Геохимия фосфора в ландшафтах чернопиктово-широколиственных лесов южного Приморья

Краткое описание

Введение...4

Глава 1. Физико-географическая характеристика района исследования

(полуостров Муравьева-Амурского)...12

1.1. Географическое положение и рельеф...12

1.2. Геологическое строение...13

1.3. Климат...14

1.4. Гидрологический режим и природные воды ...18

1.5. Растительность...20

1.6. Почвы...23

Глава 2. Объекты и методы исследования...28

2.1. Объекты исследования и методологические подходы...29

2.2. Методы полевых исследований...32

2.3. Методы аналитических исследований...38

Глава 3. Парцеллярные особенности геохимии фосфора в ландшафте...44

3.1. Особенности геохимии фосфора в лиановой парцелле...47

3.1.1. Характеристика парцеллы (растительность и почвы)...47

3.1.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле...51

3.1.3. Миграция фосфора в составе природных вод...53

3.1.4. Формы фосфора и его запасы в буроземе парцеллы...60

3.2. Особенности геохимии фосфора в хвойной (чернопихтовой)

парцелле...65

3.2.1. Характеристика парцеллы (растительность и почвы)...65

3.2.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле...69

3.2.3. Миграция фосфора в составе природных вод...71

3.2.4. Формы фосфора и его запасы в буроземе парцеллы „75 3.3. Особенности геохимии фосфора в хвойно-широколиственной (полидоминантной) парцелле...79

3.3.1. Характеристика парцеллы (растительность и почвы)...79

3.3.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле...82

3.3.3. Миграция фосфора в составе природных вод...84

3.3.4. Формы фосфора и его запасы в буроземе парцеллы ...85 ЗАОсобенности геохимии фосфора в дубово-грабовой парцелле..87

3.4.1. Характеристика парцеллы (растительность и почвы).„87

3.4.2. Биогеохимическая миграция и аккумуляция фосфора в парцелле...89

3.4.3. Миграция фосфора в составе природных вод...91

3.4.4. Формы фосфора и его запасы в буроземе парцеллы ..„92 3.5. Вынос фосфора в составе родниковых (грунтовых) вод и

факторы, его определяющие...94

Глава 4. Катенарные особенности формирования биокруговорота фосфора в ландшафте...99

4.1. Характеристика парцелл катены...101

4.2. Катенарные особенности формирования почв парцелл...114

4.3. Катенарные особенности формирования круговорота фосфора в парцеллах...117

4.4. Динамика подвижного фосфора и фосфора микробной биомассы в буроземах парцелл...125

Глава 5. Модели миграции и аккумуляции фосфора в ландшафтах...134

Выводы...143

Литература...146
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Ландшафтно-геохимические исследования в России начались сравнительно недавно. Их начало в 1930-х годах связано с именем Б.Б. Полынова - основоположника учения о геохимии ландшафтов. Объектом исследования геохимии ландшафта выступает сложная неравновесная динамическая система земной поверхности (геохимический ландшафт), в которой происходит взаимодействие и взаимопроникновение элементов лито-, гидро- и атмосферы. Большинство природных геохимических ландшафтов относится к биокосным системам, в которых живые организмы и неорганическая материя тесно связаны и взаимообусловлены (Перельман, 1975). Геохимия лесных ландшафтов южного Приморья заслуживает особого внимания.

Фосфор играет величайшую роль в жизнедеятельности всех организмов, в функционировании экосистем и биосферы в целом (Ковда, 1976). В процессе биологической эволюции именно фосфорные соединения стали универсальными хранителями генетической информации и переносчиками энергии во всех живых системах. Фосфор незаменим в таких процессах как фотосинтез, метаболизм, размножение. Фотосинтез и создание фитобио-массы является отправной точкой круговорота веществ в биосфере (Ковда, 1973). В наземных экосистемах фосфор - это главный элемент, регули-рующий аккумуляцию углерода, азота и органической серы в почвах (Walker, Syers, 1976). Благодаря уникальности химических свойств фосфора, его способности образовывать множество различных соединений, его биогеохимический цикл отличается от циклов углерода, кислорода, азота, хотя круговорот всех перечисленных выше элементов в ряде звеньев протекает совместно. Фосфор выступает своеобразным индикатором продуктивности почв и ландшафта в целом, являясь одним из лимитирующих факторов создания органического вещества.

Кларк фосфора составляет 9,3-10'2% (Переломан, 1975), известно около 200 фосфорсодержащих минералов, но в большинстве природных ландшафтов этот элемент дефицитен. Человек в результате широкого применения фосфорных удобрений, пестицидов, детергентов нарушает природный баланс фосфора в биосфере. Наряду с дефицитом фосфора в почвах, происходит эвтрофирование водоемов, вызванное его избытком. Под антропогенным воздействием круговорот фосфора начал деградировать, вытесняясь транзитным движением фосфора от рудных запасов в воды суши и океана. В природных условиях круговорот биогенных веществ был основой сохранения этих веществ в наземной части биосферы при незначительных потерях в гидросферу (Эволюция круговорота фосфора..., 1988).

Этот элемент давно привлекает внимание исследователей. Анализ литературных источников показывает, что имеется очень много работ по изучению фосфорных соединений в отдельных компонентах ландшафта. В большинстве работ, посвященных исследованию фосфора в почвах, решаются агрохимические проблемы более эффективного использования фосфатного фонда, изучаются процессы, происходящие в почве при применении удобрений (Гинзбург, 1975; Хмелинин, 1984, 1993; Кудеярова, 1993, 2000а и др.). В ряде работ исследуются содержание и распределение основных форм фосфора в различных типах почв (Bowman, Cole , 1978; Гинзбург, 1981; Brooks et. al. 1982; Schoenau et. al. 1989; Кудеярова, 20006; Макаров, 1999; Макаров и др. 2000, 2002 и др.); в растениях и природных водах (Likens et. al., 1977; Whittaker et. al, 1979; Алексеенко, Марунич, 1985; Елпатьевский, Власов, 1996; Елпатьевский и др., 2000; Noe et al., 2001 и др.); но изучению фосфора в ландшафте в целом с позиций геохимии ландшафтов, изучению глобального цикла этого элемента в биосфере посвящены единичные публикации (Ковда, 1976; The Major Biogeochemical

Cycles..., 1983; Newman, 1995; Батурин, 2003 и др.), поведение же фосфора в лесных ландшафтах юга Дальнего Востока практически не изучалось.

В Приморском крае работы, посвященные фосфору, касаются в основном почв равнинных территорий, пригодных для сельскохозяйственного использования (Стрельченко, 1973, 1982, 1988 и др.). В связи с этим представляется актуальным изучение именно геохимии фосфора в лесных ландшафтах южного Приморья.

Актуальность наших исследований обусловлена также и тем, что в качестве объекта выбраны ландшафты чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья, которые в силу своего географического положения, специфических климатических условий и сложной истории формирования растительного покрова уникальны для России и во флористическом отношении являются самой богатой лесной формацией Дальнего Востока (Васильев, Колесников, 1962). Лесные ландшафты играют определяющую роль в истории формирования биосферы и являются основным механизмом фиксации космической энергии и образования фитобиомассы на суше с вовлечением в ткани растений биофильных элементов (Ковда, 1976). Наши исследования выполнены в пределах той части ареала чернопихтово-широколиственных лесов, которая лишь в небольшой степени затронута антропогенным воздействием (полуостров Муравьев-Амурский) и позволяют наиболее полно охарактеризовать геохимию фосфора в ландшафтах данной лесной формации.

Особенности функционирования подобных ландшафтов на юге Приморья все еще очень слабо изучены. Наиболее полные стационарные исследования хвойно-широколиственных лесов Приморья были выполнены в 1960*ые-1970"ые года только на территории Уссурийского заповедника. Эти работы касались, в основном, исследований типов леса, микроклиматических и почвенных условий их произрастания, биогеохимических аспектов функционирования лесных экосистем (Комплексные стационарные иссле-

^ дования..., 1967; Биогеоценотические исследования..., 1968). Нечаевой

Е.Г. было выполнено изучение зольного состава опада, дана сравнительная характеристика почвенных процессов, а также динамика химического состава поверхностных и почвенных вод в различных типах леса, то есть, дана характеристика лишь некоторых биогеохимических аспектов функционирования этих ландшафтов (Нечаева, 1967, 1968, 1971). Анализ поведения именно фосфора в ландшафте чернопихтово-широколиственных лесов в эти годы практически не проводился. В работах А.Ф. Костенковой были выделены различные типы биологического круговорота веществ в лесных биогеоценозах южного Приморья (Костенкова, 1977, 1980, 1982). Эти ис-

'^щ следования выявили ряд особенностей функционирования лесных ланд-

шафтов южного Приморья, но изучению в них цикла фосфора уделено очень мало внимания.

Изучением структуры и биогеохимических особенностей чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья (полуостров Муравьев-Амурский) занимались П.В. Елпатьевский, Е.П. Кудрявцева, В.П. Елпать-евская. Их работы посвящены изучению биоразнообразия и особенностей структуры и биокруговорота этих лесов (Елпатьевская, Кудрявцева, 1998, 1999; Елпатьевский, 2000; Кудрявцева, Елпатьевский, 2001; Elpatyevsky et

jA al., 2003), изучению геохимии кальция (Elpatyevkaya, 2001) и подвижных

форм фосфора (Елпатьевский, 1998).

Теоретическая и методическая основа исследований базируется на идеях и трудах в области геохимии ландшафта Б.Б. Полынова, А.И. Пе-рельмана, М.А. Глазовской. Ландшафт чернопихтово-широколиственных лесов рассматривается в данной работе как геохимический ландшафт по А.И. Перельману, то есть является парагенетической ассоциацией сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией

li|» элементов (Перельман, Касимов, 1999). Синонимами понятия элементар-

ный ландшафт (Б.Б. Полынов) являются микроландшафт (И.В. Ларин),

фация (Л.С. Берг и Н.А. Солнцев), биогеоценоз (В.Н. Сукачев) и элементарная ландшафтно-геохимическая система (М.А. Глазовская) (Глазовская, 1998).

В лесных биогеоценозах, как правило, формируется парцеллярная структура разной степени сложности, которая определяется в пространстве по доминантам растительного покрова (эдификаторы экосистемы). Парцеллярная структура - это залог устойчивости типа леса (Карпачевский, 1999). Каждая парцелла обладает своими специфическими особенностями биокруговорота элементов, который оценивается такими показателями, как биомасса, продуктивность, объем вовлекаемых в миграцию биофильных элементов. Биогеоценотические парцеллы по Н.В. Дылису — это структурные части горизонтального расчленения биогеоценоза, отличающиеся друг от друга составом, структурой и свойствами компонентов, спецификой их связей и материально-энергетического обмена (Дылис, 1969). Как и биогеоценоз в целом, парцелла - понятие комплексное и включает растения, почвы, атмосферу, животное население, микроорганизмы, то есть имеет комплексный многокомпонентный характер (Дылис, 1978). Принимая во внимание вышесказанное, биогеоценотическая парцелла рассматривается нами как элехментарный геохимический ландшафт.

Целью данной работы является изучение геохимии фосфора в ланд-шафтах чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья на парцеллярном и катенарном уровнях, а также построение эмпирических моделей биогеохимического круговорота фосфора в ландшафтах.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

1. Определить содержание и запасы фосфора в опадах и подстилках (биогеохимический блок).

2. Оценить запасы фосфора и трансформацию основных его форм в почвах и почвообразующих породах (почвенно-литогенный блок).

3. Изучить динамику подвижного фосфора и фосфора микробной биомассы в почвах различных парцелл, как наиболее динамичной части общего запаса фосфора.

4. Количественно оценить фосфор в составе основных геохимически сопряженных категорий природных вод: атмосферные осадки — подкро-новые воды —» лизиметрические (почвенные) растворы —*¦ родниковые (грунтовые) воды (водно-миграционные, геохимические потоки).

5. Построить эмпирические модели миграции и аккумуляции фосфора в ландшафтах чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Трансформация исходных форм фосфора (фосфаты железа) в процессе педогенеза идет в сторону образования рыхлосвязанных и органофос-фатов, обусловливая аккумулятивный профиль и дифференцированное распределение фосфора в буроземах; различия в профильном распределении фосфора определяются парцеллярными особенностями организации южноприморских чернопихтово-широколиственных лесов и расположением по катене.

2. Миграция фосфора в ландшафте обусловлена сложным взаимодействием водно-миграционных потоков с биотическим и почвенным блоками; основное количество растворимых соединений фосфора, поступающих с атмосферными осадками и подкроновыми водами, закрепляется в органогенных горизонтах как за счет процессов биогенного поглощения, так и в результате образования органоминеральных комплексов в процессе гумусообразования.

3. Основные этапы работы почвенно-биотического блока и реализация ландшафтно-геохимических процессов обусловливают создание значительного фонда фосфора в ландшафтах чернопихтово-

10

широколиственных лесов южного Приморья, что обосновано балансовыми расчетами и моделями миграции и аккумуляции фосфора. Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые геохимия фосфора была изучена в ландшафтах чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья на парцеллярном и кате-нарном уровнях;

- при изучении использован комплексный геосистемный подход, позволивший оценить роль различных компонентов (блоков) геосистемы в сохранении основного запаса фосфора в ландшафте;

- с целью изучения форм фосфора в почвах был использован метод фазового селективного анализа (по Гинзбург К.Е. и Лебедевой Л.С.), модифицированный и дополненный автором;

- впервые для ландшафтов чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья предложены эмпирические модели миграции и аккумуляции фосфора.

Научно-практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы для оценки биопродуктивности ландшафтов, поскольку позволяют рассматривать запасы фосфора как один из диагностических факторов; могут быть использованы в смежных науках - при решении сельскохозяйственных и экологических проблем, связанных с недостатком или избытком фосфора.

Исследования были поддержаны РФФИ (проект № 00-05-65027) в 2000-2002 гг., грантами РФФИ-MAC в 2001 и 2002 гг. и грантом ДВО РАН в 2003г. Работа выполнена в рамках научной темы лаборатории геохимии ТИГ ДВО РАН «Геохимия состояния и функционирования геосистем высотной поясности горной системы Сихотэ-Алинь».

Результаты исследований обработаны с использованием стандартных математических и статистических методов и графически представлены с помощью программ Microsoft Excel 97 и Corel Draw 9.

11

Полученные материалы проанализированы с использованием принципов сравнительно-географического и ландшафтно-геохимического подходов; это позволило выявить особенности геохимического круговорота фосфора в различных ландшафтах чернопихтово-широколиственных лесов южного Приморья.

Автор приносит искреннюю благодарность и выражает глубокую признательность научным руководителям д.г.н. Павлу Валерьяновичу Елпать-евскому и к.г.н. B.C. Аржановой; основным участникам исследований гл. инженеру А.В. Власову, с.н.с. Е.П. Кудрявцевой, к.г.н. В.П. Елпатьевской за предоставленные материалы и ценные советы; а также инженерам-аналитикам лаборатории геохимии ТИГ Т.Н. Луценко, Л.М. Толстовой, Л.В. Богатовой, Г.А. Власовой, Т.Л. Примак, Н.Н. Богдановой за выполнение химико-аналитических работ и консультации.

12

ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Географическое положение и рельеф

Приморский край расположен на крайнем юго-востоке азиатской части России, между 42° - 48° с. ш. и 130° - 139° в. д., на берегу Японского моря, входящего в бассейн Тихого океана. Полуостров Муравьев-Амурский находится на юге Приморского края и омывается водами залива Петра Великого (Научно-прикладной справочник..., 1988).

В Приморье преобладает горный рельеф. Горная страна Сихотэ-Алинь охватывает около 80% всей территории края. На полуострове Муравьев-Амурский расположены отроги Западного Сихотэ-Алиня, представленные, в основном, низко- и средневысотными горами. В пределах полуострова располагаются Океанский и Береговой хребты, имеющие, в основном, высоты 200 - 400 м над уровнем моря; наивысшая горная отметка на полуострове - 474 м над у. м. Территория полуострова сильно расчленена многочисленными ручьями и речками на ряд горных отрогов и возвышенностей северо-восточного простирания. Склоны гор имеют, как правило, выпуклую форму. Особенно это характерно для склонов южной экспозиции, которые обычно круче северных; крутизна склонов колеблется от 2° до 30°.

Исследования проводились в приводораздельной части полуострова, в интервале высот 250-320 м над уровнем моря. Район исследования представляет собой водосборный бассейн первого порядка (геохимический ландшафт), в пределах которого берут начало реки Малая Седанка и Большая Седанка, впадающие в Седанкинское водохранилище.

Положение полуострова Муравьев-Амурский в довольно низких широтах (42° - 43° с.ш.) и на краю огромного материка Азии определяет спе-

13

цифику практически всех ландшафтообразующих факторов и процессов, то есть природной среды в целом.

1.2. Геологическое строение

Территория Приморского края характеризуется сложным геологическим строением с участием разнообразных по возрасту и составу метаморфических, осадочных и изверженных пород. Согласно схеме тектонического районирования Приморского края по И.И. Берсеневу полуостров Муравьев-Амурский относится к зоне позднепалеозойской складчатости, Муравьевской подзоне Южно-Приморской зоны (Геология СССР, 1969). В пределах Южно-Приморской зоны залегают среднепалеозойские геосинклинальные отложения, прорванные палеозойскими интрузиями габброидов и гранитоидов. На их поверхности лежит толща нижне- и верхнеиермских, прибрежно-морских и континентальных осадочных и вулканических пород, прорванных позднепермскими интрузиями. Выше залегают верхнепермские вулканогенно-осадочные отложения, также прорванные интрузиями. Весь комплекс палеозойских пород перекрывается мощной толщей мезозойских отложений.

На полуострове Муравьев-Амурский широко распространены породы Пермской системы. Южную часть полуострова занимает Поспеловская свита, которая состоит из двух подсвит, сложенных алевролитами, песчаниками, аргиллитами, андезитами, туфами и др. (Назаренко, Бажанов, 1989). Среднее содержание фосфора в породах Поспеловской свиты составляет 408,5 - 445 г/т (Геологическое строение..., 1990), что соответствует 0,041-0,045% Р, эта величина в два раза ниже, чем кларк фосфора в литосфере (0,093%).

На полуострове также распространена Владивостокская свита, которая разделена на две подсвиты и сложена вулканитами среднего состава

14

(Назаренко, Бажанов, 1989). Среднее содержание фосфора в породах Владивостокской свиты составляет от 260 г/т (риолиты) до 433 г/т (андезиты) (Геологическое строение..., 1990), что значительно ниже (от 2 до 3,6 раз), чем кларковая величина.

Позднепермские интрузивные образования в районе исследования представлены Седанкинской интрузией. Большая часть интрузии сложена гранитами и гранодиоритами поздней фазы и занимает водораздел Большой и Малой Седанок, все левобережье среднего и верхнего течения Большой Седанки, начиная от водохранилища и почти до побережья Уссурийского залива. Наиболее распространены розовые граниты, слагающие всю центральную и юго-восточную часть массива. Голубовато-серые граниты распространены на левобережье среднего течения Большой Седанки, к югу и юго-востоку постепенно переходят в розовые, а к северу - в серые, слабо порфировидные гранодиориты. Породы Седанкинской интрузии принадлежат нормальному ряду K-Na серии. Граниты и гранодиориты содержат 0,11-0,19% Р2О5 или 0,048-0,083% Р, а граниты 0,02-0,09% Р2О5 или 0,009-0,039% Р. Возраст диоритов оценен в 231±207 млн. лет, а гранодио-ритов и гранитов - 193,8 и 159,3 млн. лет (Геологическое строение..., 1990).

Таким образом, коренными породами района исследования выступают граниты и гранодиориты, которые содержат 0,009-0,083% Р и длительный период времени подвергаются выветриванию.

1.3. Климат

Географическое положение территории во многом определяет специфику климата Приморского края и полуострова Муравьев-Амурский. Климат — важнейший и независимый фактор формирования ландшафтов, а микроклимат в значительной степени создается самим ландшафтом. Роль

15

климата, как геохимического фактора, определяется в первую очередь его влиянием на биологический круговорот; чем более теплый и влажный климат, тем больше в ландшафте накапливается живого вещества, тем энергичнее происходит минерализация органического вещества, химическая работа воды, внутрипочвенное выветривание, то есть более интенсивно протекают процессы миграции и аккумуляции вещества в ландшафте.

Территория Приморья входит в климатическую область муссонов умеренных широт (Справочник по климату..., 1966). Температурный режим обуславливается, в основном, характером циркуляции атмосферы и рельефом местности (Калмыкова, 1967). Резкое различие в увлажнении зимнего и летнего сезонов - следствие сезонной смены циркуляции воздушных масс. Зимой территория края находится под преобладающим воздействием очень холодных и сухих воздушных масс - преобладают ветры, направленные с суши на океан (зимний муссон), а летом — с океана на сушу (летний муссон). Эти черты четко выражены на полуострове Муравьев-Амурский.

По количеству осадков территория относится к зоне достаточного увлажнения. Среднегодовое количество осадков составляет 721-831 мм. Данные по количеству осадков, полученные сотрудниками лаборатории геохимии ТИГ ДВО РАН П.В. Елпатьевским и B.C. Аржановой за 1990 год -847 мм - и используемые в данной работе для расчетов, не расходятся со средними данными Справочника по климату СССР (1968) за период с 1893 по 1965 гг. Средняя годовая температура воздуха на полуострове составляет 4,0° С. Среднегодовая влажность воздуха колеблется от 72% до 77%.

К критическим условиям зимнего периода относятся низкие температуры воздуха и почвы со значительными колебаниями, маломощный снежный покров, высокая зимняя инсоляция. Среднемесячная температура воздуха наиболее холодного месяца (январь) по многолетним данным составляет -14-17° С (Справочник по климату..., 1966). В зимний период

16

^ осадки выпадают в основном в виде снега и составляют не более 10% го-

довой суммы, но в отдельные годы возможны смешанные осадки и даже дождь. Минимальная среднемесячная влажность воздуха наблюдается в ноябре или декабре и составляет 62-63%.

Устойчивый снежный покров на полуострове образуется в середине декабря, а разрушение его приходится на конец февраля. Число дней со снежным покровом около 70 при средней декадной высоте снежного покрова в 15 см. На полуострове до 40% зим может быть с отсутствием устойчивого снежного покрова (Справочник по климату..., 1968). Следует отметить, что на залесенной территории снежный покров может быть го-