ЭЛЕМЕНТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА В ЭКОСИСТЕМАХ КЕДРОВОГО СТЛАНИКА НА СЕВЕРО-ВОСТОКЕ РОССИИ

 

Пугачев А.А.  (ИБПС ДВО РАН, г. Магадан, РФ)

 

In report are considered dates on annual balance of the vegetable mass in Pinus pumila-forests on Northeast of the Russia, is given analysis of the operation in them biological rotation ash element and nitrogen.

 

По величине годичного прироста (1,3-3,8 т/га×год) экосистемы кедрового стланика относятся к очень малопродуктивным и малопродуктивным природным комплексам (Родин, Базилевич, 1965). В зависимости от экологических условий и возраста растений, участие основных компонентов фитомассы в создании прироста варьирует в широких пределах: фотосинтезирующих органов от 48 до 64%, многолетних одревесневших частей от 7 до 24% и корней от 20 до 33% от величины общего прироста. Особенностью характеризуемых экосистем является то, что более половины прироста приходится на кедровый стланик. Это существенно отличает кедрово-стланиковые заросли от ландшафтов лесотундры, в которых динамика растительной массы обусловлена, в основном, напочвенным покровом (Родин, Базилевич, 1965).

Величины ежегодного потребления химических элементов приростом  растительной массы в ландшафтах кедрового стланика невелики: 44 - 104 кг/га×год, в том числе на фотосинтезирующие орга­ны приходится 68 – 82%, многолетние одревесневшие части 5 – 18% и корни II - 23% от общего потребления. Подавляющее количество золь­ных элементов и азота аккумулируется хвоей кедрового стланика; в кедровнике шикшево-долгомошном велика также и роль осок; менее активно накапливаются химические элементы приростом стволов, ветвей и корней стланика. Участие кустарничков в этом процессе минимально.

Во всех исследованных фитоценозах наиболее интенсивно аккуму­лируется азот. В кедровниках шикшево-лишайниковом, багульниково-брусничном, багульниково-лишайниковом и шикшево-бруснично-лишайниковом второе место по этому показателю занимает группа элементов, включающая кальций и калий; в кедровнике шикшево-долгомошном - крем­ний, калий и кальций.

Косвенная характеристика интенсивности аккумуляции химических элементов из почвы приростом, полученная путем вычисления рядов биологического поглощения показала: во всех кедрово-стланиковых ландшафтах из минеральной части почвенных профилей наиболее энергично поглощается кальций, затем калий и марганец.

Обращает внимание активное потребление железа в кедровниках шикшево- лишайниковом и багульниково-брусничном с чем, видимо, связано относительное накопление его в верхних минеральных горизонтах; в кедровнике шикшево-долгомошном коэффициент поглощения Fe меньше единицы, что коррелирует с интенсивной его аккумуляцией в иллювиальной части профиля.

Снижение степени элювиальности ландшафтов обусловливает уменьшение активности поглощения биофильных элементов. В отличие от лесотундры и тайги Кольского полуострова, кедрово-стланиковые заросли характеризуются меньшей избирательной способностью по отношению к марганцу и калию, и большей – кальцию и железу.

Учитывая активное вовлечение кальция в биологический кругово­рот можно предположить, что неусредненность кислого органического вещества в почвенном профиле подзолов и подбуров обусловлена мед­ленным высвобождением щелочно-земельных элементов из разлагающегося опада и быстрым вовлечением их в новые циклы биологического круговорота.

Накопление химических элементов в фитомассе экосистем стлани­ка варьирует от 546 до 1000 кг/га, в том числе на фотосинтезирующие органы

приходится от 19 до 37% этого количества,  многолетние одревесневшие час­ти 53 -60% и корни 10 – 28%. Значительное накопление химических элементов в фотосинтезирующих органах кедровника багульниково-лишайникового (52%) обусловлено значительной охвоенностыю ветвей и развитием кустарничково-лишайникового покрова.

По содержанию химических элементов кедрово-стланиковые зарос­ли близки с низкобонитетными лесами и болотами Европейской части России. Из общей суммы на долю азота приходится до 40%. Вторую груп­пу элементов по активности их накопления в фитомассе образуют каль­ций, калий и сера. Такой характер аккумуляции, за исключением се­ры, присущ ельникам таежной зоны, некоторым сообществам восточноев­ропейской лесотундры и кустарничково-лишайниковым тундрам кольско-карельской провинции (по Родин, Базилевич, 1965).

По сравнению с приростом, в фитомассе менее активно накаплива­ются магний, железо, фосфор, алюминий, марганец и, отчасти, сера, что связано с изменением химического состава растений с возрастом.

Роль зеленых фотосинтезирующих органов в аккумуляции химичес­ких элементов возрастает с 11 – 12% от участия их в общей биомассе, до 23 – 29% в сумме минеральных веществ. Это несколько выше, чем в ельниках- зеленомошниках крайней северной тайги. Больше половины общего запаса элементов аккумули­руется многолетними надземными органами. Следовательно, распреде­ление химических элементов в фитомассе рассматриваемых экосистем аналогично распределению их в редкостойных, низкобонитетных зеленомошных лесах лесотундровой и таежной зон Европейской части Рос­сии. Однако аккумуляция в них азота более интенсивна.

Количество ежегодно возвращаемых с опадом химических элементов значительно ниже их ежегодного потребления: 20 - 71 кг/га×год, в том числе на долю фотосинтезирующих органов приходится 66 – 93%, многолетних надземных частей I – 7% и корней 7 – 27%. Подавляющая часть химических элементов сосредоточена в хвое кедрового стланика. Доля участия в составе опада листьев кустарничков, лишайников и мхов значительно меньшая и различна в сравниваемых фитоценозах.

Средневзвешенное содержание в опаде азота составляет около  0,6%, т.е. является чрезвычайно низким по сравнению с фитоценозами более южных широт. Оно возрастает от кедровников горных склонов (1,00 - 1,03%) к кедровникам межгорных впадин (2,11%), характеризую­щихся развитым травяно-моховым покровом.

Экосистемы кедрового стланика заметно различаются по соотно­шению возвращаемых химических элементов. В кедровниках шикшево-лишайниковом и багульниково-брусничном наиболее активно возвращаются азот и кальций, в кедровнике шикшево-долгомошном - кремний, азот  и кальций. По сравнению с приростом, активность возврата кальция, калия, кремнезема и марганца выше, чем их ежегодное потребление. Фосфора, серы и натрия, наоборот, ниже.

Подавляющая часть возвращаемых химических элементов накапли­вается в опаде прошлых лет. Их количество в кедровнике багульниково-брусничном превышает ежегодный опад в 65 раз, в шикшево-лишайниковом - 48 раз, шикшево-долгомошном - 4б раз. Ряды накопления элементов в рассматриваемом компоненте биомассы следующие: в шикшево-бруснично-лишайниковом - кальций> азот> калий> магний> кремний> алюминий> железо> сера> фосфор> натрий; багульниково-брусничном - кальций> азот> кремний> калий> магний> алюминий> марганец> железо> сера> фосфор> натрий; шикшево-долгомошном - кремний, азот, кальций, калий, магний, фосфор> алюминий> марганец> железо> сера> натрий. Сравнение этих рядов с рядами по приросту показывает, что активность возврата кальция, калия, крем­ния и марганца выше, чем их поглощение, а фосфора, серы и натрия - ниже.

При сопоставлении характера консервации химических элементов в подстилках двух контрастных типов кедровников выявляется следую­щее: с переходом от кедровника шикшево-лишайникового к кедровнику багульниково-брусничному относительно увеличивается накопление азо­та, кальция, калия, марганца и уменьшается – кремния, алюминия, серы, магния. Это обусловлено как геохимическими особенностями сравниваемых ландшафтов, так и изменениями структуры подстилок.

В процессе минерализации и гумификации химичес­кий состав мертвых растительных остатков претерпевает значительные изменения. Анализ рядов выноса-накопления указывает на то, что в опаде растительной массы прошлых лет по сравнение со свежим опадом происходит активное накопление серы, железа и азота. Такие элементы как кремний, кальций, калий, магний, алюминий и марганец в одних случаях выносятся, в других - аккумулируются. На более поздних стадиях разложения происходит интенсивное накопление кремния, кальция, магния и азота. Значительно слабее выражена аккумуляция фосфора, железа и алюминия. Содержание калия и марганца в торфянистых горизонтах заметно снижается, что связано как с вовлечением их в новый цикл биологического круговорота, так и выносом в минеральные горизонты почвы.

Следовательно, основные биофильные элементы (азот, кальций, возможно, калий) энергично накапливаются в отмершей растительной массе и лишь отчасти выносятся за пределы ландшафта. В подземной части кедрово-стланиковых фитоценозов сосредоточено от 47 до 72% от общих запасов зольных элементов и азота. Основная масса их ак­кумулируется в сухоторфянистых и перегнойных горизонтах. Существен­ное участие в консервации химических элементов принимает измельченное органическое вещество и мелкие корни.

По качественному составу основных аккумулируемых элементов  надземные и подземные части экосистем близки: азот, кальций, ка­лий. Отличительной особенностью является увеличение участия железа, кремния и алюминия в корневой массе, что обусловлено наличием труд­но отделимых механических примесей и пропитыванием опада минерали­зованными почвенными растворами.

Основными химическими элементами, накапливающимися в общей биомассе кедрово-стланиковых ландшафтов, является азот, кальций и калий. Значительно менее интенсивно аккумулируются остальные золь­ные элементы. В порядке убывания они располагаются в следующий ряд: железо> кремний> сера> магний> алюминий> фосфор> марганец> натрий. Запасы железа превышают таковые кремния в фитоценозах со значительным участием лишайников; магний, сера и алюминий не обнаружи­вают четких закономерностей; фосфор, марганец и натрий накаплива­ются в минимальных количествах.

Контрастность биологического круговорота, представляющая собой отношение содержания химических элементов в составе биомассы супераквального элементарного ландшафта к емкости смежного элювиального ландшафта, находящегося в геохимическом сопряжении с первым, возрастает при переходе от северо-таежных биогеоценозов (0,84 :1,00) к кедрово-стланиковым ландшафтам (0,77; 1,00). В соответствии с клас­сификацией Л.Е.Родина и Н.И.Базилевич (1965) кедрово-стланиковые ландшафты могут быть охарактеризованы как (калиево-)-кальциево-азотные, низкозольные, очень мало- и малопродуктивные, застойные и сильнозаторможенные.

Литература

Родин Л.Е. и Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара.- М.:Л.: Наука, 1965.-254 с.