Соотношение содержания углерода и азота в почвах литальза-ландшафтов в долине р. Сенца, Восточный Саян

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 18-05-60272 Арктика)

Введение

Цель данного исследования: выявить локальные особенности распределения углерода и азота, связанные с формированием литальза.

Одним из показателей, отражающих специфику органического вещества почв является молярное отношение C/N рассчитано по результатам определения входящих в состав гумуса углерода и азота. Как известно, для большинства гумусовых горизонтов почв характерна величина C/N, равная 8-10 ^[1]. Очень высокое отношение (18-20) свойственно красноземам и грубогумусным горизонтам лесных почв. Низкое отношение C/N (2-3) характерно для очень бедных гумусом горизонтов.

Литальза (бугры пучения) – характеризуются отсутствием перекрывающего торфяного горизонта и ледяным ядром, образованным сегрегационным льдом ^{[2, 3, 4]}. Литальза являются весьма чувствительными индикаторами современных климатических и антропогенных изменений ^[5]. Высота литальза в среднем составляет 6-8 м, их диаметр варьирует от 50 до 100 м ^{[3, 6]}.

При их формировании изменяются условия увлажнения почв, экспозиция и крутизна склонов, как следствие изменяется состав фитоценозов, что приводит к смене преобладающих геохимических процессов, определяющих характер трансформации органических остатков. Поэтому изучение органического вещества в ландшафтах с развитыми литальза, позволяет оценить закономерности развития природной среды в криолитозоне ^[3].

Объект исследований

Литальза (рис. 1) изучены на Окинском плоскогорье в долине р. Сенца (52°39.827′ с.ш., 99°29.858′ в.д.), в юго-восточной части Восточного Саяна, Республика Бурятия (рис. 2, a). Рыхлые аллювиальные и озерно-аллювиальные отложения, накопившиеся в пределах речной долины, стали благоприятной средой для широкого развития процессов пучения и как следствие - образования литальза на поверхности поймы и надпойменной террасы р. Сенца ^[7].

Рис. 1. Литальза в долине р. Сенца. Фото Ю.К.Васильчука

Рис. 2. Положение ключевого участка с литальза в долине р. Сенца (а) и локализация изученных литальза обозначенных в тексте под номерами 1, 2, 3.

На Окинском плоскогорье в настоящее время преобладает флювиальное рельефообразование с участием делювиальных и мерзлотных процессов ^[8]. Долина р. Сенца (левый приток р. Оки), расположена в северо-западной части Окинского плоскогорья в широкой троговой долине с глубиной вреза 600—800 м, ее длина 65 км ^[9]. В долине р. Сенцы сформированы два уровня поймы высотой 2 и 4 м и терраса высотой 25 м. В днище долины распространены пойменные и термокарстовые озера ^[8]. Согласно полевым наблюдениям ^[10] в годы интенсивного выпадения осадков р.Сенца значительно повышает свой уровень и затапливает межбугорные понижения.

Район характеризуется резко континентальным климатом с суровой малоснежной зимой (средняя температура января –21,7 °С) и теплым летом (средняя t июля +13,8 °С). Среднегодовая температура воздуха в зависимости от абсолютной высоты изменяется от –5,6 °С (1372 м) до –6,6 °С (2084 м) ^[11]. Окинское плоскогорье характеризуется небольшим среднегодовым количеством осадков около 400-450 мм.

Согласно почвенно-географическому районированию территория Окинского плоскогорья относится к горно-таежной зоне с проявлением вертикальной зональности. В южной части горно-таежной зоны на южных безлесных склонах формируются серогумусовые почвы, а на северных – подбуры грубогумусированные и буроземы оподзоленные ^[12].

Для Окинского плато характерна структура растительности разных высотных уровней. На высоте 1450-1600 м на макросклонах южной экспозиции распространены фитоценозы лесостепного пояса. Сочетания травяных лиственничных лесов (Larix sibirica, Poa krylovii, Festuca pseudovina, Carex kirilowii) встречаются на уступах и в распадках склонов Криоксерофитные степи (Poa attenuata, Festuca lenensis, Iris humilis) приурочены к крутым склонам коренных террас. В долинах рек интразональные сообщества характеризуются сочетаниями прирусловых зарослей кустарников (Salix sp., Betula gmelinii) с травянистыми осиново-тополево-лиственничными лесами, местами с елью и кедром на прирусловых валах, а также суходольных разнотравных лугов с луговыми степями на внутрипойменных и надпойменных террасах ^[13]. На высоте 1600-1800 м растительность относится к горно-таежному поясу, на макросклонах южной экспозиции это сочетания лиственничных и кедрово-лиственничных лесов (Larix sibirica, Pinus sibirica) с криофитными степными сообществами и субаль­пийскими лугами в ложбинах. На северных макросклонах встречаются сочетания мохово-лишайниковых кедрово-лиственничных лесов с березово-кедрово-лиственничными кустарниково-травяными (Larix sibirica, Pinus si­birica, Spiraea media, Lonicera altaica, Vaccinium uliginosum) и сочетания субальпийских лугов с ерниками ^[13]. В долине р. Сенца встречаются луговые и лугово-болотные комплексы из Ranúnculus ácris, Festuca pratensis, Carex nigra, C. sajanensis, приуроченные к участкам с повышенным увлажнением. Как правило, это низкая пойма и районы распространения термокарстовых озер в долине р. Сенца, занятые ивняково-луговыми и разнотравно-луговыми ассоциациями. По данным полевых исследований авторов на склонах бугров пучения растительность разнотравно-злаковая, проективное покрытие от 25 до 70%. Почвы – в основном маломощные суглинистые и супесчаные подбуры и дерново-подбуры. В межбугорных понижениях часто встречаются термокарстовые озера, растительность в понижениях более гидрофильна, встречается кровохлебка (род Sanguisórba), среди почв преобладают торфяно-криоземы и торфяно-глееземы. Вершина наиболее крупного из исследованных литальза (№1 на рис. 2, б) на левом берегу р. Сенца (52º39.827' с.ш., 99º29.858' в.д., абсолютная высота 1395 м) покрыта лесом, в древесном ярусе преобладает лиственница. Склоны гор правого борта долины также покрыты лесом, помимо лиственницы в составе древесных пород встречается кедр.

В пределах Окинского плоскогорья криолитозона имеет сплошное распространение с тенденцией уменьшения в западном и северо-северо- восточном направлении. Мощность многолетнемерзлых пород на междуречных пространствах в среднем составляет 170-200 м, а в долинах рек – 140-180 м. Сквозные талики отмечаются в зонах разломов, несквозные талики, связаны с отепляющим влиянием поверхностных водотоков и водоемов. Среднегодовая температура мерзлых пород изменяется в пределах –3…–8,5 °С ^[11].

Методы

Отбор образцов производился в течение двух полевых сезонов 2016 и 2017 гг. на ключевом участке долины р. Сенца (см. рис. 2, а). Изучены почвы четырех литальза, три из них расположены компактно (см. рис. 2, б). Образцы отобраны из генетических горизонтов почв, расположенных в различных геоморфологических позициях (табл. 1): на вершинах, склонах и у подножий литальза, а также в ложбине на его вершине. Изученные литальза расположены на низкой и высокой поймах, а также в осушенной озерной котловине. Всего изучено 19 разрезов, из которых соотношение C/N проанализировано в 70 образцах.

Таблица 1. Геоморфологическая позиция точек заложения разрезов для отбора образцов в верхней части литальза в долине р. Сенца

Пробоподготовка включала в себя высушивание образцов почв до воздушно-сухого состояния, растирание в фарфоровой ступке и просеивание через сито диаметром ячеек 0,25 мм.

Содержание углерода и азота в образцах определено по методу Дюма с помощью элементного CHNS-анализатора VARIO EL III V4.01 20.Aug. 2002, Elementar Analysensysteme GmbH, Германия. Точность – 0,1% от абсолютной величины при одновременном определении CHNS в 2 мг сульфаниловой кислоты; относительная ошибка менее 0,2 %.

Результаты

Высота наиболее крупного исследованного бугра (литальза № 1, см. рис. 2, б) составляет 10,7 м по наклонной поверхности, высота литальза № 2 составляет 5 метров, высота литальза №3 составляет 3,5 метра ^[14]. Глубина сезонно-талого слоя на поверхности бугра составляет 0,6-0,7 м, в обводненной части межбугорных понижений глубина протаивания - до 5 м, а в необводненной части до 1,5 м.

Почвенный покров в пределах литальза ландшафта на ключевом участке представлен почвами отдела альфегумусовых почв - подбуры иллювиально-гумусовые, в межбугорном понижении, периодически заливаемом паводковыми водами сформированы почвы отдела глеевых почв - торфяно-глееземы и торфяно-криоземы. На поверхности литальза № 1 на автономной позиции под лиственничным лесом описан дерново-подбур. Ниже по пологому склону под злаково-разнотравной растительностью подбуры иллювиально-гумусовые, и подбуры иллювиально-гумусовые зоотурбированные с включениями мезофильного торфа и угля на глубине 8-20 см.

В автономной позиции на вершине литальза №2 описан дерново-подбур (Entic Folic Podzol Loamic) ниже по склону также формируются дерново-подбуры с включениями торфа, разложившихся остатков древесины. В нижней части литальза в почвенном покрове появляются торфяно-подбуры (Entic Histic Podzols Loamic). Древесная растительность на поверхности литальза №2 редка, представлена единичной лиственницей. Органогенные горизонты литальза № 2 более мощные, по сравнению с литальза бугры № 1 и 3.

На поверхности литальза №3 нет древесной растительности, но встречен хорошо сохранившийся корень. На вершине бугра в автономной позиции сформировался подбур типичный, ниже по склону подбур иллювиально-гумусовый и вблизи межбугорного понижения подбур зоотурбированный с включениями мезофильного торфа. Со стороны террасы р. Сенца сухоторфяный подбур пирогенный криотурбированный перекрывается аллювиальным суглинистым наносом с сформированным на нем торфяным горизонтом.

Межбугорное понижение отличается более гидрофильной растительностью с проективным покрытием до 100%. Его можно разделить на два типичных участка. Первый – регулярно заливаемая паводковыми водами слабоволнистая поверхность с торфяно-глееземами (Histic Gleysol loamic), второй – участок с туфурами – мелкими бугорками, высотой 20 см диаметром 40 см и формирующимися внутри них торфяно-криоземами. На пологом склоне развиты подбуры иллювиально-гумусовые и подбуры иллювиально-гумусовые зоотурбированные с включениями мезофильного торфа и угля на глубине 8-20 см. Ниже по склону почвы классифицируются как подбуры оподзоленные ввиду появления отбеленных минеральных частиц в верхней части иллювиально-гумусового горизонта. У подножия бугра подбур иллювиально-гумусовый погребен аллювиальным наносом, на котором сформирован оторфованный горизонт. Прослой погребенного торфа изгибается в соответствии с формой поверхности бугра, мощность торфяного прослоя максимальна в межбугровом понижении, и минимальна в месте перегиба от понижения к бугру. Поэтому можно предположить, что погребенный горизонт торфа сформировался до начала роста литальза. Почвообразующие породы, вскрываются с глубины 0,6-1,1 м, представлены суглинками темно-серыми, средними пылеватыми с содержанием глины 20-29% ^[15]. Слой сезонного протаивания на вершине бугра составляет 1,1 м. В интервале 2,85-3,25 м залегает ледяное ядро - линза льда молочно-белого цвета с редкими минеральными включениями размером 2-3 см. Во всех почвенных разрезах отмечены линзы и горизонты мезофильного торфа мощностью около 10 см в диапазоне глубин от 8 до 20 см. На вершинах литальза линзы торфа практически не встречаются.

Таблица 2. Содержание углерода и азота в органических и органо-минеральных горизонтах почв в верхней части разреза литальза в долине р. Сенца

Органические и органо-минеральные горизонты характеризуются следующими показателями: содержание азота (N) − 0,45-1,73% среднее значение − 0,83%, содержание углерода (С) – 2,52-11,56%, среднее значение 6,86%, соотношение C/N изменяется в диапазоне 6,2-12,9, среднее значение 9,33. При этом на вершинах литальза на автономной позиции содержание углерода в органических и органо-минеральных горизонтах в среднем составляет 6,17%, азота – 2,64 %. Самые высокие значения содержания углерода и азота отмечены в образцах, отобранных у подножий литальза и в ложбине на вершине литальза, минимальные на склонах (табл. 2). Отношение углерода к азоту варьирует в диапазоне 10 – 12.9 отмечается в большинстве случаев у подножий бугров в пределах поймы р. Сенца (рис. 3, 4).

Рис. 3. Содержание углерода (%), азота (%) и отношение C/N в органических и органо-минеральных горизонтах почв

Рис. 4. Отношение C/N углерода и азота в органических и органо-минеральных горизонтах почв

Таблица 3. Содержание углерода и азота в погребенном торфяном горизонте в верхней части разрезов литальза в долине р. Сенца

Рис. 5. Содержание углерода (%), азота (%) и отношение C/N в погребенном торфяном горизонте в почвах литальза в долине р. Сенца

Рис. 6. Отношение C/N в погребенном торфяном горизонте в почвах литальза в долине р. Сенца

Линзы погребенного торфа характеризуются следующими показателями: содержание N − 0,60-2,28% среднее значение − 1,31%, содержание С – 4,15-26,14%, среднее значение 12,68%, отношение C/N в диапазоне 7,78-13,76, среднее значение 10,58. На вершинах литальза погребенные линзы торфа практически не встречаются. Самые высокие значения содержания углерода и азота отмечены у подножий литальза, минимальные на склонах (табл. 3). Отношение углерода к азоту в диапазоне 10 – 12,9 отмечается в большинстве случаев в горизонтах, изученных у подножий бугров в пределах поймы р. Сенца (см. рис. 5, 6).

Таблица 4. Содержание углерода и азота в иллювиальном горизонте почв в верхней части разрезов литальза в долине р. Сенца

Иллювиальные срединные почвенные горизонты характеризуются следующими показателями: содержание N − 0,30-0,89% среднее значение − 0,54%, содержание С – 2,19-55,61%, среднее значение 9,49%, отношение C/N в диапазоне 5,85-101,20, среднее значение 18,78. Максимальное значение содержания углерода 55,61%, получено на пологом северо-западном склоне литальза. Столь высокие значения содержания углерода в других разрезах не зафиксированы. Предполагается, что это значение не отражает закономерностей распределения углерода в иллювиальном горизонте, а может быть связано с наличием включений угля и древесины пирогенного происхождения, поэтому значение 101,20 соответствует значению этого показателя в древесине ^[16]. Если исключить это значение, то диапазон содержания углерода составит 2,19-5,64%, среднее значение 3,73%, отношение C/N находится в диапазоне 5,85-11,34, среднее значение 8,48. Самые высокие значения содержания углерода и азота отмечены у подножий литальза и на вершине небольшого литальза на низкой пойме, минимальные на вершине крупного литальза (табл. 4). Значения отношения углерода и азота более 10 отмечается в почвенных разрезах с линзами ископаемого торфа (рис. 7, 8).

Рис. 7. Содержание углерода (%), азота (%) и отношение C/N в иллювиальном срединном горизонте почв в разрезе литальза в долине р. Сенца

Рис. 8. Отношение C/N в иллювиальном срединном горизонте почв, а – с учетом максимального значения, б – максимальное значение исключено, литальза в долине р. Сенца

Таблица 5. Содержание углерода и азота в почвообразующей породе в разрезе литальза в долине р. Сенца

Почвообразующая порода на ключевом участке с литальза представлена озерно-аллювиальными отложениями, в основном суглинками средними пылеватыми с агрегированно-скелетной микроструктурой, содержание физической глины составляет 20-30% ^[15]. Этот горизонт характеризуются следующими показателями: содержание N − 0,31-1,60% среднее значение − 0,54%, содержание С – 1,3-9,06%, среднее значение 3,77%, отношение C/N в диапазоне 4,30-11,15, среднее значение 8,36. Самые высокие значения содержания углерода и азота отмечены у подножий литальза и в иллювиальном срединном горизонте литальза на высокой пойме, минимальные в разрезе ложбины на вершине литальза и в иллювиальном срединном горизонте почвенного профиля на высокой террасе (табл. 5, рис. 9, 10).

Рис. 9. Содержание углерода (%), азота (%) и отношение C/N в почвообразующей породе в разрезе литальза в долине р. Сенца

Рис. 10. Отношение C/N в почвообразующей породе в разрезе литальза в долине р. Сенца

Дискуссия

Литальза в долине р.Сенца сформировались совсем недавно, о чем свидетельствуют ¹⁴С датировки, полученные из разрезов литальза (рис. 11). Был датирован мезофильный торф, линзы которого отмечены практически во всех почвенных разрезах, а также ствол дерева в позиции «in situ» ^[10].

Рис. 11. Радиоуглеродные датировки в почвенном покрове литальза в долине р. Сенца, Восточный Саян, 1 – линзы торфяных горизонтов; 2 – разложившаяся древесина; 3 – древесные остатки (корни, ветки); 4 – ¹⁴С возраст, лет назад; 6 – порядковый номер бугра пучения (см. табл. 1); 6 – граница сезонно-талого слоя; 7 – мёрзлый суглинок; 8 – сезонно-талый слой; 9 – линзы льда [по 10]

Калиброванный возраст мезофильного торфа в разрезе подбура иллювиально-гумусового турбированного со склона литальза 1 с глубины 26-27 см составил 494-56 лет (1522-1960 гг.), линза мезофильного торфа разреза подбура иллювиально-гумусового с глубины 20 см имеет радиоуглеродный возраст 220 ±100 лет, калиброванный возраст составил 536-56 лет (1480-1960). Поскольку горизонт погребенного торфа облекает литальза истончаясь на перегибах, можно предположить, что возраст бугров пучения не старше возраста линз торфа в почвах на склонах бугра, т.е. не старше 500 лет ^[10]. Близкие результаты получены по оценке возраста на основе радиоуглеродного датирования подбуров и дерново-подбуров в Центральном Алтае на моренах ледника Актру ^[17], которые сформировались в течение последних 500 лет.

Калиброванный возраст высохшего ствола дерева, сохранившегося в прижизненной позиции на склоне литальза, находится в диапазоне 342-75 лет назад, а разложившейся древесины на глубине 20 см в дерново-подбуре на автономной позиции составил 616-56 лет назад. Очевидно, причиной отмирания дерева послужил рост литальза в результате пучения, поскольку корневая система лишилась доступа к влаге. Возраст разложившейся древесины может указывать на приблизительный возраст почвенного покрова бугра, то есть покров не старше 600 лет.

Калиброванный возраст погребенного под аллювиальным наносом торфа у подножья бугра 3 попадает в интервал 712-563 лет назад. Слой торфа повторяет форму поверхности литальза, следовательно, он начал накапливаться до начала пучения, т.е. интенсивное формирование литальза происходило позднее 700-500 лет назад. Отметим, что близкий возраст имеют почвы, перекрывающие литальза в пределах Северо-Западных территорий Канады в 30 км к западу от г. Йеллоунайф в районе Большого Невольничьего озера (62° 32’ с.ш.; 114° 58’ з.д.). Калиброванный возраст формирования литальза установлен в одном из массивов в интервале от 1770 - 1610 лет назад до 280 –70 лет назад ^[18].

Почва, аккумулирующая в себе значительные количества слабогумифицированного органического вещества, является одним из основных пулов углерода. Большая часть азота входит в состав органических соединений гумуса. Помимо этого, небольшая часть азота находится в составе минеральных солей: нитраты, нитриты, соли аммония. Молярным соотношением азота и углерода принято характеризовать обеспечение азотом гумуса. Например, обычно высокое и среднее содержание азота характеризуется соотношением C/N = 8-10 ^[1].

В районе развития литальза в долине р. Сенца органо-минеральные и органические горизонты почв характеризуются средним значением отношения C/N 9,33. Разница по данному показателю между органическими и органо-минеральными горизонтами почв в ложбинах и на склонах достигает 6 и более единиц (см. рис. 4). Отношение C/N в прослоях и линзах погребенного мезофильного торфа тоже варьирует довольно существенно - разница также достигает 6 и более единиц, однако среднее значение чуть выше чем в органических и органо-минеральных горизонтах почв 10,58. Самые высокие значения содержания углерода и азота отмечены у подножий литальза, минимальные на склонах. В иллювиальном срединном горизонте встречаются пирогенные включения угля и древесины, что может приводить к увеличению отношения C/N от 5,8 до 101,20, при среднем значении среднее значение 18,78. Если исключить образец с повышенным содержанием угля и древесины, то в иллювиальном горизонте вариации величины отношения C/N даже несколько ниже меньше 6, чем в поверхностном горизонте и в горизонте ископаемого торфа, среднее значение отношения C/N также несколько ниже, чем в остальных исследованных горизонтах почв - 8,48. При этом вполне ожидаемо высокие значения содержания углерода и азота отмечены у подножий литальза. В почвообразующей породе отношение C/N практически такое же, как и в иллювиальном горизонте в диапазоне, среднее значение 8,36. Распределение максимальных значений аналогично иллювиальному срединному горизонту.

Анализ опубликованных данных показал, что для почв криогенных ландшафтов других регионов отмечаются более высокие значения отношения углерода к азоту. Содержание азота и углерода было исследовано на острове Самойлова, который территориально относится к дельте р. Лены ^[19]. Исследованы почвы двух разных геоморфологических уровней (криозем глееватый торфяноглеезем и псаммоглеезем). В почвах, сформировавшихся в дельте Лены содержание азота в почвах голоценовой террасы выше, чем в почвах поймы. С увеличением глубины почвенных профилей содержание азота снижается от 0,51% на поверхности речной террасы в торфяной подстилке до 0,21% на глубине 0,98-1,00 м, и от 0,19% на поверхности поймы до 0,05% на глубине 0,98-1,0 м. Содержание углерода варьирует в широком диапазоне 0,17% до 42,46% в почвах голоценовой террасы и несколько более узком в почвах поймы от 0,13% до 27,71%. Отношение C/N изменяется между 9 и 70 и существенно различается в почвах террасы и поймы. Среднее значение соотношения C /N в самом верхнем почвенном горизонте 41 на террасе и 21 на пойме, на глубине 0,98-1,0 м среднее значение соотношения C /N составляет 21 в разрезе речной террасы и 13 в разрезе поймы ^[20].

Исследования отношения C/N болотном комплексе Рахесуо на востоке Финляндии показали, что как на влажных, так и на дренированных участках болота отношение C/N максимально в верхних горизонтах (0-25 см) почв низинного болота достигая величины 78 и в верхних 0-15 см торфа почв верхового болота - до 71. Минимальное значение соотношения C/N - 27,3 наблюдалось в нижней части профиля ^[20].

Один из важных факторов, определяющих значение отношения C /N – это размерность частиц органического вещества ^[21]. Было установлено, что наблюдается прямая зависимость между размером фракции и отношением С/N. Также получено подтверждение того, что содержание углерода и отношение С/N в денсиметрических фракциях обратно пропорционально их плотности.

Выводы

Почвы криогенных ландшафтов литальза в долине р. Сенца характеризуются высокой вариабельностью показателя C/N от 4,3 в почвообразующей породе до 13,4 в органических горизонтах. Максимальное значение 101,20 установлено образце иллювиального горизонта BHF, что обусловлено присутствием в данном слое большого количества пирогенных включений угля и древесины. Специфический химический состав данных включений (высокое содержание углерода и пониженное азота) обусловлен их термической трансформацией.

Анализ распределения C/N в генетических горизонтах исследованных почв показал, что наиболее высокие средние значения данного отношения наблюдаются прослоях и линзах мезофильного торфа (среднее значение 10,58, при диапазоне значений 7,8-13,4). Немного ниже значения в органических и органо-минеральных горизонтах. Среднее значение соотношения C/N составляет 9,33, однако диапазон значений совпадает с погребенными торфяными слоями (6,2-12,9). Это позволяет говорить о криогенной консервации погребенного органического вещества при формировании литальза.

Минимальные отношения углерода и азота установлены для иллювиального горизонта почв и почвообразующей породы (8,48 и 8,36). Снижение отношения С/N в этих горизонтах может быть обусловлено ростом содержания минеральных форм азота в результате их выноса из верхних горизонтов почв.

Благодарности

Авторы искренне признательны д.г.-м.н. С.В. Алексееву за помощь в полевых исследованиях.