительностью. Огромные и равномерно распределенные по территории запасы сухой древесины стимулируют возникновение частых и очень интенсивных пожаров, охватывающих обширные Измерения показали, что водная вытяжка древесной золы имеет сильнощелочную реакцию рН 9-12, а щелочь является хорошим экстрагентом почвенного гумуса и вполне может содействовать его транзиту из верхнего горизонта в нижележащие. Высокая кислотность а контакте горизонтов А2 и В1; способствует осаждению гуминовых кислот именно в этом месте почвенного профиля.
Степень трансформации живой и отмершей фитомассы в результате воздействия пожара зависит от влажности материала. Сухая органическая масса при сгорании полностью озоляется, влажная масса частично озоляется, частично обугливается, сырая масса обугливается полностью или частично. Таким образом, в результате пожара поверхность почвы и ее корнеобитаемые горизонты в значительной степени обогащаются не только зольными элементами, но и древесным углем.
Лабораторные эксперименты А. С. Керженцева показали, что из древесного угля с помощью щелочи можно экстрагировать гумусоподобные вещества, которые общепринятыми методами анализа качественного состава гумуса невозможно отличить от почвенного гумуса. Возможно, что часть гумуса A2h является обугленной фитомассой.
Мелкие частицы древесного угля, обладающие гидрофобностью, могли мигрировать вместе с нисходящим водным стоком по ходам корней, почвенным порам и трещинам. Но более вероятен следующий вариант. Во время лесного пожара во влажной почве при малом доступе кислорода происходит так называемая "цепная реакция горения угля" (тления), когда вся древесная масса по контакту обугливается без остатка, как бикфордов шнур до конца. Этим эффектом пользовались в прошлом углежоги, получая древесный уголь для доменных печей и бытовых нужд (утюги, самовары). Оказывается, совсем необязательно нагревать почву выше 200 градусов, чтобы обуглить корни деревьев. Для этого достаточно сжечь пень на влажной почве. Тогда корневая система обуглится в результате цепной реакции тления по контакту, причем каждый корешок обугливается в отдельности.
В следующем эксперименте было имитировано образование A2h в результате пожара за счет накопления частиц угля в горизонте А2 подзолистой почвы на водоупоре иллювиального горизонта В. Для этой цели массу естественной подстилки пихтача разнотравного, обугленную в муфельной печи при температуре 150-200 градусов, перемешали с почвой разных горизонтов в соотношении 1:10 по весу: 1 часть обугленной подстилки и 10 частей минеральной массы горизонтов А2 и С разного гран. состава. После сухого перемешивания в смесях был определен фракционный состав "гумуса" по методу Коновой-Бельчиковой.
Полученные результаты оказались довольно близки к качественному составу гумуса горизонта A2h в подзолистых почвах. Эти данные говорят о том, что общепринятый в почвоведении метод не позволяет отличить настоящий гумус почвы от искусственной смеси минеральной массы с древесным углем. Возможно, этим обстоятельством объясняется нетипично высокое содержание гуминовых кислот в подзолистых почвах южной и средней тайги, отмеченное некоторыми авторами.
Косвенный аргумент в пользу "угольного" состава гумуса A2h - это несоответствие его интенсивной окраски содержанию углерода, которое отмечено многими исследователями. Во всех искусственных смесях (1:10) вместо ожидаемых 10% углерода было обнаружено не более 1-3%. Причем, максимальное количество углерода экстрагировано из смеси угля с суглинистым А2, минимальное - с супесчаным А2 и глинистым С.
Также автором были провидены эксперименты с монолитами, на поверхности которых помещались угли. За год промывания монолитов происходило неоднократное появление темных полос в подзолистом горизонте.
Как отмечает автор, описанный механизм формирования второго гумусового горизонта можно считать частным случаем, поскольку он связан исключительно с катастрофическими сукцессиями темнохвойных лесов южной тайги Причулымья, что не позволяет интерпретировать его как универсальный. Больше того, даже в этих конкретных условиях процесс формирования A2h складывается из двух составляющих, которые могут проявляться как совместно, так и в отдельности, образуя различные сочетания результатов.
Общеизвестную приуроченность почв со вторым гумусовым горизонтом к зоне южной тайги А. С. Керженцев объясняет следующими соображениями
Во-первых, именно здесь особенно ярко выражен контраст микроклимата под пологом леса и на открытом пространстве. Следовательно, удаление лесного полога здесь приводит к резкому изменению процесса почвообразования. На обширных таежных "еланях" среди подзолов часто встречаются дерново-подзолистые почвы с мощным темноокрашенным гумусовым горизонтом.
Во-вторых, зона южной тайги - это основной ареал вредоносности сибирского шелкопряда, одного из существенных факторов уничтожения темнохвойных лесов на больших пространствах. Многие исследователи растительности Причулымья отмечали существенную роль этого фактора катастрофических сукцессии в формировании растительного покрова южной тайги.
Гипотеза А. С. Керженцева поддерживается С. С. Трофимовым (1975): «… для конкретной территории Кемеровской области, прилегающей к Томскому Причулымью, современное происхождение второго гумусового горизонта нам представляется более соответствующим реально существующим экологическим условиям».
Рассмотренные выше гипотезы критически рассмотрены И. М. Гаджиевым (1982). На довод А. С. Керженцева о миграции новообразованных гуминовых кислот на щелочном фоне после катастрофических вспышек энтомоэпифитотий сопровождаемых пожарами он возражает, что вновь образованные гуминовые кислоты не мигрировали глубже 5-7 см в их, с М. И. Дергачевой (1978), опытах. Это кажется странным, так как четко оговорены условия миграции, а именно появление щелочного фона. На довод о проградации почв сверху необходимо указать на иллювиирование гумуса в почвах гарей на месте шелкопрядников, а водорастворимый гумус будет вертикально мигрировать вплоть до водоупорного горизонта, где и сменит своё движение на латеральное, постепенно осаждаясь на поверхностях разделов. Поэтому иллювиирование гумуса и начинается в глубине профиля.
Возражения И. М. Гаджиева о нехватки всей органики фитоценоза для образования гумуса второго гумусового горизонта не совсем ясны, если принять во внимание, что сукцессии, описанные А. С. Керженцевым, протекают не единожды, а несколько раз за тысячелетие. К тому же некоторая часть гумуса представлена тонкодисперсным углем.
Критическое рассмотрение доводов Е. Г. Нечаевой, по сути, отсутствует. Отмечена странность выводов и то, что для территорий исследования характерна высокая расчлененность. На основании этого проведена аналогия территории с подтайгой, что не совсем ясно. Разве не бывает елово-кедрово-пихтовой тайги в условиях расчлененного рельефа? Конечно, бывает. Ещё одним доводом о родстве изученной территории являются описанные Е. Г. Нечаевой почвы со вторым гумусовым горизонтом залегающим сразу под первым. Но такие же почвы имеются и на Васюганской равнине и на северных отрогах Кузнецкого Алатау. Они являются логичным звеном постепенного вытеснения подзолистого горизонта вторым гумусовым по мере нарастания объемов проходящего через профиль внутрипочвенного стока.
Можно согласиться с тем, что в силу специфичности рельефа нельзя напрямую экспортировать выводы Е. Г. Нечаевой на другие районы распространения второго гумусового горизонта с более спокойным рельефом. Но четкая корреляция степени выраженности этого горизонта в почвах в зависимости от форм рельефа может быть экстраполирована на другие сильно расчлененные, хорошо дренированные районы. По крайне мере в таких условиях можно ожидать наличия современных вторых гумусовых горизонтов.
Пытаясь взять от всех существующих гипотез самое лучшее и надежное, М. И. Дергачева, совместно с И. М. Гаджиевым (1977) на основании изучения изменений качественного состава гумуса в результате ежегодного промерзания разработали гипотезу самовозобновления гуминовых веществ путем репликации молекул.
В самом общем виде процесс возобновления гуминовых веществ можно представить как процесс репликации «поврежденных» каким-либо образом (микроорганизмами, химическими воздействиями) молекул. Гумины являются при этом молекулами-репликаторами. Скорее всего, гумины по своему подобию из «строительного материала», поступающего из разлагающихся растительных остатков, воспроизводят молекулы гуминовых кислот, поддерживая их на каком то определенном уровне. Веществом, транспортирующим к гуминовым кислотам строительный материал, являются новообразованные фульвокислоты с малой оптической плотностью, что свидетельствует о слабоконденсированном ядре и большой алифатической части. Они транспортируют необходимый «строительный материал» в виде сорбированных неспецифических органических веществ. По мере передвижения вниз по профилю почв фульвокислоты постепенно отдают необходимые для образования гуминовых кислот органические вещества, и в конце концов само ядро – основа молекулы – участвует в качестве «строительного материала» в процессе репликации. Тут стоит отметить передвижение не только по профилю, но и с боковым внутрипочвенным стоком.
Началом репликации молекул гуминовых кислот или, по крайней мере, начало наиболее интенсивного ее периода начинается, по всей видимости, осенью, перед самым замерзанием, о чем можно судить по очень высокому содержанию гуминовых кислот, в этот же период наиболее активно формируется и верховодка.
Изложенная гипотеза построена целиком на данных о качественном составе гумуса в почвах разные времена года. Описанные механизмы являются гипотетичными и исходят из того, что гуматный гумус имеет реликтовое происхождение, а по профилю могут мигрировать лишь фульвокислоты. Описанная гипотеза интересна тем, что она признаёт динамичность почвенной системы и её способности изменяться во времени, а сохранность реликтовых гумусовых горизонтов не инертностью почвенной массы, а, наоборот, её динамичностью – поддержанием реликтов по мере нарастания количеств мигрирующих органических веществ.
Интересной является статья И. М. Гаджиева и Г. А. Симонова (1977) в которой авторы останавливаются на характеристиках почвы, со вторым гумусовым горизонтом отражающих её своеобразность (юго-восточная часть Васюганской равнины, бассейн реки Икса). Содержание ила и физической глины в отдельных генетических горизонтах наглядно свидетельствует о том, что второй гумусовый горизонт близок по механическому составу к иллювиальному горизонту (!) и, по сути, представляет его верхнюю часть, лежащую непосредственно под оподзоленным горизонтом.
Распределение кварца по фракциям в отдельных генетических горизонтах позволило авторам разделить профиль дерново-сильноподзолистой почвы со вторым гумусовым горизонтом на элювиальную (Ад, А1, А2) и иллювиальную (гор-ты Аh2, В1, В2) части. Таким образом ,по содержанию кварца в илистой фракции второй гумусовый горизонт относится к горизонтам иллювиальной природы. При этом в почвообразующей породе кварца несколько больше, что свидетельствует об относительном накоплении во втором гумусовом горизонте глинистых минералов. По несиликатному железу тоже второй гумусовый горизонт относится к иллювиальному.
Авторы пишут, что их аналитические данные наглядно свидетельствуют о иллювиальной природе второго гумусового горизонта, но ниже делают вывод о его остаточном образовании! Причем написано, что рассмотренная выше статья с М. И. Сергачевой также подтверждает положение о реликтовости горизонта, что кажется особенно странным, так как в пользу реликтовости ни в этой, ни в предыдущей статье не приведено ни одного довода.
Рассмотренная гипотеза о современных механизмах поддержания вторых гумусовых горизонтов в почве позволяет, в какой то мере, прийти к примирению полярных гипотез, выработать рациональное объяснение аргументам апологетов реликтовости и современности горизонтов. Но в то же время стоит отметить, если возможен процесс наложения одного на другое, то и по отдельности в определенных условиях должны себя проявлять эти накладываемые. Что наверняка и имеет место в широких географических условиях ареала почв со вторыми гумусовыми горизонтами инситного происхождения.
Заключение
Большинство почвоведов за основу объяснения природы вторых гумусовых горизонтов инситного происхождения таежно-лесной зоны принимает гипотезу его реликтовости и унаследованности от темноцветных почв оптимума голоцена.
При этом практически полностью отметаются какие-либо другие доводы. А сама концепция реликтовости для большей части почв строится на доказательствах по фракционному составу гумуса, при этом говорится так: «групповой и фракционный состав гумуса вторых гумусовых горизонтов схож таковому черноземных и луговых почв, следовательно, горизонт имеет реликтовую природу, так как в современных условиях на почве произрастает лес».
Но в самой постановке такого отверждения кроется большая ошибка, так как сравниваются срединные горизонт почвенных профилей таежной почвы и верхних гумусовых горизонт современных почв травяных фитоценозов.
То есть уже только из-за различия в местоположении профиля следует, что при тождественности состава гумуса вероятен различный генезис горизонтов. Вторым постулатом является невозможность перемещения гуминовых кислот по профилю почв. Но как наглядно показал А. С. Керженцев в определенные периоды развития БГЦ возможно появление щелочного фона необходимого для приобретения гуминовыми кислотами подвижности. Особенно широко развитие этот механизм должен получить на Васюганской равнине, где в силу повышенного содержания натрия в растительности стоит ожидать повышенной щелочности золы. Наряду с широко известными гипотезами реликтовости инситных горизонтов малоизвестными остаются альтернативные гипотезы, которые доказывают адекватность вторых гумусовых горизонтов в современных условиях. Именно такие гипотезы и были рассмотрены в реферате.
Отличием их от гипотез реликтовости является подключение для объяснения механизмов формирования второго гумусового горизонта ландшафтных, биоклиматических и биогеоценотических факторов и эффектов, имеющих место в современных условиях, а не в далекой древности. Сюда относятся особенности динамики экосистем, особенности структуры почвенного покрова, соподчинения различных почвенных комбинаций, данные по микробиологической активности, результаты исследования особенностей стоковых явлений и др. В связи со сказанным интересными являются данные полученные во Владимирском ополье (Кирдяшкин, 2007).
Исследование некоторых физических и химических свойств серых лесных почв и серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом показало, что профиль этих почв дифференцирован по плотности, гранулометрическому и структурному составам, коэффициенту фильтрации, содержанию органического углерода. Гор. Ah выделяется по повышенному (до 3-4%) содержанию углерода, высокой микроагрегированностью, агрегатной и межагрегатной порозностью и повышенному коэффициенту фильтрации, как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях. Указанные данные ещё раз свидетельствуют о невозможности сохранности реликтовых признаков в столь благоприятных для развития миграционных процессов условиях. Следовательно, этот горизонт имеет или строго иллювиальную природу, либо в нем происходит процесс репликации гуминовых кислот.
К лагерю сторонников иллювиального механизма формирования второго гумусового горизонта примкнули и С. М. Горожанкина и В. Д. Константинов (1975), которые отметили, что «почвы со вторым гумусовым горизонтом будут формироваться до тех пор, пока сохраняются условия почвообразования, близкие к современным, и пока почвообразующие породы не подвергнуться полному выщелачиванию от карбонатов». Также отметим, что все гипотезы, доказывающие современное происхождение второго гумусового горизонта инситной природы относятся к подзоне южной тайги, где в качестве доминирующей породы выступает пихта сибирская. Возможно, что именно кедро-пихтовые и пихтовые сообщества являются наиболее благоприятными для проявления миграционных процессов и широкого распространения подобных почв.
Литература
Гаджиев И. М. Эволюция почв южной тайги Западной Сибири. Новосибирск: Наука, 1982. – 280 с.
Гаджиев И. М., Дергачева М. И. Изменение органического вещества дерново-подзолистых почв под влиянием зимнего промерзания // Проблемы сибирского почвоведения. Новосибирск, 1977. С. 97-106.
Гаджиев И. М., Симонов Г. А. Некоторые аспекты формирования второго гумусового горизонта в дерново-подзолистых почвах южной тайги // Проблемы сибирского почвоведения. Новосибирск, 1977. С. 107-116.
Горожанкина С. М., Константинов В. Д. Топология и география тайги с почвенно-геоботанической точки зрения // Вопросы почвоведения Сибири. Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1975. – С. 24-35.
Караваева Н. А., Черкинский А. Е., Горячкин С. В. Понятие «второй гумусовый горизонт»: опыт генетико-эволюционной систематизации // Успехи советского почвоведения. М.: Наука, 1986. С. 167-173.
Керженцев А. С. Автоморфные почвы Причулымья. М., 1972. – 27с.
Керженцев А. С. Функциональная экология. – М.: Наука, 2006. – 259 с.
Нечаева Е. Г. География и генезис почв со сложным гумусовым профилем // Сибирский географический сборник. Новосибирск: Наука, 1980. – С. 169-206.
Нечаева Е. Г. , Щетников А. И. О почвах со вторым гумусовым горизонтом Сибири // Почвоведение. 1982. № 3. С. 5-13.
Пономарева В. В., Толчельников Ю. С. Некоторые данные о составе и свойствах гумуса и вопросы генезиса почв со вторым гумусовым горизонтом южной тайги Западной Сибири // Докл. Ин-та географии Сибири и Дальнего Востока, Иркутск: 1968. Вып. 20.
Трофимов С. С. Экология почв и почвенные ресурсы Кемеровской области. Новосибирск: Наука, 1975. – 300 с.
