Влияние растительных сообществ на характеристики гумуса серой лесной почвы г. Красноуфимска

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уральский государственный университет им. А.М. Горького

Биологический факультет

Кафедра экологии 

Влияние растительных сообществ на характеристики гумуса

серой лесной почвы г. Красноуфимска 
 
 
 

Выпускная бакалаврская работа

студентки 4 курса

Матвеевой Ирины Олеговны

Научный руководитель:

кандидат биол. наук, доцент

Некрасова Ольга Анатольевна 
 
 
 

Екатеринбург, 2010

Оглавление 

Введение…………………………………………………………………………3

Глава 1. Основные характеристики почвы, используемые при  палеореконструкции природных условий  окружающей среды…………….. .4

1. Морфология почв и отложений………………………………….. 4
2. Гранулометрия……………………………………………………. .7
3. Содержание и распределение карбонатов……………………….10
4. Солевой профиль…………………………………………………. 11
5. Педогумосовый метод диагностики и реконструкции палеоприродной среды…………………………………………....13
1. Содержание и распределение органического углерода (гумуса);  спектральная отражательная способность….... 18
2. Групповой состав гумуса…………………………………..19
3. Элементный состав гуминовых кислот…………………...20

Глава 2.Физико-географический очерк района исследования……………….22

Глава 3. Материалы  и методы………………………………………………….25

Глава 4. Результаты и обсуждение…………………………………………….26

1.      Геоботаническое описание растительности……………………..26
2.      Морфологическое описание почв………………………………..27
3.      Кислотность почв………………………………………………….29
4.      Групповой и фракционный состав гумуса……………………….31
5.      Спектральные характеристики гуминовых кислот……………...34

Заключение……………………………………………………………………... 38

Список литературы……………………………………………………………...39 
 
 
 
 

Введение 

      Проблема  органического вещества почв, начиная  с работ В. В. Докучаева и его  единомышленников, занимает одно из центральных  мест в теоретическом почвоведении.

      Известно, что органическому веществу принадлежит  особая роль в генезисе, плодородии и охране почв, особенно в связи  с их возрастающей дегумификацией (Фирсова, 1993).

     Изучение  гумуса современных почв является важнейшей  частью практически любого почвенного исследования.     Полученные результаты необходимы для оценки возможности выполнения почвами своих экологических функций, прогнозирования устойчивости органического вещества к минерализации, а также для оценки пригодности территории для различного рода деятельности.

      В качестве объектов исследования выбраны серые лесные почвы окрестностей г. Красноуфимска, формирующиеся под пологом разных растительных сообществ.

      Цель работы: сравнить гумус серой лесной почвы, формирующейся под пологом березового и смешанного леса.

      Для достижения поставленной цели нами решаются следующие задачи:

1. изучить морфологические и физико-химические показатели почв;
2. получить характеристики группового и фракционного состава гумуса и спектральные характеристики гуминовых кислот;
3. определить запасы гумуса;
4. выявить характеристики почвы и гумуса, на которые оказывает влияние сформировавшийся в настоящее время фитоценоз.

Глава 1. Основные  характеристики почвы, используемые при палеореконструкции природных условий  окружающей среды

1.1 Морфология почв  и отложений

     Морфология  почв имеет самостоятельную информативную  значимость, поскольку является совокупностью  признаков, интегрально отражающей их генетические особенности, свойства и состав. ( Глинка, 1919) писал, что  «внешний вид почвы (морфология) есть отражение того внутреннего химико-биологического процесса, благодаря которому почва образуется»

     В своих книгах М.И. Дергачева говорит, что морфология как учение о форме  лежит в основе всех естественных наук, поскольку без знания морфологии любого природного тела невозможно познание его свойств, связей с окружающими его другими телами, и составление, выявление общих и специфических признаков, группировка и корреляция. То есть, можно сказать, что морфология является одним из существенных признаков для диагностики и классификации почв.

     Морфология  отложений многослойных археологических  стоянок дает возможность проводить  первичное расчленение их толщ.

     Как говорит М.И. Дергачева: «Именно на основе морфологических свойств  выделялись в толще осадочных отложений на первом этапе исследований ископаемые почвы».

     Именно  морфологические исследования привели  к заключению, что каждая почва  состоит из ряда отдельных горизонтов (Докучаев, 1883).

        Именно в морфологических свойствах, прежде всего, находит свое отражение «память» почвы.

       По мнению многих исследователей, первоначальным этапом изучения погребенных и ископаемых почв является описание их морфологических особенностей и выявление аналогов среди современных почв или ископаемых почв другого возраста и разной географической локализации.

        Т.Д. Морозова подчеркивает, что детальное описание ископаемых почв позволяет судить о мерзлотных деформациях, выявить признаки педометаморфизма.

        Необходимо помнить о том, что для того, чтобы выделить достоверные морфологические критерии, необходимо проанализировать как можно больше признаков, деталей, характеризующих морфологию погребенной почвы, толщи отложений многослойных археологических стоянок или какого-то другого объекта.

        В принципе при этих исследованиях преследуется ряд целей:

1. Расчленение толщ отложений по морфологическим признакам на литологические слои или педогоризонты - первичная стратификация объекта изучения.
2. Вычленение на основе морфологического изучения гумусовых и других почвенных горизонтов, их отдельных прослоев, педоседиментов и (или) отдельных педогенных признаков и т.д.
3. Первичная (полевая) диагностика почв (педолитов, педоседиментов) по совокупности морфологических признаков. Детальное, тщательное изучение и учет всех морфологических особенностей профиля почв любого возраста и отложений, содержащих педоседименты или иные признаки педогенеза, приобретают особую значимость как дополнительный признак при использовании в археологии педогумусового, палинологического и других методов, поскольку внутреннее физико-химическое состояние и их химический состав отражаются в морфологических свойствах почв.

        В практике полевых исследований чаще всего хорошо фиксируются кротовины, включения, конкреции, железистые, карбонатные и другие горизонты, которые не соответствуют всему комплексу генетических признаков ископаемых почв, также как современных, может быть выражена наличием единичных реликтовых горизонтов, либо весь профиль может нести в себе черты предшествующего почвообразовательного процесса. (Ковда, 1973).

       Большую значимость при изучении морфологии отложений или ископаемых почв имеют  цвет, характер окраски (равномерная  или нет, однородная или нет, степень  пятнистости и др.), структура (сложение) и мощность отдельных горизонтов, характер переходов и границ между ними, наличие криоморфных признаков, особенности новообразований, включений, наличие зоологии фитогенных морфологических элементов. Дополнительно отмечают разные особенности, такие как каменистость, нарушенность наличие трещин, их положение. (М.И. Дергачева, 2007)

       При описании отложений многослойных археологических  стоянок с позиции морфологического почвоведения необходимо:

1. Проследить изменение цвета и характера окраски во всей изучаемой толще отложений, отметив однородность или неоднородность окраски, равномерность ее в пределах определенных слоев, и расчленить первоначальную толщу отложений на отдельные слои (горизонты по этим морфологическим признакам).
2. Измерить мощность выделенных слоев (горизонтов), имеющих однородную окраску. При наличии неоднородности окраски горизонтов, что достаточно часто встречается в практике изучения отложений многослойных палеолитических стоянок, необходимо определить степень мозаичности, согласно предложениям, и описать характер границ между выделенными горизонтами.
3. Отметить наличие и особенности (характер) трещин, заполненность их материалом, присутствие других морфологически выделяемых нарушений целостности толщи, остатков корней, костей ископаемых животных, раковин моллюсков, изменение с глубиной каменистости, а также характер заполнения материалом и размер кротовин.
4. Выделить и зафиксировать морфологические новообразования: присыпку, налеты, корочки, выцветы, псевдомицелий, пятна, прожилки, трубки, конкреции, стяжения и др.

        К основным морфологическим признакам относят цвет, характер окраски (равномерная или нет, однородная или нет, степень пятнистости и др.), структура (сложение) и мощность отдельных горизонтов, характер переходов и границ между ними, наличие криоморфных признаков, особенности новообразований, включений, наличие зоологии фитогенных морфологических элементов  и так же можно отнесту границу вскипания от HCl, изменение плотности сложения с глубиной, определение структурных особенностей почв по форме агрегатов и по их водопрочности.

1.2 Гранулометрия

        Гранулометрический состав - относительное содержание в почве или породе фракций механических элементов. Почва в основном наследует механические элементы от почвообразующей породы. Но они не остаются неизменными в процессе почвообразования, так как в почве постоянно происходят разнообразные явления: дробление, растворение, гидролиз, осаждение, гумификация и др. наблюдаются также процессы перемещения тонких механических элементов по профилю многих почв, обеднение ими верхних горизонтов и обогащение нижних. (Колесников С.И., 2005)

        Гранулометрический состав дает возможность изучить характер распределения фракций гранулометрических элементов по профилю. (Дергачева М.И., 2007)

     В России принята классификация механических элементов, разработанная Н.А. Качинским: все частицы более 1мм называют скелетом почвы, менее 1мм – мелкоземом.

        Скелет включает камни (диаметр механических элементов > 3мм) и гравий (1-3мм). Мелкозем включает следующие фракции: песок крупный (1-0.5мм), средний (0,5-0,25мм) и мелкий (0,25-0,05мм); пыль крупная (0,05-0,01мм), средняя (0,01-0,005мм) и мелкая (0,005-0,001мм); ил грубый (0,001-0,0005мм) и тонкий (0,0005-0,0001мм); коллоиды (<0,0001мм). (Колесников, 2005).

        Метод анализа мелкозема основан на законе падения твердых частиц в воде. Скорость падения частиц выражается законом Стокса

        где - скорость падения, - радиус частиц, - константа, зависящая от природы жидкости и частицы и равная , где g-ускорение свободного падения, d-плотность частицы, - плотность жидкой среды, М – коэффициент вязкости жидкости.

        Как следует из закона Стокса, скорость падения твердой частицы в воде, как и в любой жидкой среде, зависит от ее величины и формы, обусловливающих величину трения, от удельного веса частиц, обусловливающего их ускорение в процессе падения и от удельного веса и вязкости среды, которые в свою очередь зависят от температуры.

        Кроме мелкозема выделяют две большие фракции: физический песок (>0,01мм) и физическая глина (<0,01мм). На этом соотношении основана классификация гранулометрического состава Н.А. Качинского. Эта классификация позволяет проследить изменение отложений стоянки и может служить одним из признаков для ее расчленения.

        Для генетической диагностики почв, где требуется установить характер распределения илистой фракции по профилю, необходим пересчет ее содержания на бескарбонатную навеску. В этом случае количество ила в бескарбонатном, бессолевом и бесгумусном мелкоземе и изменение его  пределах профиля позволяют определить степень и характер дифференциации минеральной толщи почв.

        Соотношение гранулометрических фракций в составе мелкозема и распределение их по профилю неодинаково в почвах различных типов и может свидетельствовать о процессах разрушения и передвижения по профилю минеральных и органо-минеральных компонентов, а также о степени дифференциации почвенного профиля.

        Каждый почвенный тип имеет специфические черты профиля по гранулометрическому составу. Особенно это проявляется в распределении частиц ила (<0,001мм) и физической глины (<0,01мм). Имеются почвы, профиль которых значительно дифференцирован по гранулометрическому составу. Дифференциация эта может быть различной.

        В одном варианте верхняя часть профиля сильно обеднена фракцией ила (<0,001мм) при относительном возрастании доли песочных и особенно пылеватых частиц. На определенной глубине количество илистых частиц увеличивается и в горизонте, расположенном над материнской породой, наблюдается максимум накопления ила. Таким образом, фиксируются элювиальные обедненные илом горизонты и иллювиальные горизонты накопления илистых частиц. Такое распределение ила внутри профиля почв свидетельствует об интенсивных процессах разрушения высокодисперсных минералов, составляющих основную массу ила, и передвижении продуктов разрушения вниз по профилю. Подобная дифференциация профиля почв по гранулометрическому составу характерна для почв подзолистого типа, а также солодей и солонцов.

        В другом варианте некоторое накопление илистых частиц наблюдается в верхней или средней части профиля, но при относительно равномерном распределении с глубиной других гранулометричесих фракций. В этом случае увеличение содержания ила идет за счет процессов оглинивания горизонта, то есть за счет разрушения первичных (более крупных частиц) минералов и синтеза вместо них вторичных глинистых (более дисперсных) минералов. Передвижение продуктов разрушения вниз при этом не происходит, глинистые минералы образуются на месте разрушения первичных минералов. Подобный характер гранулометрического профиля может наблюдаться в бурых лесных почвах, сероземах и др. (Дергачева М.И., 2007)

        Имеются случаи, когда изменение отдельных гранулометрических фракций внутри профиля почв происходит незакономерно. В таких случаях дифференциация профиля по гранулометрическому составу обусловлена, скорее всего, неоднородностью исходной породы, которая находится в зоне действия современного почвообразовательного процесса. Формирование гранулометрического состава почв в результате почвообразования – необратимый процесс. (И.В. Иванов, 1992)

        Характерное время образования профиля, дифференцированного по содержанию ила, достигает десятки тысяч лет. Распределение ила по профилю – устойчивый в диагенезе признак. Надо лишь всегда иметь ввиду возможность первоначальной неоднородности толщи отложений по гранулометрическому составу и необходимость отчленения ее от вторичной, происходящей в результате почвообразования, дифференциации (Дергачева М.И., 2007).

        Таким образом, можно сделать вывод о том, что гранулометрический состав дает возможность изучить характер распределения фракций гранулометрических элементов по профилю и получить сведения о возможных типах почвообразования в прошлом. И не стоит забывать о том, что гранулометрический состав во многом определяет морфологические свойства почв.

1.3 Содержание и распределение  карбонатов

        Содержание и распределение карбонатов в погребенных и ископаемых почвах и отложениях (или карбонатный профиль почв) является весьма значимым и надежным признаком при генетической диагностике почв на типовом и подтиповом уровнях. Этот признак широко используется при генетической диагностике погребенных почв и отложений голоценового и плейстоценового времени (Золотун, 1974 и др.).

        По словам исследователя Дергачевой М.И.: «распределение карбонатов кальция по профилю палеопочв, положение их максимального содержания дают основания судить о процессах выщелачивания, которые зависят от атмосферного и грунтового увлажнения и типов ландшафтных условий».

        Особенности профильного распределения карбонатов обусловлены не только климатическими, геоморфологическими условиями, но и особенностями пород, на которых протекает почвообразование, и последующими процессами. Рядом авторов проведены специальные исследования устойчивости карбонатного профиля в диагенезе и показано, что запасы карбонатов в слое 0-2м на протяжении голоцена остаются практически стабильными и характер карбонатного профиля изменяется несущественно, а при надежной изоляции погребенной почвы насыпью все основные параметры карбонатного профиля, в том числе распределение и сохранность плотных карбонатных образований, практически не изменяются (Иванов, 1992). В случае анализа карбонатного профиля легких по гранулометрическому составу погребенных почв этот признак сохраняется не всегда.

        Во всяком случае, в комплексе с другими методами особенности карбонатного профиля почв можно использовать для диагностики палеоэкологических условий прошлого. Эмпирические материалы, полученные при изучении отложений многослойных палеолитических стоянок Сибири и Горного Алтая показали вполне удовлетворительную сохранность карбонатного профиля и соответствие его характеристик таковым, особенно в почвах сухостепной зоны. (Деревянко, 1998; Феденева, 1992)

1.4 Солевой профиль

        Солевой профиль, то есть содержание и распределение внутри почвенной толщи различных по составу легкорастворимых солей, также может служить важным диагностическим признаком почвообразования. В принципе содержание легкорастворимых солей в почвах невелико и колеблется от сотых до десятых долей процента, за исключением засоленных почв и отложений. В зависимости от содержания солей почвы обычно делятся на засоленные (сумма солей больше 0,25%) и незасоленные. По составу и преобладанию той или иной соли и их отношению определяется тип засоления (по их анионному составу).

        Тип засоления может быть разным: хлоридным, сульфатно-хлоридным, сульфатным, сульфатно-содовым и т.п.

        Характер распределения водорастворимых солей по профилю в разных почвах различен. Чаще всего в современных почвах наблюдаются следующие основные типы распределения водорастворимых солей по профилю:

• максимум солей приурочен к поверхности почвы, их количество, достигающее в верхних горизонтах нескольких процентов, постепенно уменьшается с глубиной, вплоть до уровня залегания грунтовых вод; такое распределение солей свидетельствует о постоянном подъеме засоленных грунтовых вод вверх по профилю и их испарение, в результате чего засоляется вся толща почвы, а верхний горизонт непрерывно обогащается солями, как это имеет место при формировании и функционировании солончаков;
• максимум (или несколько максимумов) солей приурочен к средней или нижней части выделенного профиля, количество солей в верхнем горизонте невелико, т.е. имеет место рассоление верхней части профиля и иллювиальное их накопление, как это отмечается в солонцах;
• максимумы солей (т.е. явно выраженные горизонты скопления солей) отсутствуют, наблюдается постепенное увеличение их количества с глубиной в пределах профиля, что характерно для разных типов слабо - среднесолончаковатых или солончаковатых почв.

        Как правило, максимальное количество легкорастворимых солей наблюдается на границе промачивания почв и поэтому положение солевого максимума, наряду с качественным составом и характером распределения солей в толще отложений археологических объектов, может использоваться как один из признаков при диагностике древнего почвообразования.

        Перераспределение анионов по профилю способствует определению гумидной или аридной направленности процессов. Так, если максимальное содержание хлора выше по профилю, чем , то вполне допустимо предположение о солончаковой (аридной) фазе почвообразования, когда испарение выше, чем поступление влаги; в случае, если максимум ниже по профилю, чем , то вполне допустимо предположение о наличии промывного семигумидного или гумидного типа почвообразования; в случае, если выше обоих максимумов наблюдается накопление соды, вполне реальна лесостепная направленность почвообразования.

        Солевой профиль в диагенезе может претерпевать определенные изменения, поскольку отдельные его компоненты имеют неодинаковую устойчивость во времени. Однако в литературе имеется немало работ, свидетельствующих об удовлетворительной сохранности солевого профиля в почвах, погребенных под очень мощными или слабо промачиваемыми отложениями. Состав солей при этом соответствует остальному комплексу признаков почвообразования (Иванов, 1992; Дергачева, 1997).

1.5  Педогумусовый метод диагностики и реконструкции палеоприродной среды

        Педогумусовый метод диагностики условий почвообразования и реконструкции палеоприродной среды обитания человека, т.е. метод диагностики по признакам, обусловленными свойствами гумуса как педогенного образования, впервые был предложен и использован Марией Ивановной Дергачевой (академик РАЕН, доктор биологических наук). Этот метод позволяет решать проблемы взаимосвязи природы и человека в рамках задач археологических исследований.

        Сущность педогумусового метода заключается в признании роли гумуса в формировании свойств почв, составляющих ее “память”. Иначе говоря, в признании гумуса компонентом, с одной стороны, отражающим комплекс природных условий формирования почв и, с другой стороны, относящимся к компонентам, свойства которых наиболее устойчивы в геологических масштабах времени.

        В основе его лежат значимые для диагностики признаки гумуса почв и его отдельных компонентов, а также связанные с ними в той или иной степени признаки-свойства минеральной части погребенных и ископаемых почв.

        К значимым для диагностики признакам отнесены изменение содержания общего органического углерода (гумуса) с глубиной; качественный состав гумуса, т.е. долевой участие и соотношение отдельных групп гумусовых веществ; ряд признаков гуминовых кислот, отражающих состав, свойства и строение их макромолекул, соотношение минеральной и органической составляющей органо-минеральных соединений, их изотопный состав, соотношение структурных компонентов и другие, а также ряд сохраняющихся в диагенезе свойств почвенной массы, зависящей от присутствия гумусовых веществ или их воздействия на компоненты почв. К ним относятся отражательная способность почвенной массы и ее магнитная восприимчивость. В данном методе используется коэффициент отражения  света почвенной массы при длине волны 750нм, а также величина магнитной восприимчивости, обусловленная присутствием сильномагнитных минералов – ферромагнетиков, синтез которых в процессе почвообразования связан с органическим веществом почв.

        Основанием для первичного вычленения из всей совокупности свойств гумуса признаков, значимых для диагностики палеоприродной среды, послужили, с одной стороны, многочисленнее эмпирические материалы, которые свидетельствуют о том, что состав гумуса в целом, а также химический состав и другие свойства одного из основных компонентов его – гуминовых кислот, отражающие биоклиматические условия их формирования,  удовлетворительно сохраняются в течение длительных геологически соизмеримых отрезков времени. С другой стороны, основанием для выделения значимых при диагностике палеоприродной среды признаков является теоретическое обоснование возможности использования ряда характеристик состава и свойств гумуса и его компонентов для целей проведения палеореконструкций. Под влиянием колебаний климата происходит изменение растительности и соответственно процесса почвообразования, следы которого остаются в толще осадков в виде устойчивых в диагенезе педогенных признаков. Сочетание растительности и климата (биоклиматические условия) отражается в специфике состава и структуры почвенного гумуса, основные признаки которых оказались устойчивыми в диагенезе, что и позволяет использовать их при палеогеографических реконструкциях. Именно поэтому перечисленные признаки, сочетающие в себе отражение условий формирования и устойчивость в диагенезе, и были выделены как значимые при изучении почв и отложений археологических памятников.  

        Преимуществом данного метода является возможность воссоздания палеоэкологических условий не только по хорошо сохранившимся профилям палеопочв, интегрально отражающим совокупность древних факторов-почвообразователей, но и по их дериватам, остаткам отдельных почвенных горизонтов, а также в случаях перемещения, переотложения осадка. При этом и профили погребенных почв, и отложения многослойных археологических памятников рассматриваются как стратиграфические колонки, каждый слой которых несет в себе следы педогенеза в виде продуктов органо-минеральных взаимодействий или, как можно это сформулировать иначе, следы протекания одного из элементарных почвообразовательных процессов – гумусообразование.

        Теоретические и экспериментальные предпосылки возможности использования гумуса почв как самостоятельного метода реконструкции палеоэкологических условий (и рассмотрения почв и отложений как совокупности горизонтов (слоев), которые несут в себе признаки протекания былого процесса гумусообразования) основываются на следующих положениях: