Представлены результаты по изменению микроэлементного состава почв и фитомассы при ландшафтно-геохимических исследованиях в Онон-Аргунской степи.
Изучение микроэлементного состава (Ba, Sr, Mn, Ni и Cu) каштановых почв и фитомассы проводились в фациях Цаган-Чолотуйского полигон-трансекта, расположенного в 18 км от станции Харанор. Содержание химических элементов с пересчетом на фитомассу позволяет наиболее полно выявить роль растительности как одного из ведущих компонентов геосистем. Для выявления биогеохимических показателей, где одним из таких направлений является геохимия ландшафтов. Это научное направление изучает поведение химических элементов и их соединений в элементарных ландшафтно-геохимических системах локальной и региональной размерности [1, 2]. По ряду индикативных параметров, характеризующих условия среды и ответных реакций геосистем на эти условия, учитывались следующие показатели: жизненное состояние растительного покрова, видовое его разнообразие, проективное покрытие, микроэлементный состав почв и фитомассы [3]. Для характеристики по содержанию микроэлементов почв и фитомассы применялись кларки литосферы (К1) и кларки для растений суши (К2) – по А.П. Виноградову (1954). Чтобы судить о коэффициенте поглощения элементов фитомассой, получили ряды биологического поглощения (Кб).
Цель исследования – выявить микроэлементный состав почвы и фитомассы и показать интенсивность биологического поглощения между почвой и фитомассой в фациях Цаган-Чолотуйского полигон-трансекта Онон-Аргунской степи.
Материалы и методы исследования
На ландшафтной карте Онон-Аргунская степь не имеет аналогов и представляет собой один из видов центральноазиатских степных ландшафтов, вклинивающийся в сибирскую тайгу почти до 51 ° с.ш. (рис. 1).
|
|
I–III – физико-географические области: I – Центрально-Азиатская, II – Южно-Сибирская, III – горная Байкало-Джугджурская; 1 – северная граница Центрально-Азиатской области: участки степного стационара Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН и годы мониторинга: 2 – Алкучанский Говин (1958–1960 гг.), 3 – ст. Харанор (1961–1980, 2001–2020 гг.) |
Рис. 1. Географическое положение Онон-Аргунской степи (Сост. В.Б. Сочава, 1964)
Степи Юго-Восточного Забайкалья представляют самостоятельный Онон-Аргунский округ Монгольской степной провинции. Харанорская степь находится в переходной полосе между горными системами, относящимися к Северной и Центральной Азии. Низкогорный рельеф этой степи состоит из отдельных массивов, сопок и гряд, чередующихся с падями. Абсолютные высоты достигают 880–900 м. Стационарные наблюдения велись на Цаган-Чолотуйском полигон-трансекта с 1972 по 1980 г. сотрудниками Харанорского отряда. В 2015 г. были повторены исследования и полученные результаты приводятся в этой работе.
Объектом исследований послужили одиннадцать фаций (с XI по XXI). Профиль начинается на вершине г. Цаган-Чолотуй, проходит по склону северо-западной экспозиции, пересекает пойму и террасы р. Шарасун, проходит по склону юго-восточной экспозиции, древнему останцу и по склону северо-западной экспозиции спускается к оз. Большой Чиндант. Абсолютная высота фации на вершине г. Цаган-Чолотуй 801,6 м, ширина полигон-трансекта около 100 м, протяженность 5400 м (рис. 2).
Рис. 2. Физико-географический профиль Цаган-Чолотуйского полигон-трансекта
Фации: XI–XXI; коренные породы: 1 – граниты палеогена, 1a – пермские конгломераты, 2 – мелкоземистый щебнистый элювий, 3 – средние и тяжелые суглинки, сменяющиеся вверх и вниз по разрезу легкими суглинками и супесями делювиального и пролювиально-делювиального генезиса, 4 – аллювиально-пролювиальные щебнисто-галечниковые отложения и озерные осадки; элементы рельефа: 5 – денудационные останцы, 6 – верхние денудационные части долинного педимента, 7 – денудационно-аккумулятивные части долинного педимента, 8 – днище речной долины с аккумулятивными склонами и древняя аккумулятивная терраса; почвы: 9 – поверхностно-защебненный среднесуглинистый, слаборазвитый глубокопромерзающий чернозем на элювии конгломератов, 10 – каштановая мучнистокарбонатная глубоковскипающая легкосуглинистая, 11 – каштановая мучнистокарбонатная обычносуглинистая, 12 – каштановая мучнистокарбонатная обычная слаборазвитая поверхностно-защебненная щебнисто-среднесуглинистая, 13 – каштановая мучнистокарбонатная глубоковскипающая среднесуглинистая, 14 – луговая аллювиальная карбонатная среднесуглинистая, 15 – каштановая темновато-луговая мучнистокарбонатная обычная среднесуглинистая, 16 – луговая аллювиальная карбонатная глубоко-солончаковатая легкосуглинистая, 17 – солончак луговой сульфатно-хлоридный натриевый среднесуглинистый; растительность: 18 – хамеродосово-типчаковая, 19 – вострецово-тырсовая с типчаком, 20 – разнотравно-тырсовая с типчаком, 21 – келериевая с хамеродосом, 22 – тырсово-вострецовая с келерией, 23 – вострецовая с осокой, пикульником, 24 – пикульниковая с вострецом, 25 – тырсовая с келерией, змеевкой, типчаком, 26 – хамеродосовая с келерией, типчаком, 27 – вострецовая с келерией, типчаком, 28 – вострецовая с чием, келерией, 29 – вострецовая с осокой, пикульником, бескильницей, 30 – пятна солянок
Характеристика фаций Цаган-Чолотуйского полигон-трансекта.
Вершинные фации – литоморфно-типчаковая фация (XI) расположена на вершине г. Цаган-Чолотуй, на черноземных слаборазвитых глубокопромерзающих почвах на элювии конгломератов. Проглядывают щебнистые участки почвы. Для фации характерна усиленная ветровая деятельность и минимальная мощность снегового покрова. Увлажнение только атмосферное. Травостой неоднороден с проективным покрытием 30–40 %. Доминируют типчак (Festuca lenensis), хамеродос (Chamaerhodos trifida) и другие виды растений: мак оранжево-красный (Papaver rubroaurantiacum), горец тонкий (Polygonum gracilis), песчанка узколистная (Arenaria graminifolia) , прострел раскрытый (Pulsatilla patens). Вершина древнего останца фация – хамеродосово-типчаковая (XVIII). Коренные породы – граниты. Почва светло-каштановая мучнисто-карбонатная слаборазвитая легкосуглинистая поверхностно-защебенная. Растительность разрежена. Проективное покрытие 35 %. Доминантами являются: хамеродос (Chamaerhodos trifida), типчак (Festuca lenensis), келерия (Koeleria gracilis). Преобладают виды: тырса (Stipa baikalensis), вострец ложнопырейный (Aneurolepidium pseudoagropyrum), пажитник русский (Trigonella ruthenica), полынь холодная (Artemisia frigida), лапчатка пижмолистная (Potentilla tanacetifolia).
Склоновые фации – склоновая разнотравно-тырсовая фация (XII) на черноземно-мучнисто-карбонатных глубоковскипающих почвах и переходящих к каштановой почве, расположена в верхней и средней денудационной части склона северо-западной экспозиции, разнотравно-тырсовая (XIII) и тырсово-вострецовая (XIV) фации на каштановых мучнисто-карбонатных почвах приурочены к нижней выположенной части склона северо-западной экспозиции. Рыхлые отложения представлены делювиальными суглинками среднего и легкого механического состава. Травостой неоднородный, разреженный. Проективное покрытие составляет от 50 до 70 %. Типчак (Festuca lenensis), тырса (Stipa baikalensis)., вострец (Aneurolepidium pseudoagropyrum) и змеевка растопыренная (Cleistogenes squarrosa) являются доминатами. Из видов разнотравья доминируют: карагана мелколистная (Caragana microphylla), пажитник русский (Trigonella ruthenica), полынь холодная (Artemisia frigida), серпуха васильковидная (Serratula centauroides), стеллера карликовая (Stellera chamaejasme) и пижма сибирская (Tanacetum sibiricum). На склоне юго-восточной экспозиции тырсово-типчаковая фация (XVII), где рыхлые отложения представлены элювиально-делювиальными средними суглинками, почва каштановая. Травостой неоднородный. Проективное покрытие 30–35 %. Коренные виды растительности: тырса (Stipa baikalensis), типчак (Festuca lenensis), тонконог стройный (Koeleria gracilis). В травостое широко распространены виды разнотравья: лапчатка бесстебельная (Potentilla acaulis), полынь холодная (Artemisia frigida), тимьян обыкновенный (Thymus serpyllum), цимбария даурская (Cymbria dahurica). Склоновые: – келериево-вострецово-чиевая (XIX) и вострецово-чиевая (XX) трансаккумулятивные фации в нижней части северо-западного и северо-восточного склонов на каштановых мучнисто-карбонатных глубоковскипающих почвах, направленных в сторону оз. Большой Чиндант. В микрорельефе выделяются отдельные бутаны, а в нижней части склона редкие куртины чия блестящего (Lasiagrostis splendens). Травостой сравнительно однородный, слаборазреженный. Проективное покрытие 50–60 %. На фации (XIX) доминируют келерия (Koeleria gracilis), вострец (Aneurolepidium pseudoagropyrum), чий блестящий (Lasiagrostis splendens). На фации (XX) почва луговово-каштановая с солончаковато-остаточными признаками луговости. Доминируют чий блестящий (Lasiagrostis splendens) и вострец (Aneurolepidium pseudoagropyrum). Из других видов для этих фаций следует отметить наличие караганы (Caragana microphylla), змеевки растопыренной (Cleistogenes sqarrosa), термопсиса ланцетного (Thermopsis lanceolata), житняка гребенчатого (Agropyrum cristatum), полыни холодной (Artemisia frigida).
Днище речной долины – полугидроморфные пикульниковые фации (XV–XVI) на луговых глубокосолончаковатых почвах на надпойменной террасе правого и левого берега р. Шарасун. Поверхность сложена рыхлыми отложениями мощностью до 2 м. Почвенно-грунтовые воды прослеживаются на глубине 125 см. Увлажнение атмосферное, за счет стока и близкого залегания грунтовых вод. Травостой однородный, сильно разреженный. Проективное покрытие 40 %. В травостое доминирует ирис мечевидный-пикульник (Iris ensata), вострец (Aneurolepidium pseudoagropyrum). Распространены следующие виды: житняк гребенчатый (Agropyrum cristatum), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale) и хвощ полевой (Equisetum arvense).
Прибрежная часть, фация (XXI) песчано-галечниковая почва на луговых солончаках расположена на первой озерной террасе оз. Большой Чиндант Травостой неоднородный с разреженным покровом солянок с проективным покрытием от 30 до 70 %. Часто встречаются пятна солончаков, почти целиком лишенные растительного покрова. В травостое доминируют вострец (Aneurolepidium pseudoagropyrum), пикульник (Iris ensata), полынь замещенная (Artemisia commutatа), солянка холмовая (Salsola collina).
Определение микроэлементного состава геосистем проводилось общепринятыми методами [4]. Полевой метод – образцы надземной массы с площадок размером 0,25 м2 отбирались методом укосов в 3–5-кратной повторности. Почва отбиралась по горизонтам до глубины 150 см. Лабораторный метод – высушенные образцы растений, доведенные до абсолютно сухого состояния, взвешивались на электрических весах (ВЛТК-500). Образцы растений подвергнуты зольному анализу и образцы почв прокаливанию в муфельной печи при температуре 450 °С. Количественный химический анализ почв (60 образцов) и золы фитомассы (198 образцов) выполнен в лицензированном химико-аналитическом центре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН на приборе атомно-эмиссионном спектрографе ДФС-8-2 с дифракционной решеткой, где концентрации микроэлементов определялись по абсолютным почернениям аналитических линий с учетом фона. Так же определялись на спектрометрах: атомно-эмиссионном с индуктивно-связанной плазмой Optima 2000 DV и атомно-абсорбционном с прямой элекротермической атомизацией проб Analyst 400 фирмы Perkin Elmer.
Результаты исследования и их обсуждение
Содержание микроэлементов – Ba, Sr, Mn, Ni и Cu в фитомассе фаций полигон-трансекта, прежде всего, зависит от уровня содержания их в почве, от реакции почв, от деятельности микроорганизмов, от окислительно-восстановительного потенциала (табл. 1).
Таблица 1
Среднее содержание микроэлементов в почвах и в золе надземной фитомассы ( % на абс. сух. вещество)
|
Элементы |
Номера фаций Цаган-Чолотуйского полигон-трансекта |
К1 |
||||||||
|
XI |
XII |
XIII-XIV |
XV-XVI |
XVII |
XVIII |
XIX |
XX |
XXI |
||
|
Содержание микроэлементов в слое почвы (0–100 см) фаций полигон-трансекта |
||||||||||
|
Барий |
0,058 |
0,034 |
0,019 |
0,039 |
0,031 |
0,021 |
0,016 |
0,032 |
0,023 |
0,065 |
|
Стронций |
0,056 |
0,029 |
0,021 |
0,034 |
0,032 |
0,015 |
0,015 |
0,016 |
0,016 |
0,034 |
|
Марганец |
0,062 |
0,039 |
0,048 |
0,046 |
0,041 |
0,044 |
0,026 |
0,046 |
0,042 |
0,100 |
|
Никель |
0,0037 |
0,0047 |
0,0059 |
0,0020 |
0,0023 |
0,0037 |
0,0043 |
0,0040 |
0,0038 |
0,0058 |
|
Медь |
0,0043 |
0,0017 |
0,0021 |
0,0019 |
0,0023 |
0,0020 |
0,0020 |
0,0014 |
0,0015 |
0,0047 |
|
Элементы |
Содержание микроэлементов в фитомассе фаций полигон-трансекта |
К2 |
||||||||
|
Барий |
0,034 |
0,022 |
0,020 |
0,019 |
0,012 |
0,073 |
0,065 |
0,040 |
0,024 |
0,010 |
|
Стронций |
0,035 |
0,032 |
0,025 |
0,023 |
0,024 |
0,067 |
0,055 |
0,035 |
0,048 |
0,010 |
|
Марганец |
0,020 |
0,017 |
0,065 |
0,091 |
0,084 |
0,086 |
0,065 |
0,065 |
0,105 |
0,100 |
|
Никель |
0,0026 |
0,0026 |
0,0014 |
0,0017 |
0,0031 |
0,0021 |
0,0051 |
0,0011 |
0,0016 |
0,001 |
|
Медь |
0,0046 |
0,0039 |
0,0035 |
0,0057 |
0,0042 |
0,0032 |
0,0073 |
0,0025 |
0,0047 |
0,005 |
Примечание. (К1) кларк литосферы; (К2) кларк – средний состав золы растений суши по Виноградову.
В табл. 1 даются сведения о среднем содержании химических элементов в фитомассе и почве, в фациях полигон-трансекта. Для характеристики химических особенностей фитомассы их способности к накоплению элементов судили (по отношению содержания элемента в почве к его кларку в литосфере К1 и по отношению содержания элемента в фитомассе к среднему составу золы растений суши К2. Содержание микроэлементов в черноземной почве, на вершине денудационных останцев фация (XI), отмечается повышенным содержанием Sr и Ba. Содержание Sr в 1,65 раза выше кларка. При описании почвенного разреза резкое содержание стронция отмечено на глубине 30–60 см в иллювиальном горизонте до 0,140 %, т.е. в 4 раза выше кларка. Стронций по химическим свойствам аналогичен барию. Но барий в степных условиях стабилен, а стронций более подвижен. Среднее содержание микроэлементов в черноземной почве по отношению к кларку имеют следующий вид: Sr (1,65), Cu (0,91), Ba (0,89), Ni (0,64), Mn (0,62). Элементы Cu, Ni, Mn являются деконцентраторами щелочных условий, Ba, Sr – щелочноземельных элементов [5, 6]. Каштановые почвы луговых фаций речных долин (XV–XVI) отличаются небольшим содержанием гумуса – 1,5–2,5 %, реакция почвенного раствора щелочная, при сравнении с кларками, все элементы ниже кларка, только повышенным содержанием характеризуется Sr (1,03), а пониженным Ва (0,66), Cu (0,60), Ni (0,59), Mn (0,51). Сравнивая ряды химических элементов каштановых почв Онон-Аргунской степи, с рядами каштановых почв экосистем Западного Забайкалья, наблюдаем аналогичную картину [7].
Выявлена значительная неоднородность содержания микроэлементов в фитомассе по отношению к среднему составу золы растений суши (К2), обусловленная как биологическими особенностями фитомассы, так и эколого-геохимическими факторами биодоступности элементов по рельефу фаций. Для склоновых фаций с повышенным содержанием – Ва в 2,90, Sr в 1,75 и пониженным Cu в 0,88, Ni в 0,80, Mn в 0,71 раза. Для фаций долинно-русловых и прибрежных элементы фитомассы характеризуются в сравнении с (К2) повышенным содержанием – Ва в 2,10, Sr в 1,75, Cu в 1,04, Mn в 1,00, а пониженным Ni в 0,80 раза. На основании выявленных различий в рядах можно сделать вывод, что фитомасса полигон-трансекта обеспечена микроэлементами, в значительно различающихся пределах – от дефицита для одних фаций и превышения уровня для других.
Интенсивность биологического поглощения химических элементов характеризуется коэффициентом биологического поглощения (Кб) и представляет собой отношение среднего содержания данного элемента в золе фитомассы к содержанию элемента в почве, на котором обитает эта фитомасса (табл. 2).
Таблица 2
Ряды биологического поглощения микроэлементов на Цаган-Чолотуском полигон-трансекте
|
Местоположение фаций |
Номера фаций |
Элементы и значение (Кб) фитомассы |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
Вершинные денудационные останцы |
XI XVIII |
Sr (1,42) Sr (4,47) |
Ba (1,38) Ba (3,45) |
Cu (1,22) Mn (1,95) |
Mn (1,02) Cu (1,52) |
Ni (0,69) Ni (0,57) |
|
Склоновые северо-западные фации |
XIII XIV |
Cu (2,09) Cu (1,50) |
Mn (1,73) Mn (1,01) |
Sr (1,67) Ni (0,95) |
Ba (1,42) Sr (0,74) |
Ni (0,66) Ba (0,47) |
|
Склоновые юго-восточные фации |
XVII, XIX,XX |
Cu (2,24) Cu (2,81) |
Sr (1,81) Sr (2,72) |
Mn (1,73) Ba (2,21) |
Ba (1,67) Mn (1,81) |
Ni (0,76) Ni (0,74) |
|
Днище речной доли-ны реч. Шарасун. Терраса оз. Большой Чиндант |
XV XVI XXI |
Cu (2,29) Cu (2,32) Cu (2,57) |
Mn (1,51) Mn (1,19) Mn (1,54) |
Sr (1,39) Ni (0,71) Ni (0,81) |
Ba (1,38) Sr (0,63) Sr (0,66) |
Ni (0,68) Ba (0,42) Ba (0,49) |
Химические элементы по степени их накопления в золе растений составляют ряды, соответствующие рядам биологического поглощения (Кб) по А.И. Перельману:
1 – ряды сильного накопления (Кб = 10–1) – Ca, Mg, Sr, Co, Cu;
2 – ряды среднего (Кб = 1, 0–0,1) – Mn, Ba, Cr;
3 – ряды слабого накопления (Кб = 0,8–0,02) – Na, Ni, Fe, Al.
Данные табл. 2, сгруппированные в ряды биологического поглощения (Кб), показывают степень накопления химических элементов фитомассой фаций Цаган-Чолотуского полигон-трансекта. Для вершинных останцев черноземных и горно-каштановых почв фаций (XI, XVIII) по накоплению химических элементов фитомасса относится к группе сильного накопления (Кб = 10–1) и по средним данным, представлены в следующем виде – Sr (2,68), Ba (3,11), Mn (1,49), Cu (1,37). К группе слабого накопления (Кб = 0,8–0,02) – относится Ni (0,63).
Для склоновых фаций (XIII, XIV, XVII, XIX, XX) по среднему содержанию в каштановых почвах, микроэлементы фитомассы выстраиваются в следующий ряд: Кб – сильного накопления Cu (2,18), Sr (1,74), Mn (1,57), Ba (1,44) и слабого накопления Ni (0,78). В фациях на первое место выходит Cu, на последнем месте стоит – Ni. Этот дефицит Ni обусловлен качеством коренных пород – гранитоидов, характеризующихся повышенным содержанием – Na и небольшим содержание гумуса – 1,2 %.
Фации (XV, XVI, XXI) лугово-речных и приозерных надпойменных террас с солончаковатой почвой характеризуются довольно высоким содержанием легкорастворимых солей. Химический состав сульфатно-содово-хлоридный. Реакция щелочная. Количество гумуса невелико. Интенсивность биологического поглощения фитомассой составляет следующий ряд: Cu (2, 39), Mn (1,41), Sr (0,89), Ba (0,76), Ni (0,73). Высоким накоплением отличаются солончаковатые почвы этих фаций – Cu, Mn и снова дефицит – Ni.
Выводы
Проведенные исследования на Цаган-Чолотуйском полигон-трансекте Онон-Аргунской степи позволили на основании полученных данных выявленных различий сделать вывод по содержанию микроэлементов в почве и фитомассе:
1. Выявлена значительная неоднородность содержания микроэлементов в почве всех исследуемых фаций в сравнении с кларками литосферы (К1), они характеризуются повышенным содержанием Sr (1,03), пониженным Ва (0,66), Cu (0,60), Ni (0,59), Mn (0,51).
2. Выявлена значительная неоднородность содержания микроэлементов в фитомассе с нормами обеспеченности (или с кларками – К2), что выше по содержанию является Sr в 3,91 и Ва в 3,51 раза, в пределах нормы – Ni в 2,31 раза, ниже нормы Cu в 0,88, Mn в 0,72.
3. Выявлена избирательная способность (Кб) фитомассы при поглощении элементов из почвы, которые по степени накопления в фитомассе по фациям, выстраиваются в следующие ряды: фации вершинных останцев – Sr (2,68) > Ba (3,11) > Mn (1,49) > > Cu (1,37) > Ni (0,63); склоновых фаций – Cu (2,18) > Sr (1,74) > Mn (1,57) > Ba (1,44) > > Ni (0,78); лугово-речных и приозерных террас – Cu (2, 39) > Mn (1,41) > Sr (0,89) > > Ba (0,76) > Ni (0,73).