Научная статья на тему 'Биологическая характеристика солончаков чиевых степей западного Забайкалья'

Биологическая характеристика солончаков чиевых степей западного Забайкалья Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
520
54
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЧИЕВАЯ СТЕПЬ / ЗАСОЛЕННЫЕ ПОЧВЫ / ГАЛОМОРФНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ / СОЛОНЧАК / ФИТОЦЕНОЗ / ЗООЦЕНОЗ / ЭМИССИЯ СО2 / ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ / EMISSION OF СО2 / CHIEV STEPPE / SALINE SOILS / HALOMORPHIC ECOSYSTEMS / SOLONCHAK / PHYTOCENOSIS / ZOOCENOSIS / HYDROTHERMAL REGIME

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Апарин Борис Федорович, Убугунова Вера Ивановна, Лаврентьева Ирина Николаевна, Убугунов Василий Леонидович, Сухачева Елена Юрьевна

Изучены почвы и биологическая продуктивность чиевых степей. Проведено исследование почвенного населения беспозвоночных животных, установлен их состав, структура и закономерности распределения. Выявлены доминирующие группы растительности и зоологического комплекса, установлена зависимость функционирования биоты от гидротермического режима и свойств солончаков и ее влияние на биотоп в целом. В работе приведена актуальная биологическая активность и эмиссия СО2 с поверхности солончаков.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Апарин Борис Федорович, Убугунова Вера Ивановна, Лаврентьева Ирина Николаевна, Убугунов Василий Леонидович, Сухачева Елена Юрьевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Biological characteristic of chiev steppe solonchaks within Western Transbaikalia

Soils and biological productivity of chiev steppes are studied. The research of soil population of invertebrate animals are carried out, their composition, structure and regularity of distribution are established. Dominating groups of vegetation and a zoological complex are revealed, the dependence of biota functioning on a hydrothermal regime and properties of solonchaks and its influence on a biotope in whole are established. Actual biological activity and СО2 emission from the solonchak surface are presented.

Текст научной работы на тему «Биологическая характеристика солончаков чиевых степей западного Забайкалья»

Б. Ф. Апарин, В. И. Убугунова, И. Н. Лаврентьева, В. Л. Убугунов, Е. Ю. Сухачева

биологическая характеристика солончаков чиевых степей западного забайкалья

В степной зоне Западного Забайкалья при постоянном или временном грунтовом увлажнении формируются сазовые степи [1, 2]. Наиболее распространены среди них чиевые формации, встречающиеся обычно по берегам засоленных озер, в притеррасной части степных долин, иногда и в центральной части первых террас рек на засоленных почвах [3-6]. До настоящего времени они изучены очень слабо [3-9]. Поэтому целью настоящих исследований было проведение комплексных работ на солончаках чиевых формаций и изучение почвенно-биотических компонентов и их взаимосвязей.

объекты и методы исследования

Стационарные наблюдения за режимными процессами проводились в Иволгинской котловине. Эта территория относится к Южно-Сибирской горной области Селенгин-ско-Хилокской остепненно-среднегорной провинции [10]. Климат в районе исследования экстремально-континентальный [11]. Безморозный период составляет 70-100 дней, среднегодовое количество осадков — 234 мм. Глубина залегания почвенно-грунтовых вод в местах распространения солончаков от 1,0 до 2,0 м, минерализация обычно повышенная — 5-10 г/л. По химическому составу воды имеют различную степень минерализации [3, 4].

Неоднородность экологических факторов формирования почв Иволгинской котловины (изменение макро- и нанорельефа, уровень залегания и химизм почвенно-грунтовых вод, различные по гранулометрическому составу аллювиальные и озерно-аллювиальные отложения, богатые водорастворимыми солями) обусловила формирование дифференцированно-засоленных комплексов аллювиальных темногумусовых засоленных, аллювиальных темногумусовых гидрометаморфических, аллювиальных пере-гнойно-глеевых почв и солончаков. Основные массивы засоленных почв расположены на правом борту котловины (рис. 1). Они встречаются в пониженных элементах рельефа с близкозалегающими грунтовыми водами (по периферии заболоченных массивов), в небольших бессточных западинках, периодически затопляемых поверхностными водами, вдоль шлейфов склонов окружающих хребтов. Доминирующим фактором засоления вод и почв Иволгинской котловины является континентальное соленакопление [12-14]. На отдельных участках впадины установлено влияние подземных вод юрско-меловых отложений [3, 4], однако значение этого фактора незначительно.

Чиевые степи достаточно широко распространены в пределах котловины (1190 га) и формируются на почвах галоморфного отдела, диагностическим признаком которого является поверхностный солончаковый горизонт [1, 2, 15]. Для характеристики биоты определяли биологическую продуктивность фито- и зооценоза, их состав, структуру и закономерности распределения в почве, актуальную биологическую активность, эмис-

© Б. Ф. Апарин, В. И. Убугунова, И. Н. Лаврентьева, В. Л. Убугунов, Е. Ю. Сухачева, 2011

Рис. 1. Распространение галоморфных почв в Иволгинской котловине

сию СО2 с поверхности почвы. Определение биологической продуктивности надземной массы проводили укосным методом. Запасы подземной фитомассы определяли методом монолитов [16] с последующей отмывкой корней на почвенных ситах. Об актуальной биологической активности почвы судили по интенсивности распада льняной ткани. Учет почвенных беспозвоночных размером больше 0,2 см (мезоэдафон) проводился стандартным методом почвенных раскопок [17]. Выборку проводили на площади 0,25 м2 при глубине 0,4 м. Поток СО2 с поверхности почвы определяли абсорбционным методом в модификации И. Н. Шаркова [18] с июня по сентябрь 2006 г. и с мая по сентябрь 2007 и 2008 гг. Повторность определения трехкратная. Суммарные выделения СО2 за вегетацию рассчитывали путем линейного интерполирования.

результаты исследования и их обсуждение

Почва экспериментального участка в соответствии с новой классификацией почв России [15] определена как солончак глеевый и характеризовалась нечеткой дифференциацией профиля на генетические горизонты и следующим морфологическим профилем: Б-А^^з^Сз-С. Солевой горизонт имел различную мощность и разные морфологические формы проявления: в виде пухлых отложений солей на поверхности почвы или солевых выцветов в поверхностных горизонтах. Засоленный светлогумусовый горизонт небольшой мощности (20-30 см). Изученный солончак имел слабощелочную реакцию среды и характеризовался достаточно высоким содержанием обменных оснований со значительным содержанием обменного натрия в поглощающем комплексе. Общее количество солей по профилю изменялось от 0,735 до 1,317%, а их максимум (3,086%) приурочен к приповерхностному слою почвы (Б). В верхних горизонтах солончака отмечен сульфатно-натриевый тип засоления, а в нижних — сульфатно-магниевокальциевый (рис. 2). Почва имела низкие показатели емкости катионного обмена, незначительное содержание гумуса (табл. 1) и сложный гранулометрический состав: средний суглинок на глубине 30 см сменялся легким суглинком, а с глубиной — тяжелым [7].

40 30 20 10 0 10 20 ЗО 40

птп т гх1 м т 1=1

N3' +К1 Са2+ НСО С1 ЭО*

Рис. 2. Солевой профиль солончака глеевого

Таблица 1. Характеристика растительности и слоя (0-20 см) солончака глеевого

Показатель Характеристика

Геоморфологическое положение Центральная часть поймы

Растительность Доминанты АсЬпаШегаш 8р1еп<іеп8

Содоминанты -

Проективное покрытие травостоя, % 50

Среднемноголетние запасы фитомассы, ц/га: надземной подземной 188 19 169

и о С Мощность гор (З+А^), см 30

Содержание гумуса, % 1,14

Плотность сложения, г/см3 1,52-1,56

Содержание частиц <0,01 мм 21-34

Содержание частиц <0,001 мм 6-15

Порозность, % 42-46

рН 7,3-7,6

Плотный остаток, % 0,735-3,086

Проведенные трехлетние наблюдения за режимными процессами показали, что солончаки глеевые формируются в условиях жесткого гидротермического режима. Биологически активные температуры в профиле почвы отмечаются с 3-й декады мая по 3-ю декаду сентября. Колебания суточной температуры в поверхностном слое почвы создают крайне контрастный температурный режим (рис. 3). В летние периоды отмечается прогревание почвы до 35оС (2006).

Преобладающей категорией влаги в верхнем слое 0-20 см является влажность в диапазоне ВЗ-ВРК (рис. 4). Обеспеченность года атмосферными осадками вносит существенные коррективы в увлажнение поверхностного слоя почвы, поэтому увлажненность его варьирует в широких пределах. В период выпадения муссонных дождей (вторая и третья декада июля — август) происходит промачивание верхнего слоя почвы (0-10 см) до уровня оптимального увлажнения (НВ), а в периоды незначительного выпадения или интенсивной десукции и физического испарения с поверхности почвы вследствие

2006 г.

2007 г.

2008 г.

Рис. 3. Температурный режим солончака глеевого Римскими цифрами обозначены названия месяцев года (то же для рис. 4, 7).

Рис. 4 . Водный режим солончака глеевого: 1 — <ВЗ; 2 — ВЗ-ВРК; 3 — ВРК-НВ; 4 — >НВ.

высоких дневных температур наблюдается снижение содержания влаги до критической (ВЗ-ВРК; <ВЗ). За все годы наблюдений влажность в слое 30-50 см почвы находилась в диапазоне ВРК-НВ и >НВ. Это свидетельствует о дополнительном грунтовом увлажнении изученных почв. Водный режим можно отнести к выпотному типу с атмосферногрунтовым питанием.

Растительный покров чиевников неоднороден, наряду с настоящими ксерофитами опустыненных степей, встречаются мезофиты луговых степей и остепенных солонцеватых лугов [1, 2]. Качественный состав чиевых сообществ удовлетворительный, а поедаемость скотом растений возможна только в раннем возрасте или в отаве. Флористический состав изученного чиевого сообщества, произрастающего на солончаке, представлен 9 видами, из них 3 вида — злаки и 6 видов — разнотравье, которые характеризуются монодоминантностью (см. табл. 1). Индикатором засоленности почвы является чий блестящий. Он произрастает при близком залегании грунтовых вод и образует плотные кочки диметром до 30-40 см. Отсутствие бобовых в составе ценоза также слу-

жит показателем засоленности почвы и близкого стояния грунтовых вод. Проективное покрытие, как правило, не более 50%. Травостой двухъярусный. Высота первого яруса 1-1,3 м, второго — 10-20 см. По уровню биологической продуктивности данное сообщество характеризуется как малопродуктивное (188 ц/га). На долю надземной фитомассы приходится 19 ц/га, а подземной — 169 ц/га. Соотношение надземной фитомассы и подземной составляет 1 : 9 и указывает на крайне неблагоприятные условия функционирования ценоза вследствие значительной концентрации в почве воднорастворимых солей. Основное количество фитомассы сосредоточено в верхнем слое 0-10 см (табл. 2).

Таблица 2. Распределение подземной фитомассы и зоомассы в солончаке глеевом

Слой, см Масса, %

корневая мезоэдафона

0-10 63 89

10-20 14 10

20-50 23 1

Разложение поступивших растительных остатков в солончаке происходит при наличии в почвенном профиле большого количества водорастворимых солей, которые угнетают микробиологическую активность. Пик микробиологической активности приходится на период июль — август (рис. 5).

%

Рис 5. Динамика интенсивности разрушения целлюлозы солончака глеевого в течение вегетационного периода (%)

Почвенные животные являются чувствительным индикатором различных природных факторов, их биомасса, соотношение количественной представительности и обилия в почвах определяется условиями обитания. Общая численность мезоэдафона и его зоомасса в солончаке глеевом составляют 63,25 экз/м2 и 0,34 г/м2 соответственно (табл. 3). Столь низкая его численность и зоомасса связаны, прежде всего, с неустойчивым гидрологическим режимом изученной почвы (см. рис. 4, 5), ее засоленностью и скудной кормовой базой. Зоологический комплекс представлен 2 классами и 6 отрядами. Доминирующее положение занимают насекомые, отличающиеся большим разнообразием семейств и более высокими величинами зоомассы. В их составе наиболее резко по численности выделяются жесткокрылые. Такое доминирование жуков в структуре зооценоза характерно в целом для степных биотопов [5]. Следовательно, это еще раз

подтверждает тот факт, что чиевые степи хоть и формируются в условиях постоянного или временного грунтового увлажнения, но по качественному составу беспозвоночных ближе к степям, чем к галофитным лугам. Доля двукрылых, чешуекрылых, перепончатокрылых и равнокрылых составляет 31,7%, в которых превалируют представители отряда Б1р1ега. Ведущее место по численности и биомассе в составе мезоэдафона занимают личинки ТепеЬпошСае и А81Шае, их представители в целом наиболее термофильные, более приспособленные к неустойчивому водному режиму солончаков и к общему химизму почвенного субстрата.

Послойный учет педомезоэдафона позволил выяснить особенности ярусного распределения этих животных. Установлено, что абсолютное большинство беспозвоночных (89%) приурочено к приповерхностному слою (0-10 см), где сосредоточена и подземная фитомасса (см. табл. 3).

Таблица 3. Количественные показатели беспозвоночных, обитающих в солончаке глеевом Иволгинской котловины

Беспозвоночные Численность, экз./м2 ± 8Б Обилие, % Масса, г/м2 ± 8Б

тип Членистоногие (АгШгоро<1а) 63,25 ± 6,73 100 0,34 ± 0,06

кл. Паукообразные (АгасЬш<1а) 0,75 ± 0,54 1,2 <0,01

отр. Клещи (Асап) 0,8 ± 0,25 1,2 <0,01

кл. Насекомые (1пвес1а) 62,5 ± 6,67 98,8 0,34 ± 0,06

отр. Равнокрылые (Ыошор1ега) 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

сем. Носатки (Б1с1уорЬап<1ае) 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

отр. Жесткокрылые (Со1еор1ега), личинки 43,50 ± 6,44 68,8 0,14 ± 0,03

отр. Жесткокрылые (Со1еор1ега), куколки 0,50 ± 0,50 0,8 <0,01

сем. Жужелицы (СагаЫ<1ае), личинки 0,75 ± 0,54 1,2 <0,01

сем. Щелкуны (БЫ:еп<1ае), личинки 2,50 ± 0,89 4,0 0,01 ± 0,01

сем. Карапузики (Ы181еп<1ае), личинки 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

сем. Пыльцееды (АПесиШае), личинки 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

сем. Чернотелки (ТепеЬпош<1ае), личинки 36,00 ± 5,76 56,9 0,09 ± 0,02

сем. Усачи (СегашЫс1<1ае), личинки 1,00 ± 0,58 1,6 1,00 ± 0,58

сем. Долгоносики (Сигси1юш<1ае), личинки 2,25 ± 1,15 3,6 2,25 ± 1,15

отр. Перепончатокрылые (Ыушепор1ега), личинки и куколки 4,25 ± 2,17 6,7 0,01 ± 0,01

сем. Муравьи (Рогш1с1<1ае), личинки и куколки 4,25 ± 2,17 6,7 0,01 ± 0,01

отр. Чешуекрылые (Бер1<1ор1ега), гусеницы 1,50 ± 0,72 2,4 0,10 ± 0,07

отр. Чешуекрылые (Бер1<1ор1ега), куколки 0,25 ± 0,25 0,4 0,05 ± 0,05

сем. Совки (Кос1ш<1ае), гусеницы 1,25 ± 0,70 2,0 0,05 ± 0,05

отр. Двукрылые (Б1р1ега), личинки 13,00 ± 1,39 20,6 0,10 ± 0,01

отр. Двукрылые (Б1р1ега), куколки 1,00 ± 0,58 1,6 0,01 ± 0,01

подотряд Круглошовные двукрылые (Сус1оггЬарЬа), личинки 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

сем. Ктыри (АвШСае), личинки 10,25 ± 1,41 16,2 0,07 ± 0,01

сем. Лжектыри Сйегеу1<1ае), личинки 1,25 ± 0,79 2,0 0,01 ± 0,01

сем. Зеленушки (БоНсЬоросШае), личинки 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

Это связано с тем, что живущие на солончаках насекомые, избегая контакта с почвенным раствором, обитают в вырытых в почве ходах и норах, т.е. в приповерхност-

ных слоях, где наблюдается высокая порозность почвы и сосредоточена основная масса корней. Следует отметить, что такое распределение животного населения в условиях Забайкалья вызвано еще и длительным зимним промерзанием, выхолаживанием всей почвенной толщи. Таким образом, совокупность экологических условий галоморфных почв неблагоприятна для мезоэдафона и в его составе доминируют ксерофильные и галорезистентные представители.

Выделяющийся с поверхности почвы углекислый газ служит интегральным показателем ее биологического состояния. Суммарная эмиссия С-СО2 в солончаках различается по годам исследований незначительно и варьирует в диапазоне от 300 до 318 гС/м2 (рис. 6). Наименьшие значения этого показателя отмечаются в сухой (количество осадков с мая по сентябрь составляло 77% от среднемноголетней нормы) и жаркий 2007 год.

Рис. 6. Суммарная оценка потока углерода с поверхности солончака глеевого (гС/м2)

Динамика выделения углекислоты в 2006 и 2008 гг. сохраняла форму одновершинной кривой (рис. 7). Подобный ход кривой объясняется тем, что в июле-августе происходило максимальное развитие биоты, накопление тепла в верхних слоях почвы, увеличивалось дыхание корней, и эмиссия СО2 достигала своих наибольших абсолютных значений. Косвенно о высокой напряженности биологических процессов в этот период свидетельствовала и целлюлозолитическая активность (см. рис. 5). Во второй год режимных наблюдений наблюдалось несколько чередующихся подъемов и спадов эмиссии СО2 с поверхности почвы. «Пилообразный» вид кривой с мая по август объясняется аномальными высокими температурами в мае (среднемесячные температуры на 3,2°С превышали норму) и в июле (превышение на 2,6°С) и неравномерным выпадением осадков.

С02, г/м2/сут.

Рис. 7. Эмиссия СО2 с поверхности солончака глее-вого (г/м2/сут.)

Отмечается прямая положительная коррелятивная зависимость интенсивности выделения СО2 от влажности и температуры почвы в слое почвы 0-20 см во все годы исследования (г™ = 0,88).

Зависимость интенсивности эмиссии углекислоты с поверхности почвы от температуры и влажности почвы в слое почвы 0-20 см хорошо аппроксимируется следующим уравнением регрессии первого порядка:

ИЭ = -8,9670 + 0,5312Т + 0,5176Ж

где ИЭ — интенсивность эмиссии СО2 из почвы, г/м2/сут; Т — температура верхнего слоя почвы 0-20 см; W — влажность верхнего слоя почвы 0-20 см, %.

Выводы

Для засоленных почв чиевых степей характерно высокое содержание водорастворимых солей, обменного натрия, низкое содержание гумуса, и формируются они в условиях жесткого гидротермического режима.

Экологическими особенностями функционирования изученных биоценозов является водно-температурный режим, физико-химические свойства и засоленность почв. Эти факторы лимитируют функционирование фито- и микробоценоза, мезоэдафона, обусловливают их низкую продуктивность, численность и бедность видового разнообразия. 89% всех педобионтов и основная масса поземной фитомассы сосредоточены в приповерхностном слое почвы 0-10 см. Преобладающими семействами эдафона являются ксерофильные и галорезистентные чернотелки и ктыри, отсутствуют представители классов малощетинковых. В составе фитоценоза доминирует галофильный чий блестящий и отсутствуют бобовые.

По уровню выделения углекислоты исследованные почвы можно отнести к группе почв со средним уровнем продуцирования. Большое влияние на процесс выделения СО2 оказывает гидротермический режим почв. Выявлена положительная корреляционная зависимость выделения диоксида углерода с температурой и влажностью солончаков.

Работа поддержана проектами СО РАН 16.14 «Разработка системы комплексной индикации процессов опустынивания для оценки современного состояния экосистем Сибири и Центральной Азии, создание на ее основе прогнозных моделей и системы мониторинга» и 23.11 «Инвентаризация экосистем».

Литература

1. Пешкова Г. А. Степная флора Байкальской Сибири. М.: Наука, 1972. 207 с.

2. Бурятия: растительный мир. Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 1997. 250 с.

3. Королюк Т. В. О происхождении солей в природных водах бассейна р. Иволги Бурятской АССР // Почвоведение. 1970. № 4. С. 25-33.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Королюк Т. В. Химизм и степень засоления почв долины р. Иволги Бурятской АССР // Почвоведение. 1971. № 7. С. 92-100.

5. Митупов Ч. Ц. Засоленные почвы Иволгинской долины: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.: МГУ, 1973. 24 с.

6. Митупов Ч. Ц. О характере и причинах засоления почв Иволгинской долины Бурятской АССР // Биол. науки. 1967. № 6. С. 92.

7. Убугунов В. Л., Лаврентьева И. Н., Убугунова В. И., Меркушева М. Г. Разнообразие почв Иволгинской котловины: эколого-агрохимические аспекты. Улан-Удэ: БГСХА, 2000. 208 с.

8. Черноусенко Г. И., Ямнова И. А. О генезисе засоления почв Западного Забайкалья // Почвоведение. 2004. С.399-414.

9. Засоленные почвы России. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 854 с.

10. Преображенский В. С., Фадеева Н. В., Мухина Л. И., Томилов Г. М. Типы местности и природное районирование Бурятской АССР. М.: Наука, 1959. 218 с.

11. Агроклиматический справочник по Бурятской АССР. Л., 1960. 120 с.

12. Николаев И. В. О генезисе засоленных почв Бурят-Монгольской республики. Иркутск: Изд-во ИГУ, 1949. 27 с.

13. Уфимцева К. А. Степные и лесостепные почвы Бурятской АССР. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 150 с.

14. Ногина Н.А. Почвы Забайкалья. М.: Наука, 1964. 313 с.

15. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

16. Шалыт М. С. Методика изучения морфологии и экологии подземной части отдельных растений и растительных сообществ // Полевая геоботаника. М.; Л.: Наука, 1960. Т. 2. С. 369-447.

17. Гиляров М. С. Зоологический метод диагностики почв. М.: Наука, 1965. 278 с.

18. Шарков И. Н. Совершенствование абсорбционного метода определения выделения СО2 из почвы в полевых условиях // Почвоведение. 1987. №1. С. 127-133.

Статья поступила в редакцию 14 октября 2010 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.