Изменение минералогического состава пород под действием пионерной растительности при зарастании карьеров

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Биология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сер. 3 2008 Вып. 1
УДК 581. 524. 34
О. И. Сумина, С. Н. Лесовая, Л. Л. Долгова
ИЗМЕНЕНИЕ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОРОД ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПИОНЕРНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ПРИ ЗАРАСТАНИИ КАРЬЕРОВ*
При заселении свободных минеральных субстратов сукцессии растительности идут по типу первичных, их примером могут служить процессы зарастания карьеров строительных материалов, при эксплуатации которых полностью уничтожается почвенно-растительный покров на значительных территориях. Такие карьеры представляют собой удобный полигон для изучения изменения минералогического состава почв и пород на первых этапах восстановительных сукцессий. Почвенно-минералогические исследования субстратов под формирующимися растительными сообществами позволяют понять суть педогенного преобразования минералов, выявить особенности их трансформации под действием различных групп растений.
В настоящее время известно, что направление процессов почвообразования на щебнистых породах обусловлено составом (богатством) пород, а также степенью их устойчивости к процессам выветривания [4, 9]. Анализ литературных данных, посвященных изучению изменений пород различного состава под действием растительных сообществ, показал, что наибольшее воздействие на минералогический состав оказывают лишайники [12]. В результате происходят трансформация силикатной матрицы и извлечение железа органическими кислотами из силикатов [14, 15, 16]. Исследование почвообразования на плотных породах основного и щелочного состава на северо-западе России выявило, что даже под лишайниковыми (мохово-лишайниковыми) группировками не происходит настолько сильного педогенного изменения минеральной матрицы, в результате которого появились бы слоистые силикаты в тонких фракциях почв при условии их изначального отсутствия в породах [3]. Действие сосудистых растений на минеральную матрицу почв в основном изучено в экспериментальных условиях. На примере полевых шпатов показано, что под хвойными породами эти минералы растворяются быстрее, чем под широколиственными [11]. Неодинаковое растворение гальки гранита и доломита в почвах под растительными сообществами объяснено различием во влажности лесных и луговых почв [13].
Целью наших исследований было изучение влияния растительных сообществ различных стадий первичной сукцессии и условий экотопа на минералогический состав песчаных пород зарастающих карьеров в условиях лесотундры.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования послужили зарастающие песчаные карьеры в лесотундре Западной Сибири (окрестности г. Лабытнанги, ЯНАО). Время зарастания разных карьеров, разработанных на месте елово-березово-лиственничных кустарничково-лишайниково-моховых редин, составляло около 15 и 40 лет (далее называем их соответственно «молодым» и «старым» карьерами). Этого времени оказалось недостаточно для формирования почвенного профиля с выраженными генетическими горизонтами, поэтому отбираемые пробы субстратов рассматривались как почво-грунты.
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 06−04−48 515)
О О. И. Сумина, С. Н. Лесовая, Л. Л. Долгова, 2008
Пробы отбирали непосредственно под моховым или лишайниковым покровом и на глубине 3 см, а на участках, где мхи и лишайники отсутствовали (под группировками цветковых растений), пробы брали с глубины 1−2 и 5−7 см. Точки отбора образцов характеризуют основные экотопы карьеров и стадии восстановительной сукцессии (описание участков приведено ниже).
Из отобранных проб почво-грунтов выделена илистая фракция (& lt-0,001 мм) методом Горбунова, осаждение суспензии проведено 1н 1У^С12. Минералогический состав илистой фракции, как наиболее отзывчивой к внешнему воздействию, изучен в ориентированных образцах рентген-дифрактометрическим методом на приборе ДРОН-2 (монохроматор, кобальтовый анод). Актуальная кислотность в пробах определена потенциометрическим методом.
Результаты исследования. Исследование минералогического состава почво-грунтов проводилось на участках с различным увлажнением, растительность которых соответствовала разным стадиям восстановительной сукцессии (таблица).
Основные показатели обследованных участков зарастающих карьеров
Номер участка Возраст карьера, годы Увлажнение Проективное покрытие, % РН"0″" на глубине Изменение минералогического состава илистой фракции
общее мхов лишайников 1−2, см 5−7, см
1 15 Сухо 5−10 — - 6,3 6,4 Нет
2 15 Сыро 30−40 — - 5,6 5,7 «
3 40 «70−75 20 — 4,8 5,2 «
4 40 Влажно 95 45 — 5,2 5,0 «
5 40 Сухо 100 — 100 5,3 5,6 Есть
6 40 Сыро 100 100 — 5,0 5,2 «
Участок 1. Несомкнутая (общее покрытие растительности 5−10%) пионерная группировка с преобладанием Chamaenerion angustifolium и Salix viminalis. Мхи и лишайники отсутствуют. Группировка приурочена к сухим экотопам «молодого» карьера. Значения актуальной кислотности мало изменяются с глубиной (pH 6,3−6,4).
Участок 2. Слабосомкнутое (30−40%) сообщество с Salix viminalis (покрытие 20%) и Alopecurus aequalis (10%) без мхов и лишайников. Располагается в сырых экотопах «молодого» карьера. Актуальная кислотность слабо изменяется с глубиной (pH 5,6−5,7).
Участок 3. Сомкнутое сообщество (покрытие растительности 70−75%) с доминированием Equisetum arvense (40−50%) и примесью Festuca ovina (5−10%), а также Salix phylicifolia и S. viminalis (покрытие двух видов вместе 10−15%). Покрытие мхов (преобладает Ceraiodon purpureus)-20%, лишайников практически нет. Сообщество приурочено к сырым экотопам «старого» карьера. Характеризуется наибольшей кислотностью с поверхности (pH 4,8), уменьшающейся с глубиной (5,2).
Участок 4. Сомкнутое сообщество (общее проективное покрытие 95%) с господством Festuca ovina (30%), Salix phylicifolia (20−25%) и значительным участием мхов, покрытие которых 45% (преобладают виды рода Вгуит). Лишайники отсутствуют. Сообщество располагается в умеренно увлажненных экотопах «старого» карьера. На глубине актуальная кислотность составляет 5,0 (единицы pH), на поверхности-5,2.
Участок 5. Микрогруппировки с господством лишайников (Peltigera canina, Cladonia gracilis, С. deformis, Stereocaulon paschale) в сухих экотопах «старого» карьера. Образцы были взяты непосредственно под слоевищами Peltigera canina. Значения pH изменяются с глубиной от 5,3 до 5,6.
Участок 6. Микрогруппировки с господством мхов на сырых местообитаниях «старого» карьера. Непосредственно под моховыми ковриками (Ceratodon purpureus) актуальная кислотность составляет 5,0, на глубине — 5,2.
Наименее кислыми (рН 6,3−6,4) оказались сухие субстраты под малосомкнутыми пионерными группировками в «молодом» карьере (участок 1). Здесь не происходит сколько-нибудь заметного подкисляющего действия на грунты. В остальных случаях отмечено существенное подкисление субстрата по сравнению с участком 1. Наиболее кислые грунты (значения рН от 4,8 до 5,2) выявлены в переувлажненных экотопах «старого» карьера под сомкнутыми сообществами с участием мхов (участки 3, 4, 6).
На «молодом» карьере в сырых экотопах по сравнению с сухими (рН 6,3−6,4) отмечены меньшие значения рН (5,6−5,7). Таким образом, субстраты оказываются более кислыми в условиях повышенного увлажнения и при увеличении смыкания растительности (особенно мохового покрова), что также способствует усилению влажности. В сухих местообитаниях на старом карьере (участок 5) грунты на глубине 5−7 см имеют сравнительно небольшую кислотность (рН 5,6), которая непосредственно под талломом лишайника, благодаря его влиянию, заметно увеличивается (рН 5,3).
В минералогическом составе грунтов доминирует смектитовая фаза, представленная индивидуальными минералами из группы смектитов (вероятно, монтмориллонитом), что позволяет характеризовать их как богатые. Присутствуют минералы группы слюд-гидрослюд, преимущественно триоктаэдрического (биотитового) ряда, в небольшом количестве хлорит и каолинит- из неглинистых минералов в виде примеси диагностируется кварц. Во всех пробах под сосудистыми растениями (участки 1−4) диагностируется стабильный минералогический состав илистой фракции, несмотря на довольно низкие значения рН, достигающие 4,8 (рис. 1). Таким образом, воздействие сосудистых растений на субстраты настолько неинтенсивно, что не приводит к изменению минералогического состава илистой фракции и разрушению наиболее неустойчивого в кислой среде смектитового компонента. Воздействие растительного сообщества не сказывается на минералогическом составе даже в случае участия мхов, покрытие которых составляет 20−45% (участки 3 и 4 соответственно).
Совершенно иная картина наблюдается под микрогруппировками лишайников и мхов (участки 5 и 6). Под талломом лишайника (Peltigera canina) по сравнению
Рис. 1. Минералогический состав илистой фракции, выделенной из грунта под сосудистыми растениями.
А-участок 1 (наименее кислый), Б-участок 3 (наиболее кислый). Здесь и далее: I-образец, насыщенный магнием, II-образец, насыщенный этиленгликолем, III-образец, прокаленный при 550 °C в течение 3 ч- 1-образец, отобранный с поверхности, 2 — с глубины. Цифры даны в ангстремах.
2
с почво-грунтами под сосудистыми растениями отмечается уменьшение доли смекти-товой фазы, оцененной по интенсивности рефлексов dom на ренген-дифрактограммах образцов, насыщенных магнием и этиленгликолем. Уменьшение доли смектитовой фазы объясняется селективным разрушением минералов — компонентов тонких фракций, где смектитовая фаза является наиболее неустойчивой [10]. Наибольшее обеднение этим компонентом наблюдается на глубине 2−3 см (рис. 2, А, Б).
Под мхами (Ceratodon purpureus, образующий сплошное покрытие) также диагностируется обеднение смектитовым компонентом, причем наибольшие изменения минералогического состава отмечены для образца, отобранного с поверхности по сравнению с образцом с глубины 2−3 см. В илистой фракции из образца с поверхности выражена трансформация хлорита до неупорядоченного смешаннослойного хлорит-вермикулитового (смектитового) образования (смещение рефлекса 13,7 А до 12,2 А на рентген-дифрактограммах образцов, прокаленных при 550 °С) (рис. 2, В, Г). Большие
Рис. 2. Минералогический состав илистой фракции, выделенной из грунта под талломом лишайника (участок 5 А — с поверхности, Б-с глубины) и группировкой мха (участок 6 В — с поверхности, Г- с глубины).
изменения в образце «с поверхности» согласуются с появлением в этой части пробы красноватой прослойки (гидро)оксидов железа в зоне окисления при локальной смене окислительно-восстановительной обстановки.
Обсуждение результатов исследования. В соответствии с минералогическим составом наиболее отзывчивой к внешнему воздействию илистой фракции исследованных песчаных почво-грунтов карьеров не выявляется различий между сухими и переувлажненными экотопами, между участками с различной сомкнутостью растительного покрова, а также между карьерами различного возраста. Во всех перечисленных случаях на участках, где производилось взятие проб, в растительных сообществах преобладали сосудистые растения. Установлено, что только мхи и лишайники заметно изменяют минералогический состав илистой фракции песчаных субстратов. На основании полученных данных по степени воздействия растительных группировок на песчаный субстрат можно выстроить следующий ряд: лишайники-мхи-сосудистые растения (воздействие отсутствует).
При заселении карьеров и других техногенных местообитаний пионерами являются сосудистые растения, которые господствуют в группировках уже на инициальной стадии сукцессии [1, 2, 5, 6, и др.]. Мхи могут выступать и как пионерные растения (например Ceratodon purpureus, виды родов Bryum, Polytrichum), и как виды более продвинутых стадий (Aulacomnium turgidum, A. palustre, Tomenthypnum nitens и др.). Лишайники, за исключением одного-двух пионерных видов (главным образом, Pelrigera didactyla, Dibaeus baeomyces), появляются на более поздних стадиях сукцессии [7, 8]. Как следует из полученных результатов, изменение минералогического состава илистой фракции усиливается с их появлением. Таким образом, на «срединных» этапах сукцессии в связи с усилением роли мхов и лишайников в сообществах происходит заметное изменение характеристик субстрата и формируются новые условия среды. Это должно сказаться не только на развитии сосудистых растений данного сообщества, но и на подборе «внедряющихся» в него видов, а значит-и на темпах протекающей сукцессии.
Выводы. 1. Наличие смектитового компонента позволяет характеризовать исследованные субстраты как богатые. Воздействие сосудистых растений на песчаные почво-грунты карьеров настолько неинтенсивно, что не приводит к изменению минералогического состава илистой фракции-наиболее отзывчивой к внешнему воздействию. Под покровом мхов и лишайников в результате их действия на субстрат происходит селективное разрушение минералогического состава илистой фракции, что проявляется в уменьшении доли смектитового компонента. 2. Кислотность субстратов варьирует от рН 4,8 до 6,3, причем минимальные значения отмечены на сырых участках старых карьеров со значительным покрытием растительности (в том числе мхов), а максимальные-в молодом карьере на сухих слабозадернованных участках. Таким образом, сомкнутый растительный покров, удерживая влагу, способствует подкислению грунтов. В сухих экото-пах старого карьера увеличение кислотности фиксируется непосредственно под талломами лишайников, что отражает их воздействие на субстрат.
Summary
Sumina О. /., Lessovaia S. N., Dolgova L. L. Change of substrate mineral composition under the influence of pioneer vegetation as a result of quarries recovery.
The influence of different plant communities to the mineral composition of sandy quarries was studied on the example of forest-tundra zone of West Siberia. The deepest change of mineral composition takes place under mosses and lichens communities. The result of this is loss of smectite phase from clay size fraction. There are not any changes of mineral composition under vascular plants.
E-mail: lessovaia@yahoo. com
Литература
1. Дружинина О. А. Изученность состояния нарушенной растительности и закономерностей антропогенной динамики растительного покрова Арктики и полосы притундровых редколесий // Антропогенная динамика растительного покрова Арктики и Субарктики: принципы и методы изучения. СПб., 1995. С. 14−35. 2. КопцеваЕ.М., Сумина О. И. Растения техногенных и естественных местообитаний на трассе строящейся железной дороги (южный Ямал) // Бот. журн. 2001. Т. 86. № 9. С. 95−108. 3. ЛесоваяС.Н., Горячкин С. В., Погожее Е. Ю., Полехов-скийЮ.С., Заварзин А. А., Заварзина А. Г. Почвы на плотных породах северо-запада России: химико-минералогические свойства, генезис, проблемы классификации // Почвоведение. 2008. в печати. 4. Седов С. Н. Особенности таежного почвообразования и выветривания на постмаг-матически измененных основных породах: Автореф. канд. дис. М., 1992. 26 с. 5. Сумина О. И. О классификации растительности техногенных местообитаний Арктики (перешеек Чукотского полуострова)//Бот. журн. 1995. Т. 80. № 10. С. 79−90. 6. Сумина О. И. Флористическое разнообразие растительности карьеров с субстратами различного механического состава//Флора антропогенных местообитаний Севера России / Под ред. Г. Е. Вильчека, О. И. Суминой, А. А. Тиш-кова. М., 1996. С. 167−192. 7. Сумина О. И., КопцеваЕ.М. Разнообразие и динамика растительности карьеров в лесотундре Западной Сибири (окрестности г. Лабытнанги, Ямало-Ненецкий АО) // Растительность России. 2004. № 6. С. 83−103. 8. Сумина О. И., ЧиненкоС.В., Копце-ea Е. М. Антропогенная динамика растительности и биоразнообразие (формирование растительного покрова на карьерах севера Западной Сибири) // Теоретические основы биоразнообразия. Материалы семинара. 19−20 мая 2000 г., СПбГУ. СПб., 2000. С. 30−33. 9. Таргулъян В. О. Почвообразование и выветривание в холодных гумидных областях. М., 1971. 10. Тонконогов В. Д., Градусов Б. П, Рубилина Н. Е., Таргулъян В. О., Чижикова Н. П. К дифференциации минералогического и химического составов дерново-подзолистых и подзолистых почв//Почвоведение. 1987. № 3. С. 68−81. 11. AugustoL., Turpault М. -Р., Ranger J. Impact of forest tree species on feldspar weathering rates // Geoderma. 2000. Vol. 96. P. 215−237. 12. Bjelland Torbjerg, Thorseth IngunnH. Comparative studies of lichen-rock interface of four lichens in Vingen, western Norway//Chemical Geology. 2002. Vol. 192. P. 81−98. 13. Dixon J. C., Thorn C.E., DarmodyR.G., SchlyterP. Weathering rates of fine pebbles at the soil surface in Karkevagge, Swedish Lapland // Catena. 2001. Vol. 45. P. 273−286. 14. EickM.J., Gross! PR., Golden D.C., Sparks D.L., MingD. W. Dissolution of lunar simulant as affected by pH and organic anions // Geoderma. 1996. Vol. 74. P. 139−160. 15. Prieto В., Rivas Т., Silva B. Colonization by lichens of granite dolmens in Galicia (NW Spain) // Int. Biodeterior. Biodegrad. 1994. Vol. 34. P. 47−60. 16. Wilson J. M., Jones D. Lichen weathering of minerals: implications for pedogenesis. Residual Deposits: Surface Related Weathering Processes and Material. Special Publication of the Geological Society//Ed. by R. C. L. Wilson. Blackwell- London, 1983. P. 2−12.
Статья принята к печати 27 сентября 2Q07 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой