Динамика содержания водорастворимых форм углерода и азота почв в первые годы после сплошной рубки

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Таежные экосистемы подвержены различным типам антропогенной деятельности, и при этом могут быть чувствительными индикаторами современных климатических изменений [49]. Лесозаготовительные мероприятия являются одним из главных антропогенных факторов, изменяющих лесные экосистемы. Проведение рубок главного пользования приводит к существенному изменению лесного покрова и лесных почв [4, 7, 12]. Известно, что площадь пасечных участков составляет до 59–71%, волоков – 18–29% от общей площади лесосеки [4, 14]. Почвы пасечных участков не испытывают прямого воздействия тяжелой агрегатной техники в отличие от почв волоков, которые подвергаются наибольшим нарушениям. Важным показателем становится число проходов колесной техники [8, 9, 65, 67], которое обусловливает перемешивание подстилок и минеральных горизонтов почв, поступление порубочных остатков вглубь почвенного профиля при многократных проходах тяжелой лесозаготовительной техники [15].

В связи со значительными запасами углерода, сосредоточенного в лесных экосистемах, содержанию и изменению состава соединений углерода почв посвящено существенное количество работ [4, 16, 24, 42, 57, 59]. Почвы лесных экосистем бореального пояса содержат приблизительно 30% общепланетарных запасов углерода [64]. Но при этом работ по оценке влияния рубок на состав и свойства почвенного органического вещества в условиях европейского Севера не так много [6, 8]. Углерод водорастворимых соединений является одним из наиболее активных и подвижных источников углерода, представляет собой лабильную форму, которая быстро преобразовывается в почвах [18, 19, 47, 56] и играет важную роль в глобальном круговороте элемента [23, 32, 46, 48].

Минерализация водорастворимого органического вещества (ВОВ) оказывает значительное влияние на потерю углерода из наземных экосистем, включая лесные [29, 32]. Процессы сохранения и накопления ВОВ могут влиять на функции и питательный режим почв [43]. Таким образом, ВОВ участвует в формировании химического состава почв, осуществляет транспорт веществ в профиле почв [20, 29, 54]. ВОВ является наиболее важным субстратом для микроорганизмов [10, 21, 22, 25, 28, 37]. В настоящее время этот показатель часто применяют в качестве индикатора микробной активности [3, 30]. В работах как отечественных, так и зарубежных исследователей отмечены важные функции ВОВ, как наиболее динамической фракции органического вещества почв, которая является индикатором изменений ПОВ и процессов почвообразования в целом [10, 13]. Продемонстрировано, что его изменения могут быть рассмотрены в качестве показателя для мониторинга неблагоприятного воздействия на почвы [66, 45], а проведение экспериментальных и модельных исследований динамики ВОВ позволят оценить его концентрации и вклад в глобальный цикл углерода [40].

На основе анализа литературы предполагается, что сведения о содержании и изменении ВОВ при широко распространенных лесозаготовительных мероприятиях на европейском северо-востоке России актуальны для получения новой информации и выделения ВОВ в качестве индикатора антропогенного воздействия (лесозаготовки, пожары и сельскохозяйственное использование). Актуальным остается проведение исследований по оценке сезонной динамики водорастворимых веществ, что может способствовать более глубокому пониманию этих процессов и их влияния на функционирование почв.

Цель работы – оценить изменение содержания углерода и азота водорастворимых соединений в почвах после рубки хвойно-лиственного насаждения в средней тайге Республики Коми.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования выполнены в подзоне средней тайги Республики Коми в 2020–2022 гг. Климат района исследований умеренно-континентальный, умеренно холодный. Среднегодовая температура воздуха составляет +0.4°С, среднемесячная температура в июле +16.7°С, в январе –15.2°С. Годовое количество осадков 560 мм, испаряемость 442 мм, коэффициент увлажнения составляет 1.27, что свидетельствует об избыточном увлажнении [1, 2]. Согласно почвенно-географическому районированию, исследуемая территория расположена в южной части Вымь-Вычегодского округа типичных подзолистых почв, иллювиально-железистых подзолов, торфянисто-подзолисто-глееватых иллювиально-гумусовых почв. Объекты исследования были расположены на вершине мореного увала. Территория относится к Вычегодско-Мезенской равнине, почвообразующими породами которой служат водно-ледниковые суглинисто-глинистые однородные и слоистые отложения [1] (рис. 1).

 

Рис. 1. Расположение участка вырубки и объекта исследований. Изображение участка взято с сайта Google Maps

 

Исходно на исследуемом участке развивалась подзолистая почва, формирующаяся в хвойно-лиственном насаждении (2020 г.). В зимний период 2020/2021 гг. на исследуемом участке была проведена рубка древостоя, включающая использование многооперационных машин (форвардер и харвестер). Исследование проводилось на разных технологических участках вырубки (рис. 2): пасечный участок (П) и волока с разным числом проходов колесной техники. Волока различались по степени механических нарушений: три (3П) и десять проходов тяжелой лесозаготовительной техники (10П), также были исследованы волока с десятью проходами с последующим выравниванием (10Р). В качестве экспериментальной машины для моделирования волоков использовали четырехосный форвардер Ponsse Elephant Erg08w A090626 (22.8 т). Перед проездом форвардер загружали балансом осины. Общая масса форвардера с древесиной составляла 36.3 т. На каждом технологическом участке вырубки закладывали по одному опорному разрезу для полнопрофильного отбора образцов один раз в полевой сезон. Для участка исходного леса и последующего пасечного участка разрезы были заложены в 2020, 2021 и 2022 гг. На волоках полнопрофильные разрезы закладывали в 2021 и 2022 гг. Разрезы закладывали в колеях, межколейное пространство механически не было нарушено. Для исследования динамики водорастворимых форм углерода и азота в течение двух лет после рубки ежемесячно с мая по октябрь – 6 отборов ежегодно (в 2021 г. с июня по сентябрь – 5 отборов) отбирали образцы из подстилок и верхних минеральных горизонтов почв пасечного участка (EL) и волоков (TUR_cwd). Место отбора проб для учета сезонной динамики С_вс и N_вс на технологических элементах вырубки определяли случайным образом.

 

Рис. 2. Профили исследованных почв. ИЛ – исходный лес, П – пасека (слева, внизу), 3П – разрез на волоке с тремя проходами, 10П – разрез на волоке с десятью проходами, 10Р – разрез на волоке с десятью проходами и последующим выравниванием

 

Более подробно данные об участке исследования и эксперименте по влиянию количества проходов на свойства почв были представлены в работе [8].

Химический анализ почв проводили в аккредитованной экоаналитической лаборатории и отделе почвоведения ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН. Общее содержание углерода (С_общ) и азота (N_общ) в образцах опорных разрезов определяли на анализаторе EA-1100 (Carlo Erba). Для определения содержания общего углерода и азота была отобрана смешанная проба из каждого генетического горизонта в разрезе. Содержание водорастворимых фракций углерода (C_вс) и азота (N_вс) с учетом сезонной динамики (n = 5–6) определяли на анализаторе TOC-VCPN (Япония, Shimadzu) c модулем TNM-1. Результаты представлены при уровне значимости P = 0.95. Экстракцию водорастворимых веществ проводили деионизированной водой (ELGA Lab Water, Англия) при комнатной температуре при соотношении 1 : 50 (почва : вода) для минеральных горизонтов и 1 : 100 для органогенных горизонтов в пробирках BIOFIL. Суспензии встряхивали в течение часа на шейкере Heidolph Multi Reax (ускорении 6Х, 4600 об/мин) при комнатной температуре. Фильтрование проводили непосредственно после встряхивания на установках Millipore с использованием кварцевых фильтров (MN, Германия, с размером пор 0.4 мкм). Данные пересчитывали на воздушно-сухую навеску анализируемой пробы.

В программе Statistica 10.0 были построены графики блока для сравнения различий между участками исследования и медианных значений, разброса значений. Диаграммы распределения были построены в Microsoft Excel 2010.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Физико-химические свойства почв. Исследования влияния рубки на физико-химические свойства почв описаны ранее в работе [8]. Некоторые физико-химические параметры представлены в табл. 1. Показано, что почва пасечного участка в первый год после рубки характеризовалась среднекислыми значениями 4.2–5.5 рН_H2O. Спустя два года после рубки в 2022 г. показатель рН_H2O по профилю почвы пасечного участка варьировал от 4.4 до 5.7. Химические свойства почв волоков через два года после рубки имеют ряд отличий, как от фоновых, так и от показателей спустя год после рубки. В почве волока с тремя проходами рН_H2O варьировал в 2021 г. от 4.4 до 5.8, в 2022 г. – 4.7–5.4. В почве 10П наблюдается некоторое подкисление верхнего турбированного горизонта до 4.7 в 2021 г. и 4.8 спустя два года после рубки по сравнению с почвой Р-10Р, поскольку органогенный горизонт не был полностью уничтожен, а перемешан с верхним минеральным. Для почвы 10Р рН_H2O варьировал от 5.0–5.2, что характерно для срединных минеральных горизонтов.

 

Таблица 1. Содержание углерода (С_общ) и азота (N_общ) в почвах исходного леса и пасечного участка

Разрез	Год	Горизонт	Глубина, см	Собщ	Nобщ	C / N
				%
ИЛ	2020	O(L)	0–1	42.90 ± 1.50	1.73 ± 0.19	29
		O(F)	1–4	44.50 ± 1.60	1.72 ± 0.19	30
		O(H)	4–5	34.40 ± 1.20	1.10 ± 0.12	36
		EL1	5–20	0.45 ± 0.10	0.04 ± 0.01	14
		EL2	20–45	0.16 ± 0.04	0.02 ± 0.01	9
		BEL	45–65	0.21 ± 0.05	0.02 ± 0.01	11
Пасека	2021	O(L)	0–1	44.80 ± 1.60	1.90 ± 0.21	28
		O(F)	1–4	44.40 ± 1.60	1.60 ± 0.18	32
		O(H)	4–5	40.00 ± 1.40	1.22 ± 0.13	38
		EL1	5–20	0.31 ± 0.07	0.02 ± 0.01	14
		EL2	20–45	0.54 ± 0.12	0.03 ± 0.01	19
		BEL	45–65	0.11 ± 0.03	0.02 ± 0.01	7
	2022	O(L)	0–1	14.90 ± 1.50	0.60 ± 0.12	29
		O(F)	1–4	33.40 ± 1.20	1.14 ± 0.13	34
		O(H)	4–5	39.40 ± 1.40	1.11 ± 0.12	41
		EL1	5–20	0.93 ± 0.21	0.05 ± 0.01	23
		EL2	20–45	0.46 ± 0.11	0.04 ± 0.01	14
		BEL	45–65	0.12 ± 0.03	0.02 ± 0.01	9

Примечание. ИЛ – исходный лес, ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при P = 0.95. Прочерк – данные отсутствуют.

 

Анализ гранулометрического состава позволил выявить некоторое увеличение содержания физической глины (<0.01) в минеральных горизонтах почв волоков по сравнению с почвой до вырубки. Распределение фракции физической глины носит равномерно-элювиальное распределение с увеличением в нижних минеральных горизонтах. Кроме этого, выявлено увеличение илистой фракции (<0.001 мм) в срединных и нижних минеральных горизонтах почв волоков в 1.2–5.0 раз. Содержание илистой фракции в почве 3П варьирует от 13 до 44%, в почве 10П – от 19 до 46%. Максимальное содержание и увеличение илистой фракции по сравнению с фоновой почвой выявлено для участка 10Р – от 27 до 60%. Вероятно, колесная техника путем продавливания и перемешивания способствует миграции илистых частиц вниз по профилю почв. Таким образом, почвы волоков характеризуются более тяжелым гранулометрическим составом (супесь–глина легкая) по сравнению с исходной почвой (супесь–средний суглинок).

Содержание общего углерода и азота. Содержание углерода и азота в исходной подзолистой почве характеризуется регрессивно-аккумулятивным распределением элементов по профилю с максимальными концентрациями в подстилках и их уменьшением в минеральных горизонтах. Это типично для данного типа почв, формирующихся в хвойно-лиственном насаждении, что согласуется с литературными данными [58, 33].

Содержание углерода исходной почвы до рубки леса (ИЛ) в подстилке варьировало от 34.4 до 45.4%, в минеральных горизонтах 0.16–0.45% (табл. 2). Содержание азота составляло 1.10–1.73 и 0.021–0.037% соответственно. По содержанию углерода в подстилке и минеральных горизонтах почвы пасечного участка через год после рубки выявлены близкие показатели по сравнению с почвой исходного леса. В первый год после рубки содержание углерода в органогенном горизонте почвы пасечного участка составляло от 40.0 до 44.8%. Содержание азота варьировало 1.22–1.90%. Несколько более высокие показатели содержания углерода в верхнем подгоризонте подстилки, вероятно, обусловлены поступлением порубочных остатков, хвои, листьев [6]. В минеральных горизонтах содержание С_общ и N_общ характеризуется уменьшением (0.110–0.54% углерода, 0.019–0.033% азота). Спустя два года после рубки содержание углерода в подстилке варьировало от 14.9 до 39.4%. В минеральных горизонтах содержание С_общ составляло от 0.12 до 0.93%, N_общ – 0.016–0.048%. Уменьшение С_общ в верхнем подгоризонте подстилки на второй год после рубки, вероятно, обусловлено возрастанием в составе напочвенного покрова светолюбивого травянистого вида Avenella flexuosa (луговик извилистый). В работе [17] показано, что подстилки с высоким содержанием травянистых растений отличаются от типичных лесных пониженными концентрациями углерода, это свидетельствует о различных соотношениях исходных органических веществ в опаде – более высокой доле лигнина в лесных и целлюлозы в травяных подстилках [17]. Выявлено, что содержание углерода в верхнем минеральном горизонте EL спустя два года после рубки практически в два раза возрастает (до 0.93 ± 0.21%) по сравнению с исходными значениями (до 0.45 ± 0.10%). Вероятно, это связано с большей пропиткой органическим веществом горизонтов при разложении порубочных растительных остатков на второй год после рубки. По содержанию азота значительных изменений не выявлено.

 

Таблица 2. Содержание углерода (С_общ) и азота (N_общ) в почвах волоков

Разрез	Год	Горизонт	Глубина, см	Cобщ	Nобщ	C / N
				%
3П	2021	O(L)	0–2	47.00 ± 1.60	1.24 ± 0.14	44
		O(F+H)	2–5	42.50 ± 1.50	1.25 ± 0.14	40
		EL1	5–15	0.65 ± 0.15	0.05 ± 0.01	15
		EL2	15–25	0.15 ± 0.03	0.02 ± 0.01	10
		BEL	25–35	0.14 ± 0.03	0.02 ± 0.01	9
		BT	35–50	0.16 ± 0.04	0.02 ± 0.01	8
	2022	O(L)	0–2	35.90 ± 1.30	1.23 ± 0.14	34
		O(F+H)	2–5	39.30 ± 1.40	1.33 ± 0.15	34
		EL1	5–15	0.83 ± 0.19	0.04 ± 0.01	25
		EL2	15–25	0.38 ± 0.09	0.03 ± 0.01	15
		BEL	25–35	0.17 ± 0.04	0.02 ± 0.01	9
		BT	35–50	0.26 ± 0.06	0.03 ± 0.01	9
10П	2021	TURcwd	0–15	2.20 ± 0.30	0.11 ± 0.02	23
		EL	15–20	0.27 ± 0.06	0.03 ± 0.01	12
		BEL	20–30	0.18 ± 0.04	0.03 ± 0.01	8
		BT	30–50	0.15 ± 0.03	0.03 ± 0.01	7
	2022	TURcwd	0–15	6.30 ± 0.60	0.24 ± 0.05	31
		EL	15–20	0.53 ± 0.12	0.04 ± 0.01	15
		BEL	20–30	0.27 ± 0.06	0.03 ± 0.01	11
		BT	30–50	0.17 ± 0.04	0.03 ± 0.01	7
10Р	2021	TURcwd	0–10	0.32 ± 0.07	0.03 ± 0.01	12
		BEL	10–20	0.25 ± 0.06	0.04 ± 0.01	8
		BT	20–50	0.17 ± 0.04	0.04 ± 0.01	6
	2022	TURcwd	0–10	2.00 ± 0.30	0.11 ± 0.02	21
		BEL	10–20	0.48 ± 0.11	0.05 ± 0.01	12
		BT	20–50	0.36 ± 0.08	0.05 ± 0.01	9

Примечание. 3П – разрез на волоке с тремя проходами, 10П – разрез на волоке с десятью проходами, 10Р – разрез на волоке с десятью проходами и последующим выравниванием. ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при P = 0.95. Прочерк – данные отсутствуют.

 

Содержание углерода и азота в почвах волоков (табл. 3) также характеризуется изменениями, проявляющимися в их увеличении в верхних минеральных горизонтах. В почве с тремя проходами (3П) содержание углерода и азота было максимально близко к исходным значениям. Вероятно, это обусловлено меньшей техногенной нагрузкой на данном участке. Спустя год после рубки в почве 3П содержание углерода в подстилке составляло 42.5–47.0% углерода и 1.24–1.25% азота, в минеральных горизонтах содержание углерода варьировало от 0.14 до 0.65%, азота – 0.017–0.049%, что соответствует значениям почвы ИЛ. Два года спустя после рубки наблюдаются аналогичные с исходными закономерности распределения в профиле почвы с уменьшением содержания углерода в подстилке (35.9–39.3%) и увеличением в верхних минеральных горизонтах (0.17–0.83%).

 

Таблица 3. Некоторые физико-химические параметры исследованных почв

Разрез	Год	Горизонт	Глубина, см	рНH2O	Содержание частиц, %
					<0.01	<0.001
ИЛ	2020	O(L)	0–1	5.3 ± 0.1	–	–
		O(F)	1–4	4.5 ± 0.1	–	–
		O(H)	4–5	4.3 ± 0.1	–	–
		EL1	5–20	5.0 ± 0.1	19	9
		EL2	20–45	5.7 ± 0.1	28	9
		BEL	45–65	5.8 ± 0.1	20	8
Пасека	2021	O(L)	0–1	5.4 ± 0.1	–	–
		O(F)	1–4	4.6 ± 0.1	–	–
		O(H)	4–5	4.2 ± 0.1	–	–
		EL1	5–20	4.6 ± 0.1	8	3
		EL2	20–45	5.0 ± 0.1	8	4
		BEL	45–65	5.5 ± 0.1	35	12
3П		O(L)	0–2	5.1 ± 0.1	–	–
		O(F+H)	2–5	4.4 ± 0.1	–	–
		EL1	5–15	4.7 ± 0.1	13	5
		EL2	15–25	5.4 ± 0.1	25	5
		BEL	25–35	5.7 ± 0.1	33	15
		BT	35–50	5.8 ± 0.1	44	27
10П		TURcwd	0–15	4.7 ± 0.1	22	9
		EL	15–20	5.3 ± 0.1	19	7
		BEL	20–30	5.7 ± 0.1	44	23
		BT	30–50	5.9 ± 0.1	46	28
10Р		TURcwd	0–10	5.1 ± 0.1	27	5
		BEL	10–20	5.5 ± 0.1	60	41
		BT	20–50	5.7 ± 0.1	58	40

Примечание. ИЛ – исходный лес, ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при P = 0.95. Прочерк – данные отсутствуют.

 

Основные отличия наблюдаются в почвах на волоках с десятью проходами колесной лесозаготовительной техники. Содержание углерода в турбированных горизонтах TUR _cwd почв 10П и 10Р спустя год после рубки составляло от 0.32 до 2.2%, азота 0.031–0.112%, что обусловлено перемешиванием подстилок с верхними минеральными горизонтами. В почве 10П содержание С_общ в горизонте TUR_cwd возросло до 6.3 ± 0.6%. В нижних минеральных горизонтах значения практически не изменились. В почве участка с рекультивацией содержание углерода в верхнем минеральном горизонте составило 2.0 ± 0.3%. Увеличение содержания углерода выявлено и в нижних минеральных горизонтах (0.36–0.48%). Схожие закономерности установлены по содержанию азота в почвах волоков с десятью проходами колесной техники.

Наиболее наглядно изменение содержания углерода и азота можно представить при анализе медианных значений в верхнем минеральном горизонте EL (TUR_cwd) (рис. 3а, 3с), который претерпел наибольшие изменения после механического воздействия колесной техники (турбирование, перемешивание). Показатель медианы содержания углерода С_общ можно представить в ряду 0.45% (ИЛ) – 0.55% (П) – 0.72% (3П) – 1.05% (10Р) – 4.1% (10П). Медианы по содержанию азота имеют схожие закономерности: 0.037% (ИЛ) – 0.035% (П) – 0.044% (3П) – 0.065% (10Р) – 0.162% (10П).

 

Рис. 3. Содержание углерода С_общ (а) и С_вс (b), азота N_общ (с) и N_вс (d) в верхних минеральных горизонтах EL и TUR_cwd за 2021–2022 гг. ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при P = 0.95. Обозначения почв см. рис. 2

 

Выявлено значительное увеличение углерода в верхних турбированных горизонтах TUR_cwd на второй год после рубки в 3–6 раз по сравнению с 2021 г. и в 4–14 раз в сравнении с исходными значениями в верхнем минеральном горизонте EL до рубки. Содержание азота в верхнем минеральном горизонте почв волоков с десятью проходами в целом возрастало в 2–4 раза по сравнению с прошлым годом. Таким образом, можно предположить, что пул погребенного органического вещества может стать важным источником углерода, который, вероятно, будет долгое время сохраняться в почвах волоков. Как отмечено в работе [5], в механически нарушенных почвах участков лесосек накапливается большое количество углерода медленно разлагающегося органического вещества крупных древесных остатков, которое со временем обогащает биофильными элементами верхние и нижележащие горизонты почв.

Водорастворимые формы углерода и азота. Важной составляющей органического вещества является его водорастворимая фракция, которая формируется из фильтратов подстилки, корневых выделений и продуктов жизнедеятельности почвенных животных [32, 41, 50]. Содержание С_вс в исследованных почвах в значительной степени повторяет распределение С_общ и имеет также регрессивно-аккумулятивное распределение по профилю почв, которое характеризуется значительным сокращением содержания углерода С_вс в минеральных горизонтах по сравнению с подстилками. В литературе отмечают сильную взаимосвязь между содержанием водорастворимого углерода и почвенного органического углерода, не в краткосрочном моменте времени [73], а в долгосрочной перспективе [38].

Изменение водорастворимого углерода и азота в почве пасечного участка. Почва исходного участка до рубки характеризуется содержанием углерода С_вс от 1.68 до 21.71 мг/г в подстилках и 0.02–0.15 мг/г минеральных горизонтах. Проведение исследований по оценке сезонной динамики ВОВ позволило выявить увеличение содержания С_вс в подстилке в осенние месяцы (рис. 4). Максимальные концентрации С_вс отмечены для подгоризонтов свежего опада O(L), они варьировали в течение мониторингового периода 8.84→14.46→21.71→10.73 мг/г, что, вероятно, связано с насыщением подстилки органическими соединениями, поступающими со свежей хвоей и листьями в течение вегетационного периода. Выявлена динамика увеличения содержания водорастворимого углерода со временем в средне- и хорошо разложившихся подгоризонтах подстилки. Особенно отчетливо это проявляется в гумусированном подгоризонте O(H). Содержание С_вс увеличивалось от 1.68 в июле до 10.62 мг/г в октябре, что обусловлено гумификацией органического материала и пропиткой подгоризонта дождевыми водами в осенний период, насыщенными органическими веществами. Минеральные горизонты характеризуются значительно меньшим содержанием водорастворимых веществ. В верхнем элювиальном горизонте содержание водорастворимого углерода аналогично подстилочным горизонтам увеличивается в период с июля по сентябрь и уменьшается в октябре. Вероятно, это обусловлено началом сезона дождей и вымыванием из органогенных горизонтов органических соединений в верхние минеральные. В литературе отмечено, что концентрация ВОВ в почве контролируется несколькими факторами, в том числе климатическими условиями [36, 51]. Осадки могут привести к выделению в почвенный раствор более высоких концентрации ВОВ [46].

 

Рис. 4. Сезонная динамика С_вс и N_вс в исследованных почвах исходного (2020 г.) и пасечного участка (2021–2022 гг.) в органогенных (a) и минеральных (b) горизонтах. ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при P = 0.95

 

В целом результаты сопоставимы с данными полученными ранее для схожей почвы ельника зеленомошного, развивающегося на суглинистых почвообразующих породах в условиях хорошо дренированных ландшафтов не территории Республики Коми [5, 34]. Анализ литературы показал, что полученные данные близки к среднемировым значениям концентрации С_вс в почвенном профиле мощностью 0–30 см 0.077 мг/г (0.073–0.081) [26, 27, 58, 40].

Проведенный мониторинг в полевой период в 2021 г. позволил выявить изменения в содержании водорастворимых органических веществ в исследованных почвах уже в первый год после зимней рубки. Содержание углерода водорастворимых соединений С_вс в подстилках почвы пасечного участка составляло от 3.3 до 9.1 мг/г, что ниже, чем до рубки. В минеральных горизонтах содержание С_вс варьировало от 0.04 до 0.29 мг/г, что в целом выше, чем исходные значения до рубки. Распределение ВОВ по профилям почв осталось аналогичным фоновому – регрессивно-аккумулятивное. Установлена тенденция увеличения содержания углерода ВОВ в минеральных горизонтах к осенним месяцам. Максимальное содержание С_вс выявлено в октябре – 0.29 мг/г в горизонте EL, что, вероятно, связано с началом осеннего периода, увеличением количества осадков и повышением миграционной способности органических веществ. Кроме этого, уже в первый год после рубки, наблюдается изменение содержания С_вс в минеральных горизонтах. В июле и августе содержание углерода в верхнем элювиальном горизонте ниже, чем в горизонте BEL. До рубки этого не наблюдалось.

На второй год после рубки выявлено значительное возрастание содержания водорастворимого углерода, как в органогенном, так и в минеральных горизонтах почвы пасечного участка по сравнению с предыдущими периодами. Особенно это касается верхних минеральных горизонтов, в которых наблюдалась потечность органических веществ из подстилочных горизонтов, обусловленная вымыванием не связанных с минеральными веществами водорастворимых органических веществ, которые пропитывают верхние минеральные горизонты почв. Содержание углерода С_вс в элювиальном горизонте варьирует в течение вегетационного сезона от 0.21 до 0.46 мг/г, что в среднем в три раза выше фоновых показателей. В нижележащем минеральном горизонте BEL содержание С_вс превышало значения до рубки в четыре раза и составляло от 0.15 до 0.23 мг/г.

Содержание водорастворимого азота значительно меньше, чем углерода, но характеризуется теми же закономерностями (рис. 4). Для почвы фонового участка в 2020 г. содержание в подстилке варьировало от 0.07 до 0.37 мг/г. В 2021 г. содержание N_вс в органогенном горизонте почвы пасеки значительно возрастает от 0.32 до 0.46 мг/г. Спустя два года увеличение содержания водорастворимого азота продолжается и составляет 0.23–2.12 мг/г. Закономерности высокого содержания N_вс в почве пасечного участка после рубки выявлены и для минеральных горизонтов. В верхнем минеральном горизонте EL содержание водорастворимого азота в фоновой почве варьировало от 0.002 до 0.011 мг/г, для BEL характерно очень низкое содержание N_вс в течение сезона 0.002 ± 0.0004 мг/г.

Полученные результаты схожи с данными [60], в которых было обнаружено увеличение содержания азота в органогенных горизонтах в 1.4 раза после сплошных рубок. Такое увеличение авторы связывают с нарушением почвенного покрова, увеличением притока воды, накоплением в почве разлагающихся древесных остатков, либо с увеличением микробной активности [28]. Вероятно, показатель содержания N_вс в подстилках почв можно будет считать условным диагностическим признаком влияния рубок на почвенное органическое вещество.

Изменение водорастворимых форм углерода и азота в почвах волоков. В почве волока с тремя проходами (3П) сохранился, но был преобразован органогенный горизонт. Содержание С_вс в нем в первый год после рубки составляло 2.8–8.3 мг/г, что сопоставимо с результатами исходной почвы до рубки и пасечного участка. Однако наблюдается уменьшение содержания С_вс в подстилке во временном интервале с июля по сентябрь. Вероятно, даже при минимальном продавливании происходит изменение распределения органических веществ по профилю почв. Спустя два года после рубки выявлено увеличение содержания углерода С_вс от 8.3 до 21.7 мг/г в подгоризонте O(L) и от 2.8 до 4.2 мг/г в подгоризонте O(F+H). Характер сезонной динамики водорастворимого углерода в органогенном горизонте показывает максимальное накопление в июле 2022 г., спустя два года после рубки (22.2 мг/г) (рис. 5). В остальные месяцы получены схожие результаты (4.7–11.8 мг/г), но наблюдается тенденция к увеличению содержания С_вс в подстилках после рубки. Содержание С_вс в верхнем минеральном горизонте (EL) почве 3П наоборот увеличивалось от июля к сентябрю (0.10→0.16→0.27 мг/г), хоть показатели близки к значениям фонового и пасечного участков. На второй год после рубки выявлено общее увеличение содержания углерода водорастворимых соединений в элювиальном горизонте почвы (0.22–0.34 мг/г) по сравнению с первым годом после рубки (рис. 5).

 

Рис. 5. Сезонная динамика С_вс и N_вс в верхних минеральных горизонтах почв волоков (2021–2022 гг). ±Δ – границы интервала абсолютной погрешности при P = 0.95. Обозначения почв см. рис. 2

 

Содержание N_вс в почве 3П в первый год после рубки характеризуется увеличением в органогенном горизонте с течением времени с июля до сентября 0.248→0.312→0.371 мг/г, что выше показателей почвы ИЛ и близко к содержанию в почве пасечного участка. Особенно это выражено в осенние месяцы при увеличении влажности. На второй год содержание азота N_вс в органогенном горизонте 3П варьировало от 0.260 до 0.510 мг/г, что выше, чем на исходном участке и спустя год после рубки. В верхнем минеральном горизонте содержание азота водорастворимых соединений составляло в первый год после рубки от 0.003 мг/г в июле до 0.010 мг/г в сентябре 2021 г. Тенденция увеличения от летних месяцев к осенним сохраняется и для N_вс. Спустя два года после рубки содержание N_вс в элювиальном горизонте почвы 3П наоборот уменьшается от весенних к осенним месяцам с мая по октябрь от 0.009 до 0.005 мг/г. В целом содержание N_вс в минеральных горизонтах почвы ЗП спустя два года после рубки близко к показателям исходной почвы.

Показано значительное увеличение содержания углерода и азота водорастворимых веществ в верхних турбированных горизонтах почв волоков с десятью проходами (рис. 3 b, 3 d). Кроме этого, выявлено увеличение доли углерода C_вс от общего органического углерода в минеральных горизонтах почв волоков с десятью проходами 1–10% по сравнению с почвой волока с тремя проходами. Для почвы 10П в первый год после рубки С_вс постепенно увеличивалось от 0.22 в июле до 0.44 мг/г в сентябре. Спустя два года содержание углерода водорастворимых соединений в турбированном горизонте TUR _cwd значительно увеличилось и варьировало от 0.38 до 1.15 мг/г. Максимальные значения были установлены в июне 1.15 мг/г и августе 0.78 мг/г 2022 г. В почве 10Р содержание С_вс в первый год после рубки составляло 0.13–0.31 мг/г. На второй год после рубки содержание варьировало от 0.27 до 0.44 мг/г, что в целом выше, чем в первый год после рубки, но схоже с результатами для почв других технологических элементов вырубки.

В турбированном горизонте почвы волока с десятью проходами 10П содержание азота водорастворимых соединений варьировало в первый год после рубки от 0.006 до 0.031 мг/г (рис. 5). Сохранилась тенденция к увеличению содержания N_вс от летних месяцев к осенним. В почве 10Р содержание азота составило в первый год 0.003–0.011 мг/г. На второй год после рубки выявлено неравномерное содержание азота N_вс в верхнем турбированном горизонте почвы 10П по месяцам, которое варьировало от 0.010 до 0.037 мг/г. Максимальные концентрации N_вс выявлены в июне и августе 2022 г. Для почвы с рекультивацией 10Р показатель N_вс на второй год после рубки носит более равномерный характер по месяцам исследованного года. Содержание углерода C_вс спустя два года после рубки составляет 0.005–0.012 мг/г, что близко к показателю года после рубки (0.003–0.011 мг/г), но ниже, чем в почве 10П ввиду полного отсутствия органогенного горизонта, который во многом определяет состав и свойства органических веществ [53].

В результате проведенных исследований установлено, что после сплошных рубок происходит резкое уменьшение количества растительного опада, что приводит к снижению содержания водорастворимых веществ, это было отмечено в первый год после рубки, несмотря на дополнительное поступление порубочных остатков. Некоторые авторы отмечают снижение экспорта ВОВ с участков вырубки [35]. Увеличение содержания водорастворимых органических веществ в подстилке и минеральных горизонтах вероятно обусловлено началом разложения древесных остатков и заселением вырубки травянистыми растениями, что наблюдали на второй год после рубки. Увеличение содержания водорастворимых форм углерода и азота в верхних минеральных горизонтах почв волоков с разной техногенной нагрузкой обусловлено их перемешиванием с подстилкой, поступлением дополнительного органического вещества с порубочными остатками. В литературе отмечено, что возрастание содержания ВОВ длится 2–10 лет [52, 55] с постепенным снижением содержания через несколько лет после проведения сплошных рубок, что некоторые авторы связывают со стабилизацией почвенного органического вещества [31, 52, 60].

Существует большое количество работ направленных на выявление взаимосвязей концентрации водорастворимых соединений углерода и азота зависимости от климатических зон и типа растительности [11, 29, 39]. Многочисленные исследования были проведены по изучению содержания ВОВ в зависимости от температуры и влажности [29]. Доступность растворенного органического вещества в почве также зависит от его взаимодействия с минеральными компонентами [63]. Важными являются гранулометрический состав (содержание физической глины и илистой фракции), водоудерживающая способность, пористость и скорость инфильтрации, которые влияют на сорбционную силу в почве [62]. Показатель содержания гидроксидов алюминия и железа, которые являются одними из наиболее важных адсорбентов ВОВ [44]. Интересным и важным является факт, что ВОВ является субстратом для почвенных микроорганизмов, а также влияет на характеристики углерода микробной биомассы и микробного дыхания [40, 70, 71]. Поэтому особенности водорастворимого органического вещества и его воздействие на микробиологические характеристики требуют дальнейшего изучения [72].

Лабильная водорастворимая фракция углерода чувствительна к нарушениям почв даже больше, чем общий пул ПОВ [61]. Некоторые авторы отмечают положительный опыт использования ВОВ в качестве индикатора изменений окружающей среды в водных и морских науках и предлагают использовать его изменения и тренды в почвоведении [45]. В работе [69] показано свойство ВОВ чутко реагировать на изменения в землепользовании и управлении, такими как преобразование лесов в сельскохозяйственные системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследования влияния сплошной рубки на содержание углерода, азота и их водорастворимых форм установлено, что даже при минимальном воздействии колесной лесозаготовительнной техники происходит изменение распределения веществ в профиле почв. Выявлено значительное увеличение содержания С_общ и N_общ в верхних турбированных горизонтах исследованных почв. Аналогично возрастает содержание водорастворимых форм углерода и азота, превышающих исходные значения на всех технологических участках вырубки, что обусловлено дополнительным поступлением и разложением порубочных остатков на поверхность.

Значительное увеличение содержания ВОВ в профиле почв после сплошной рубки леса позволяет сделать вывод о важности данного показателя в рамках изучения изменений почвенного органического вещества под влиянием различных антропогенных и естественных факторов. Содержание С_вс и N_вс имеет ключевое значение, поскольку значительно отличается от исходных показателей. Продолжение научной работы в области изучения водорастворимых соединений углерода и азота и их изменений в результате естественных и антропогенных факторов является актуальным, а данная работа послужит основой для дальнейших исследований.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-74-10007, https://rscf.ru/project/23-74-10007/.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Об авторах

В. В. Старцев

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vik.startsev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6425-6502
Россия, Сыктывкар

Д. А. Севергина

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН

Email: vik.startsev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3464-2744
Россия, Сыктывкар

А. А. Дымов

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: vik.startsev@gmail.com
Россия, Сыктывкар; Москва

Список литературы

Дополнительные файлы