Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

THE IMPACT OF FIRES ON HUMUS FORMATION OF BUROZEMS IN ISLANDS OF THE SOUTH PART OF RUSSIAN FAR EAST

Latysheva L.A. 1
1 Pacific Institute of Geography FEB RAS
We studied the features of processes of humus formation burozems in the island territories of South Primorye, formed under vegetation of different stages post-fire successions: light oak forests with a well-developed grass-shrub, wormwood communities and young hornbeam forest, developed on the site of the burnt gmelinopolynnika. It is shown that the dynamic of the physicochemical properties, content and composition of humus of the burozems studied series is derived post-fire recovery of vegetation and is caused by various intensity display in their profile humus-accumulative and humus-illuvial processes. In all investigated burozems humus of the fulvate-humate type are formed. The distinctive feature of the group composition of humus burozems under light oak forests and thickets of Artemisia Gmelinii is the preservation of fulvate-humate composition of humus in the humus-illuvial horizons. The dynamics of separate fractions of humus in soil profiles control the depth of humus profile and visual manifestation of its colour. In composition of humus in burozems pirogenic increases significantly the levels of humus acids HA-2 and FA-2 with a maximum accumulation in the humus-illuvial horizon, that provide for strengthening of gray coloring of their BMhi horizon. The impact of fire on humus composition of burozems smoothed on forest recovery stage. Type of humus in BMhi horizon turns on humate-fulvate. Mobility of humus increases, as evidenced by the increase in the levels of humus acids of the aggression FA-1а along with HA-1 and HA-2 in humus composition, with a pronounced accumulation in the lower part of humus-illuvial horizon.
south part of Far East
island
burozem
post-fire successions
type of humus formation
1. Yrusov V.M., Chipizubova M.N., Mayorov I.S. Plant cover dynamics of the Far East. Vladivostok: Far Eastern Federal University, 2013. 126 p. (in Russian).
2. Pshenichnikov B.F., Pshenichnikova N.F. Specifi city of burozem formation on the Peter the Great Bay islands (south of the Russian Far East) // Vestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences. 2013. № 5. P. 87–96 (in Russian).
3. Shilov L.L. Classification and diagnostic system of Russian soils. Smolensk: Oikumena, 2004. 342 p. (in Russian).
4. Vorobyova L.A.,Ladonin D.V., Lopukhina O.V., Rudakova T.A., Kiryushin A.V. Chemical analysis of soil. Questions and answers: ucheb. posobie. M., 2012. 186 p. (in Russian).
5. Sapozhnikov A.P., Karpachevskii L.O., Ilina L.S. Postpyrogenic soil formation in Siberian pine-broad-leaved forests // Forestry Bulletin. 2001. № 1. P. 132–164 (in Russian).
6. Pshenichnikov B.F., Pshenichnikova N.F., Latysheva L.A. Anthropogenous Dynamics of Burozem Morphological Structure and Properties for Forest Growing in the Russian Island // Bulletin of KrasGAU, 2010. № 12. P. 24–28 (in Russian).
7. Latysheva L.A. The role of clay fraction organic matter in the dynamics of the qualitative composition of humus burozems of Reineke Island // Vestnik TGU. Biologiya. 2015. № 3 (31). P. 17–26 (in Russian).
8. Dmitriev T.A. Mathematical statistics in soil sience. M.: Book house «Librokom», 2009. 327 p. (in Russian).
9. Krasnoshchekov Y.N., Cherednikova Y.S. Postpirogenic transformation of soils under Pinus sibirica forests in the southern Lake Baikal basin // Eurasian Soil Science. 2012. T. 45. № 10. P. 929–938. DOI: 10.1134/S1064229312100055.
10. Tsybart A.S., Gennadiev A.N. Trend of forest soils transformation under the influence of pyrogenic factor in the Amur River region // Vestnik Moskovskogo Universiteta. Seria 5. Geografia. 2009. № 3. P. 66–74 (in Russian).
11. Targulian V.O., Goryachkin S.V. Soil memory: Soil as memory of Biosphere-Geosphere-Anthroposphere-Interactions. M.: Izd. LKI, 2008. 692 p. (in Russian).

В настоящее время исследование постпирогенных изменений почвенно-растительного покрова представляет значительный интерес для решения генетических и эволюционных проблем почвоведения. В прибрежно-островной зоне юга Приморья пожары являются одним из основных факторов, определяющих своеобразие и функционирование островных экосистем и эволюцию их почвенного покрова. Пожары могут оказывать как прямое воздействие на почву (через пиролиз), приводя к уничтожению подстилки, а иногда и к частичному прогоранию гумусового горизонта, так и косвенное за счет смены одних растительных сообществ другими. В процессе постпирогенных сукцессий происходят существенные изменения состава растительных сообществ, наблюдается изреживание древостоя, изменяется его продуктивность и, как следствие этого, изменяются морфологические и физико-химические показатели распространенных здесь почв. При этом в наибольшей степени трансформации подвержено органическое вещество почв, его количественное содержание, качественный состав и профильное распределение.

Анализ имеющихся литературных данных показал, что, несмотря на огромное число публикаций, посвященных оценке влияния пирогенного фактора на различные экосистемы, работы, характеризующие пирогенную трансформацию почв прибрежно-островной зоны юга Дальнего Востока, практически отсутствуют.

Цель настоящего исследования на примере островов залива Петра Великого выявить влияние пирогенного фактора на специфику процессов гумусообразования и гумусонакопления в представленных здесь буроземах.

Материалы и методы исследования

Исследования проводили на двух наиболее крупных материковых островах залива Петра Великого: о. Русский (97,6 км2) и о. Рейнеке (4,63 км2).

Современный лесной фонд островов представлен производными преимущественно дубовыми, дубово-липовыми лесами с участием граба, клена, берез, ясеня. К настоящему времени сохранность лесов на о. Русский доходит до 50 %. На о. Рейнеке растительность представлена преимущественно злаково-разнотравными, травяно-кустарниковыми и древесно-кустарниковыми сообществами с проективным покрытием травостоя 70–90 %. Производные широколиственные леса имеют ограниченное распространение – до 11 % [1]. Для островных территорий характерна специфика биоклиматических условий и геохимического воздействия моря, что предопределяет своеобразие процессов островного почвообразования и, как следствие, своеобразие морфологического строения и свойств почв [2]. На исследуемых островах преобладают зональные для данного региона почвы – буроземы. Они представлены преимущественно буроземами типичными и буроземами темными [3]. Среди типа буроземы темные наиболее широко распространены: буроземы темные типичные и буроземы темные иллювиально-гумусовые. На островах повсюду отмечаются следы пирогенного воздействия на почвенно-растительный покров. Там, где воздействие пирогенного фактора было наиболее сильным – формируются пирогенезированные подтипы буроземов. География перечисленных подтипов буроземов островных территорий тесно связана с характером растительности и интенсивностью геохимического воздействия моря на почвенный покров. Геохимическое воздействие моря уменьшается по мере удаления от побережья и усиливается на открытых участках или на участках с незначительной сомкнутостью древостоя.

Для выявления влияния пирогенного фактора на процессы гумусообразования изучили содержание и состав гумуса буроземов под растительностью в ряду: изреженные дубовые леса с хорошо развитым травяно-кустарниковым ярусом, разнотравно-кустарниковыми группировки и молодой грабовый лес, сформировавшийся на месте сгоревшего гмелинополынника.

Содержание гумуса определяли общепринятым методом, групповой и фракционный состав гумуса по схеме Тюрина, в модификации Понамаревой и Плотниковой [4]. Статистическая обработка полученных данных проводилась с использованием программ Microsoft Excel.

Результаты исследования и их обсуждение

Наиболее сильное воздействие на почву, как считает Сапожников [5], оказывает не сам огонь, а послепожарные сукцессионные изменения в растительном покрове, которые способны или изменить направление почвообразования, или лишь усилить те процессы, которые протекали в почве.

На островах наблюдается трансформация дубово-широколиственных лесов под влиянием пожаров в изреженные дубняки, травяно-кустарниковые и травянистые растительные сообщества, на фоне усиливающегося влияния переноса солей на процессы почвообразования в буроземах активизируются процессы аккумуляции, а в ряде мест и миграции гумусовых веществ (иллювиально-гумусовый процесс). Это предопределяет эволюцию буроземов типичных в буроземы темные, а последних в буроземы темные иллювиально-гумусовые с различной степенью выраженности иллювиально-гумусового процесса почвообразования в их профиле [6]. Направленность и интенсивность послепожарного почвообразования в островных буроземах зависят от стадии распада древостоя и замены его вторичными сукцессиями растительности и от пространственной динамики геохимического воздействия моря.

На участках острова под пирогенными сукцессиями изреженных дубовых лесов с хорошо развитым травяно-кустарниковым ярусом формируются буроземы с большой мощностью гумусового горизонта, наличием темных гумусовых затеков в нижней части горизонта AU и BMhi, темно-серой окраской и наличием кутан на структурных отдельностях в горизонте BMhi, что свидетельствует об иллювиальной природе его формирования.

Разрез 23-02. Заложен в северо-восточной части острова, в 750 м восточнее пос. Аякс о. Русский. Склон северо-восточной экспозиции, крутизной 10. Абсолютная высота – 40 м над уровнем моря. Растительность – изреженный широколиственный лес из дуба монгольского и липы амурской с примесью березы даурской и клена мелколистного. Формула древостоя – 4Дм4Ла1Бд1Км+Бм, Гс. Сомкнутость древостоя – 0,4; средний диаметр – 33–37 см; высота древостоя – 10–12 м. Кустарниковый ярус хорошо развит, густой: преобладает калина Саржента с примесью лещины разнолистной, единично встречаются чубушник, акатник, бересклет. В травяном покрове – осоково-папоротниковое разнотравье. Буроземы под дубовыми лесами имеют следующий набор генетических горизонтов: O (0–5 см)–AU (5–16 см)–AUВMhi (16–25(27) см)–ВMhi (25(27)–53 см)–ВС (53–60 см).

Следы пирогенного воздействия средней интенсивности диагностируются по присутствию частичек древесного угля в подстилке. Согласно классификации почв России [3] исследуемые буроземы соответствуют типу буроземов темных. На подтиповом уровне их можно выделить как буроземы темные иллювиально-гумусовые [6].

При более сильных низовых пожарах происходит замена лесной растительности на разнотравно-кустарниковые растительные группировки, часто гари зарастают полынью Гмелина. Подобные почвы были нами описаны в западной части о. Русский. Подстилка прогоревшая, фрагментарная, отмечается обильное присутствие частиц угля и обгоревших растительных остатков как в верхней части почвенного профиля, так и в иллювиальной. Наличие темных гумусовых затеков по всему почвенному профилю и характерной темно-серой окраски иллювиального горизонта этих буроземов позволило диагностировать их как буроземы темные иллювиально-гумусовые пирогенезированные.

Разрез 26-02. Заложен на западном побережье острова в 600 м юго-восточнее мыса Таран, в 750 м севернее побережья бухты Круглая о. Русский. Абсолютная высота – 75 м над уровнем моря. Склон северо-западной экспозиции, крутизной 5 °. Растительность – заросли полыни Гмелина, высотой 1,2–1,5 м; редко злаки, осока. Проективное покрытие – 90 %.

O pir (0–0,5 см)–AU pir (0,5–18(24) см)–ВMhi pir (18(24) –36 см)–ВM (36–64 см)–ВMС (64–70 см).

Лесовозобновление на отдельных участках гмелинополынников сопровождается определенными изменениями морфологического строения буроземов. Визуально это проявляется в более глубокой окраске их профиля и более морфологически выраженных признаках иллювиирования гумуса на границах горизонтов [7]. Такие буроземы были описаны нами на острове Рейнеке под молодым грабовым лесом (45 лет), сформировавшимся на месте сгоревшего гмелинополынника.

Разрез 23-03. Верхняя часть северного склона самой высокой сопки на о. Рейнеке, крутизной 17 °. Растительность: грабовый лес (40–45 лет), сформировавшийся на месте сгоревшего гмелинополынника. Формула древостоя: 7Гр1Дм1Кл1Яб. Сомкнутость крон 0,8–0,9; средний диаметр древостоя 8–10 см; высота 10 м. Подлесок очень редкий, травостой развит слабо. Проективное покрытие менее 5 %.

Почвенный профиль этих буроземов включает следующие горизонты: O (0–4 см)–АU (4–14 см)–ВMhi (14–43 см)–ВMhi (43–82 см)–ВС (82–90 см).

В буроземах под грабовым лесом, по сравнению с буроземами дубняков и гмелинополынников, глубина иллювиальной толщи возрастает до 82 см с сохранением темно-серой и темно-серой с буроватым оттенком окраски структурных отдельностей [7].

Профильная дифференциация содержания гумуса и его качественного состава отражает различную степень проявления аккумулятивно-гумусового и иллювиально-гумусового процессов почвообразования в буроземах разных стадий послепожарного восстановления растительности.

В буроземах, сформированных под зарослями полыни Гмелина и испытавших наиболее сильное воздействие огня (следы пирогенного воздействия отмечаются и на глубине 25 см), наблюдается пирогенное уменьшение содержания гумуса (7,6–0,77 %). В буроземах на участках под изреженным дубняком и под грабовым лесом содержание гумуса повышается до 14,92–17 %. Развитие в профиле этих почв иллювиально-гумусового процесса проявляется в повышенном содержании гумуса в BMhi горизонте (2,64–4,08 %).

В групповом составе гумуса всех исследуемых буроземов преобладают гуминовые кислоты; гумусообразование идет по фульватно-гуматному типу, отношение Сгк/Сфк колеблется от 1,60 до 1,16. Наиболее существенные различия в составе гумуса исследуемых буроземов прослеживаются в процессах гумусообразования в иллювиальной части их почвенного профиля. Отличительной особенностью качественного состава гумуса буроземов дубовых лесов и гмелинополынников является сохранение фульватно-гуматного типа гумусообразования и в иллювиально-гумусовом горизонте (1,09–1,21), тогда как в буроземах под грабовым лесом он сменяется на гуматно-фульватный. Проведенная статистическая обработка полученных результатов показала, что коэффициент вариации (табл. 1) по содержанию в островных буроземах гумуса и гумусовых кислот не превышает 10 %, что свидетельствует о незначительной степени рассеивания данных и отражает устойчивость протекающих в этих почвах процессов [8].

Таблица 1

Статистические показатели содержания гумуса и гумусовых кислот в островных буроземах

Горизонт

Гумус

Гуминовые кислоты

Фульвокислоты

о. Русский. Бурозем темный иллювиально-гумусовый пирогенезированный

M*

n

V

S

M

V

S

M

V

S

AU pir

7,6

8

1,686

0,1281

1,57

2,18

0,0343

1,47

1,66

0,0248

BMhi pir

2,64

8

4,363

0,1152

0,68

2,75

0,0187

0,56

2,63

0,0147

BM

0,77

8

7,844

0,0604

0,11

1,48

0,0163

0,27

6,93

0,0187

о. Русский. Бурозем темный иллювиально-гумусовый, разрез 23–02

AU

14,92

8

1,490

0,2224

2,88

0,69

0,0203

2,5

2,13

0,053

AUBMhi

6,23

8

2,38

0,1483

1,2

1,23

0,0147

1,10

1,70

0,0187

BMhi

4,08

8

1,13

0,046

0,55

2,57

0,0141

0,72

2,04

0,0147

о. Рейнеке. Бурозем темный иллювиально-гумусовый, разрез 23–02

AU

17,12

8

1,10

0,1884

3,06

0,92

0,0280

2,64

0,85

0,0225

BMhi

3,14

8

3,27

0,1026

0,72

2,97

0,0214

0,88

2,10

0,0185

BMhi

1,78

8

5,022

0,0894

0,41

4,88

0,020

0,54

4,53

0,0245

Примечание. M – средний показатель, n – число выборки, v – коэффициент вариации, s – стандартное отклонение.

Своеобразие морфологической дифференциации гумусового профиля рассматриваемого ряда буроземов (мощность горизонтов, интенсивность окраски) предопределяется профильной динамикой содержания БГК, ЧГК, ФК-1, ФК-2 фракций гумусовых кислот под различными послепожарными сукцессиями растительности (табл. 2).

Таблица 2

Качественный состав гумуса островных буроземов (числитель – % от веса почвы, знаменатель – % от Собщ.)

Горизонт глубина

см

С общ, %

Гуминовые кислоты

Фульвокислоты

НО*

Сгк /Сфк

1

2

3

сумма

1

2

3

сумма

о. Русский. Бурозем темный иллювиально-гумусовый пирогенезированный, разрез 26-02

AU pir

0,5–18(24)

4,41

0,84

19,05

0,40

9,10

0,33

7,48

1,57

35,61

0,18

4,08

0,09

20,40

0,20

4,54

0,19

4,30

1,47

33,33

1,37

31,07

1,06

BMhi pir

18(24) –36

1,53

0,35

22,88

0,21

13,70

0,12

7,84

0,68

44,44

0,11

7,19

0,18

11,76

0,16

10,46

0,11

7,19

0,56

36,60

0,29

18,95

1,21

BM

36–64

0,45

0,05

11,11

0,03

6,67

0,03

6,67

0,11

24,44

0,06

13,33

0,05

11,11

0,07

15,56

0,09

20,00

0,27

60,00

0,07

15,56

0,42

о. Русский. Бурозем темный иллювиально-гумусовый, разрез 23-02

AU

5–16

8,65

1,29

14,9

0,79

9,13

0,8

9,2

2,88

33,29

0,3

3,47

0,53

6,10

1,09

12,6

0,58

6,7

2,5

28,9

3,27

37,80

1,15

AUBMhi

16–25(27)

3,61

0,66

18,28

0,22

6,09

0,32

8,86

1,2

33,24

0,23

6,37

0,26

7,20

0,29

8,03

0,32

8,86

1,10

30,47

1,31

36,9

1,09

BMhi

25(27)–53

2,37

0,38

16,03

0,08

3,38

0,09

3,79

0,55

23,21

0,16

6,75

0,07

2,95

0,21

8,86

0,28

11,81

0,72

30,38

1,10

46,41

0,76

о. Рейнеке. Бурозем темный иллювиально-гумусовый, разрез 23-02

AU

5–16

9,93

1,41

14,20

0,58

5,84

1,07

10,78

3,06

30,81

0,29

2,92

1,04

10,47

0,80

8,06

0,51

5,14

2,64

26,58

4,23

42,60

1,16

BMhi

25–35

1,82

0,41

22,53

0,17

9,34

0,14

7,69

0,72

39,56

0,45

24,72

0,19

10,44

0,05

2,75

0,19

10,44

0,88

48,35

0,22

12,09

0,82

BMhi

43–82

1,03

0,24

23,3

0,10

9,71

0,07

6,80

0,41

39,81

0,23

22,33

0,04

3,88

0,01

0,97

0,16

15,33

0,54

52,43

0,08

7,78

0,76

Примечание. * Негидролизуемый остаток.

Для буроземов под дубовыми лесами фракции ГК-1 и ФК-1, гуминовых и фульвокислот имеют хорошо выраженный иллювиальный характер профильного распределения, а фракция ЧГК и ФК-2 аккумулятивный. Повышенное содержание гумуса в иллювиально-гумусовом горизонте буроземов дубняков, по сравнению с буроземами гмелинополынников и грабового леса, обусловлено в основном бурыми гуминовыми кислотами. Доля ГК-2 и ФК-2 в составе гумуса падает, хотя абсолютное содержание этих фракций и остается самым высоким в ряду исследуемых буроземов. Это в целом и придает серую с буроватым оттенком окраску иллювиальной части профиля буроземов дубняков. Буроземы пирогенезированные под гмелинополынником выделяются более укороченным гумусовым профилем (0,5–36 см), с обилием в нем частиц древесного угля. Для них характерно повышение подвижности не только ГК-1, но ГК-2 с максимумом осаждения в иллювиально-гумусовом горизонте и, как следствие, усиление серых тонов окраски их BMhi горизонта. Несмотря на более низкое по сравнению с другими рассматриваемыми буроземами содержание гумуса (2,64–3,14–6,23 %) в их BMhi горизонте, в его составе значительно повышается доля гуминовых кислот, особенно ГК-2 (13,7 %) фракции, а отношение Cгк/Сфк увеличивается до 1,21 в BMhi горизонте против 1,09 в буроземах под изреженными дубняками.

Тенденцию к возрастанию доли гуминовых кислот в составе гумуса почв после прохождения пожаров отмечали и другие авторы [9–10]. По данным Сапожникова [5], заметнее всего увеличивается содержание ГК-2 в иллювиальных горизонтах почвы на фоне увеличения содержания обменных Ca и Mg. Он связывает это с перемещением сразу после пожаров в глубь профиля богатых Ca и Mg почвенных растворов.

Влияние пожара на качественный состав гумуса буроземов сглаживается в ходе восстановления лесной стадии послепожарной сукцессии растительности. В буроземах под грабовым лесом о. Рейнеке, сформировавшимся на месте сгоревшего гмелинополынника, фульватно-гуматный тип гумусообразования прослеживается только в аккумулятивно-гумусовом горизонте (Сгк/Сфк 1,6). В иллювиально-гумусовом горизонте содержание гуминовых кислот падает, и тип гумуса становится гуматно-фульватным (Сгк/Сфк 0,82). Несмотря на низкое содержание гумуса в BMhi горизонте, визуально гумусовый профиль растянут до 82 см и имеет темно-серую с буроватым оттенком окраску. Это может быть обусловлено как способностью почвенных профилей сохранять память о предыдущих стадиях своего формирования [11], так и увеличением доли ГК-2 (с 5,84 до 9,71 %) основного красящего в серые тона компонента в составе гумуса в нижней части иллювиально-гумусового горизонта этих буроземов. Здесь же наблюдается и заметный рост в составе гумуса фракции ГК-1. Среди фульвокислот почти в два раза увеличивается содержание агрессивной фракции фульвокислот (ФК-1а) с максимальной аккумуляцией в иллювиально-гумусовом горизонте, тогда как в буроземах под изреженными дубовыми лесами и под зарослями полыни Гмелина доля ФК-1а в составе гумуса плавно возрастает вниз по профилю.

Заключение

Проведенные исследования показали, что в буроземах островных территорий юга Приморья, разных стадий восстановления послепожарных сукцессий растительности, прогрессирует аккумулятивно-гумусовый и иллювиально-гумусовый процесс почвообразования. Различия в интенсивности проявления этих процессов в исследуемых буроземах отражают стадию восстановления растительности, обуславливая специфику процессов гумусообразования, профильную динамику отдельных фракций гумусовых кислот и своеобразие их морфологического профиля. Буроземы под изреженными дубняками и молодым грабовым лесом выделяются существенно более высоким содержанием гумуса по сравнению с буроземами гмелинополынников. Процессы гумусообразования протекают по фульватно-гуматному типу во всех буроземах исследованного ряда. На участках под изреженными дубняками и гмелинополынниками, где следы пирогенного воздействия в почвенном профиле визуально хорошо выражены, гумус сохраняет свой фульватно-гуматный состав и в иллювиально-гумусовых горизонтах. Отношение Сгк/Сфк возрастает в средней части профиля буроземов гмелинополынников, как следствие усиления воздействия пирогенного фактора. В составе гумуса увеличивается доля гуминовых кислот ГК-2 и ГК-1 на фоне снижения почвенной кислотности и увеличения степени насыщенности основаниями. Влияние пожара на качественный состав гумуса буроземов сглаживается на стадии восстановления леса на месте сгоревшего гмелинополынника. Тип гумуса в иллювиальном горизонте сменяется на гуматно-фульватный. В составе гумуса возрастает содержание агрессивной фракции ФК-1а с хорошо выраженной аккумуляцией в иллювиально-гумусовом горизонте.