Развитие почвообразовательного процесса на метаморфических породах Карелии

Территория Карелии, как наиболее молодая по своему абсолютному возрасту, представляет весьма интересный объект для изучения почвообразовательного процесса, протекающего на чрезвычайно разнообразном минеральном субстрате и при относительно пестром сочетании растительных группировок. На небольших участках здесь можно проследить все стадии почвообразования, начиная со .стадии завоевания голой поверхности скальных пород литофильной растительностью и кончая образованием довольно мощных дерново-подзолистых и торфяно-глеевых почв на рыхлых четвертичных наносах.
Характеристике почвенного покрова Карелии посвящено сравнительно небольшое количество работ. Из более ранних следует упомянуть работу коллектива авторов — Б. Д. Зайцева, Ю. А. Ливеровского и других (5)у из более поздних — работу А. А. Завалишина (4), ряд статей А. И. Марченко (8, 9). Однако в упомянутых, весьма обстоятельных работах, основное внимание уделяется характеристике почвенного покрова, сформированного на продуктах ледниковых и послеледниковых отложений.
В то же время хорошо известно, что на территории Карелии значительную площадь занимают выходы на дневную поверхность коренных пород, на элювии которых формируются современные примитивные почвы.
Эти почвы являются тем субстратом, на котором развиваются высокопродуктивные леса Карелии, составляющие ее богатство, и вопрос, связанный с изучением данных почв, имеет не только теоретический, но и практический интерес.
В настоящей (работе дается обобщение той части материала, которая характеризует развитие почвообразовательного процесса на плотных метаморфических породах, имеющих широкое распространение в пределах Карелии.
Район наших исследований расположен к северо-западу от Онежского озера, в так называемой Прионежской сельговой части, и заключен между оз. Сандал и заливом Онежского озера — Уницкой губой. По характеру природных условий этот район может быть отнесен к самой северной части южной провинции Карелии, северо-запада на юго-восток простираются параллельно друг другу узкие каменистые гряды («сельги»), разделенные более или менее обширными понижениями. Понижения заняты либо глубокими и прозрачными озерами, либо торфяными болотами. Материнские породы в районе исследования разнообразны и представлены как древними протерозойскими изверженными и метаморфическими породами, так и различными четвертичными отложениями (14).
На обследуемой территории довольно большим распространением пользуются метаморфические породы, которые, согласно определению проф. Н. Н. Смирнова, можно отнести к эпидото-актинолито-хлоритовым сланцам, содержащим большое количество бурых окислов железа, придавших породе ее красно-бурую окраску.
По характеру растительности мы имеем дело с подзоной средней тайги, /Представленной в основном сосновыми борами, лишайниковыми и зеленомошниковыми, а также ельниками чернично-зеленомошниковыми, болотно-травными и заболоченными.
На каменистой поверхности скалистых кряжей пышное развитие получает мохово-лишайниковый покров. Особенно обильно развиты лишайники из рода С1ас1оп1а (ягель), а также зеленые мхи. По наиболее обнаженным местам плотными колониями расположены листоватые лишайники из рода, а также ветвистый лишайник.
Серо-зеленая мозаика мохово-лишайникового покрова чрезвычайно оживляется светло-лиловыми пятнами цветущего вереска. Наличие плотного мохово-лишайникового покрова не только не препятствует, а скорее благоприятствует хорошему возобновлению соснового леса. Как показали наблюдения, наши и А. И. Марченко, плотный мохово-лишайниковый покров на поверхности коренных пород в значительной степени сокращает процент сухостоя в сосновом лесу и улучшает лесорастительные условия. Сбор материала производился на трех участках, из которых два — расположены примерно в 1 км друг от друга, а третий — удален на 5 км на север. Почвообразующей породой во всех случаях является эпидото-акти-нолито-хлоритовый сланец.
Первый участок находится на слегка приподнятом и выравненном скалистом берегу озера, круто обрывающемся к воде. Скала покрыта сплошным ковром ягеля с пятнами вереска и политрихума; отдельные участки заняты лишайниками, преимущественно листоватыми. На скале идет процесс возобновления сосны и осины, единичные экземпляры которых достигают возраста 7—10 лет. Под мохово-лишайниковым покровом сформирован тонкий слой мелкозема, увеличивающийся в мощности до 5 см под пологом молодых деревцев.
Почва, взятая из-под сосны, имеет следующее строение:
Гор А до 5 см. Темно-серо-коричневая, мягкая и рыхлая, наполовину состоящая из неразложившихся остатков растений. Включение мелких обломков породы.
Гор. С1 до 15—20 см. По трещинам языки мелкозема темно-коричневого цвета, здесь же тянутся корни сосны.
В данном случае мы имеем дело с маломощной оторфянелой, перегнойной почвой. Аналогичное строение имеет почва и под осиной.
Для анализа с первого участка взято дерево сосны в возрасте 7 лет и осины в возрасте 6 лет, а также лишайники — (вид не определен), образцы почвы и породы.
Второй участок расположен в верхней части довольно высокой скалистой гряды, покрытой сосновым лесом в возрасте 30—40 лет. Лес в хорошем состоянии. Средняя высота деревьев 9—10 м. В качестве спутника сосны в подросте встречается береза.
Сопоставление состава золы лишайников с составом исходной горной породы — эпидото-актинолито-хлоритового сланца — позволяет построить ряды биологического поглощения различных минеральных элементов. Для лишайников Карелии эти ряды имеют следующий вид:
Вырисовывается очень четкая картина избирательной концентрации литофильными лишайниками таких элементов, как серы, калия, фосфора и, специфично для Карелии, марганца. В наивысшей степени концентрируется сера. Так, для ветвистого лишайника 81егеосаи1оп содержание серы в золе лишайника в 140 раз превосходит содержание ее в исходной горной породе, у лишайника ОугорНога содержание серы в золе в сто раз больше, чем в породе и т. д. Аналогичные указания на высокую избирательную способность лишайников по отношению к сере мы находим в работах И. А. Ассинг (1) и Е. А. Яриловой (15). Содержание калия в золе лишайников примерно в двадцать раз выше содержания его в горной породе. В значительных количествах концентрируется и фосфор (примерно в 5—10 раз больше против его содержания в породе). Причину высокой концентрации марганца необходимо исследовать в дальнейшем.
На том же первом участке нами был произведен количественный учет сухой массы лишайников на определенную единицу площади. Располагая данными о запасе сухого вещества, мы смогли произвести примерный расчет содержания важнейших элементов питания на более крупных единицах площади и таким образом судить о тех количествах азота и зольных элементов, которые находятся в отмирающей массе лишайников.
Таким образом, мы видим, что в процессе своего роста и развития различные виды лишайников создают на одну и ту же единицу площади далеко не равноценную массу сухого вещества. Если допустить возможность сплошного покрытия каменистых поверхностей колониями листоватых лишайников, то мы будем иметь на площади в один гектар массу сухого вещества лишайников весом от двух до шести тонн. Весьма близкие к нашим данные получены А. Л. Кирсановым и Н. Дьячковым (3) для ветвистых лишайников Кольского полуострова.
При отмирании и минерализации этих значительных количеств сухого вещества в течение определенного периода времени, тонкая пленка мелкозема непрерывно пополняется важнейшими питательными элементами. Различные лишайники, сохраняя свою специфичность в отношении зольного состава, будут по-разному влиять на накопление элементов питания в мелкоземе. Так, например, лишайник, при меньшей массе органического вещества, накапливает на 1 м2 до 3,22 г азота, обладая значительно большей растительной массой, накапливает на ту же площадь 4,74 г азота и в значительно больших количествах, чем минеральные элементы—кальций, серу, фосфор и калий.
Исходя из того, что в современных условиях развитие почвообразовательного процесса идет под влиянием как высшей, так и низшей растительности, мы проанализировали ряд образцов древесных пород, чтобы иметь возможность судить о той роли, которую играют высшие растения в развитии биологического круговорота. Данные о зольном составе древесных пород приводятся в табл. 3 (см. стр. 63). При сопоставлении цифр, характеризующих величину содержания отдельных элементов в различных древесных породах, видно, что в небольшом количестве в сухом веществе растения накапливается азот. Наивысшее содержание его наблюдается в листьях березы и осины (1,90—1,98%). Из минеральных элементов в наибольшем количестве, накапливаются кальций и калий. Особенно велико содержание кальция в листьях березы и осины. В листьях же происходит интенсивное накопление магния. В корнях древесных пород накапливаются алюминий, железо и отчасти кремнезем. На основании сопоставления содержания минеральных элементов в золе древесных пород и в исходной горной породе мы можем построить следующие ряды биологического поглощения.
Как видно из этих рядов, в наибольшей степени избирательная способность растений проявляется по отношению к таким элементам, как сера, фосфор, калий и марганец. Менее интенсивно поглощаются кальций и магний. Сравнивая ряды, построенные для лишайников и древесных пород, мы видим, что в обоих случаях по интенсивности поглощения на первое место выходят одни и те же элементы с некоторыми вариациями в отдельных образцах. Так, у мелколиственных пород наблюдается более высокая требовательность к кальцию, нежели у хвойных. У молодых деревьев сосны и осины наблюдается ярко выраженная интенсивность поглощения марганца и т. д. В отношении же абсолютного накопления зольных элементов в сухом веществе лишайников и древесных пород отмечаются существенные качественные различия. Так, в теле лишайников, несмотря на довольно высокую аккумуляцию кальция и калия, накапливается кремнезема, железа и алюминия больше, чем в древесных породах, в сухом же веществе деревьев накапливается кальция, калия, серы и фосфора больше, чем в лишайниках.
При построении приведенных выше рядов биологического поглощения допущена возможность непосредственного извлечения элементов питания из горной породы. Однако на изучаемой территории почти повсеместно наблюдается развитие тонкого слоя мелкозема или вполне сформированного перегнойного горизонта, являющегося областью распространения мелких корней растений. В то же время крупные корни деревьев имеют довольно широкое распространение на поверхности горных пород и, несомненно, захватывают часть элементов питания непосредственно из рухляка выветривания. По-видимому, корни высших растений, так же как и литофильная растительность, обладают способностью разрушать кристаллическую решетку алюмосиликатов, судя по высокому содержанию в них алюминия. Определить, однако, какая часть элементов захватывается растением из породы, а какая из почвы — не представляется возможным.
Проведенный нами сопряженный валовой анализ древесных пород — почвы — горной породы, позволяет судить о том, в какой степени характер растительности оказывает влияние на качественный состав мелкозема, а следовательно, и на направление почвообразовательного процесса.
Как видно из табл. 4, большая величина потери от прокаливания свидетельствует о значительном накоплении органического вещества в перегнойном горизонте примитивных почв и о некоторой оторфянелости его.
В то же время в мелкоземе перегнойного горизонта происходит значительная аккумуляция фосфора, серы, калия, кремнезема, кальция и алюминия. Высокое содержание зольных элементов в данном горизонте, несомненно, является следствием биологической аккумуляции.
Как показывают аналитические данные, при длительном развитии почвообразовательного процесса при участии древесной разительности распределение минеральных компонентов в профиле почв соответствует дерново-подзолистым почвам (см. почву под березой).
При сопоставлении рядов биологического поглощения зольных элементов сосной и березой из горной породы и из почвы, выявляется одинаковая последовательность в избирательном поглощении фосфора, серы, калия, марганца и кальция. Различие лишь в том, что интенсивность поглощения из почвенного мелкозема несколько падает в соответствии с более высокой концентрацией этих элементов в перегнойном горизонте. Мы обратили внимание на необычайно высокое содержание азота в перегнойном горизонте почв Карелии и решили более тщательно изучить источники поступления азота в почву и проанализировать все растения, встреченные на обследованных площадях.
Анализ показал, что изучаемые образцы можно разделить по содержанию азота на 3 группы: наиболее бедными по содержанию азота являются различные виды ягеля и корни древесных пород (0,39—0,52 %); вторую группу составляют зеленые мхи, вереск, злаки и лишайник. Содержание азота в сухой массе этих растений колеблется в пределах 0,72—0,90%; третья группа, наиболее богатая по содержанию азота, объединяет листовые лишайники, листья и хвою древесных пород, разнотравье и перегнойные горизонты почв (1,01—3,08%). Особенно велико содержание азота. По-видимому, листоватые лишайники являются одним из основных источников снабжения почвы азотом.
В свое время П. А. Генкелем (2) было высказано утверждение о тройной природе лишайникового симбиоза. Автор на основании своих наблюдений пришел к выводу о наличии в теле лишайников клеток азотобактера, который и обеспечивает, по его мнению, азотистое питание лишайника. Последними работами Н. А. Красильникова (6, 7) это положение не подтвердилось. Исследование около 250 образцов лишайников показало полное отсутствие азотобактера. Н. А. Красильников установил, что в теле лишайников существует особая группа микроорганизмов олигонитрофиллов, способных к фиксации молекулярного азота воздуха. По его данным, в 1 г сухого вещества лишайников насчитывается до десятков и сотен тысяч олигонитрофиллов. И. Е. Мишустина (10) также высказала предположение, что в северных почвах процесс фиксации азота осуществляется группой аэробных олигонитрофильных бактерий.
Для выяснения причин высокого содержания азота в лишайниках и почвах Карелии мы произвели изучение микробного населения в образцах почвы и лишайников (табл. 6). Для этого были произведены высевы из десятого разведения на различные питательные среды. Исследования показали полное отсутствие в теле лишайников азотобактера. В то же время для листоватых лишайников характерно высокое содержание микроорганизмов, вырастающих на безазотистой среде, т. е. той группы, в которую входят и олигонитрофиллы. Установлено, что наиболее бедными по содержанию микроорганизмов являются ветвистые лишайники и в особенности ягель. В этом отношении наблюдается интересная зависимость между количеством микроорганизмов и зольностью лишайника. Чем выше его зольность, т. е. чем более обеспечено минеральное питание микроорганизмов, тем выше их количественное содержание. Так, лишайники 81егеосаи1оп и С1айоп\а, обладающие наименьшей зольностью, резко отличаются по численности микробного населения и, в частности, по содержанию группы олигонитрофиллов. В почве же под ягелем вновь резко возрастает содержание микробов. Высказанное предположение нуждается в дополнительных исследованиях. Несомненным остается тот факт, что в обеспечении примитивных почв Карелии азотом огромная роль принадлежит через лишайники, олигонитрофильным микроорганизмам.
Выводы
1. Развитие первичного почвообразовательного процесса на метаморфических породах Карелии в начальной стадии идет по типу дернового процесса.
С поселением хвойных пород усиливается подзолистый процесс.
2. В пределах одного биоценоза в биологический круговорот наиболее интенсивно вовлекаются одни и те же элементы — азот, фосфор, сера, калий и кальций. Специфична для Карелии высокая интенсивность поглощения марганца.
3. Корни древесных пород, подобно литофильной растительности, оказывают разрушающее действие на минеральную часть почвы, о чем свидетельствует их распространение на поверхности горных пород и высокое накопление в них кремнезема и алюминия.
4. Примитивные почвы Карелии обладают высокими запасами азота, фосфора, калия и кальция, что обусловливает хорошие лесорастительные свойства этих почв.
5. В азотном балансе примитивных почв Карелии огромная роль принадлежит лишайникам, как носителям специфической группы олигонитрофильных микроорганизмов.