CC BY
22
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2010, том 16, № 5 (45), с. 7-14
————————— СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК ———————=
УДК 630.181.3
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И НЕКОТОРЫЕ УРОКИ ОСВОЕНИЯ ПОЛУПУСТЫНИ В СЕВЕРНОМ ПРИКАСПИИ
© 2010 г. С.Э. Вомперский
Учреждение Российской Академии наук Институт лесоведения РАН Россия, 143030 Московская обл., Одинцовский р-н, с. Успенское, ул. Советская, 21.
E-mail: root@ilan.ras.ru
Реферат. В статье отмечаются главные научные и прикладные итоги 60-летних биогеоценологических исследований в глинистой полупустыне Северного Прикаспия, выполненные на базе Джаныбекского стационара Института лесоведения РАН. Рассматривается эффективность биогеоценологического подхода в экосистемных исследованиях. Отмечается, что обоснование рациональных (более интенсивных) методов использования полупустыни на экосистемном уровне требует длительных исследований и мониторинга, так как ряд способов освоения, успешных в первые два-три десятилетия, в последующем потребовали коррекции.
Ключевые слова: глинистая полупустыня, массивное и полезащитное лесоразведение, биогеоценоз, стационарные исследования.
Данная статья служит, с одной стороны, некоторым историческим введением к современным работам на базе Джаныбекского стационара, публикуемых здесь далее, а с другой - оценкой методологии комплексного биогеоценотического подхода в изучении экосистемных процессов при необходимости обоснования способов рационального использования земель глинистой полупустыни.
Джаныбекский стационар был организован в мае 1950 года в составе Комплексной экспедиции АН СССР по вопросам полезащитного лесоразведения, образованной для научного обеспечения работ по выполнению Постановления Совета Министров СССР и ЦК ВКП(б) от 28 октября 1948 г. «О плане полезащитных лесонасаждений, внедрений травопольных севооборотов...». Научным руководителем Комплексной экспедиции АН СССР был назначен академик В.Н. Сукачев. Через 4 года стационар был передан Институту леса АН СССР, затем Почвенному институту им. В.В. Докучаева АН СССР, а с 1963 по настоящее время - Институту лесоведения РАН (до 1961 г.- лаборатория лесоведения АН СССР).
Очень важно, что со времени образования и до 1979 г. научным руководителем стационара был выдающийся почвовед профессор А.А. Роде, заложивший основу системы опытов и правильно поставивший совместно с В.Н. Сукачевым соответствующие научные задачи по разным направлениям биогеоценотических исследований.
Джаныбекский стационар расположен в Волжско-Уральском междуречье, в 30 км к северу от оз. Эльтон (42° 23' с. ш., 46° 47'в. д.). С 1992 г. территория стационара оказалась разделенной государственной границей между Российской Федерацией (728 га в Палласовском районе Волгоградской обл.) и Казахстаном (880 га в Джаныбекском районе Западно-Казахстанской области), однако он продолжает функционировать как единый комплекс по договору между Институтом лесоведения РАН и научно-производственным центром лесного хозяйства Казахстана.
Стационар являет собой уникальный агролесомелиоративный оазис, контрастирующий с окружающей полупустыней. Российская часть стационара включает лесные насаждения
разного назначения и состава, в том числе четыре ленты Государственной лесной полосы Чапаевск-Владимировка длиной по 2 км, два дендрария, культуры древесных пород в падинах, плодовый сад, агролесомелиоративные системы, заповедный участок целинной степи, на котором с 1950 г. не было сенокошения и пастьбы скота.
Постановлением Правительства Российской Федерации № 719 от 16 июня 1997 г. российской части Джаныбекского стационара Института лесоведения РАН был присвоен статус Памятника природы федерального значения.
Уже многие десятилетия стационар является неформальным центром экологических и биогеоценологических исследований в глинистой полупустыне, проводимых учеными разного профиля и разных учреждений, включая зарубежные. Причиной является уникальность созданных здесь в натуре масштабных и поучительных опытов освоения полупустыни богарными приемами мелиорации солонцов, испытания пригодности к местным условиям более 200 видов древесных растений, методов лесоразведения, для использования в агрономии, садоводстве, животноводстве, озеленения поселений и т. д.
Глинистая полупустыня северного Прикаспия - это бескрайняя плоская равнина порядка 1 млн. га со скудной растительностью. Суровый аридный климат (испаряемость превышает осадки в 3 раза), засоленность и тяжелый механический состав почв чрезвычайно затрудняют ее сельскохозяйственное освоение. Летние температуры воздуха достигают +40 °С, зимние -30-38 °С.
Равнинность района нарушается замкнутыми плоскодонными понижениями - большими падинами и лиманами, на долю которых приходится 10-15% площади. Падины заняты незасоленными лугово-каштановыми (темноцветными черноземовидными) почвами. Остальная часть территории представлена межпадинной равниной (85-90%) с хорошо развитым микрорельефом (микроповышения, микросклоны, микропонижения - западины), с которым связано перераспределение снега и талых вод и соответственно комплексность почвенного, растительного покрова. Грунтовые воды до начала 80-х годов прошлого века колебались на глубине 6-7 м. Затем обнаружился их устойчивый подъем до 4.5-5.5 м в начале текущего столетия (мощность капиллярной каймы 3 м). Питание их происходит через западины, падины и лиманы. Воды застойны, их состав и концентрация резко меняются в пространстве в зависимости от рельефа. В депрессиях мезо- и микрорельефа имеются линзы пресной воды гидрокарбонатного состава. Под микросклонами и микроповышениями воды хлоридно-сульфатные с концентрацией солей от 6-10 до 20 г/л.
В прошлом веке весеннее приращение запаса влаги в почве только на микросклонах равнялось примерно норме осадков за холодное полугодие - 144 мм. Микроповышения получают в среднем 60% (80 мм), а западины 250% (332 мм) В связи с этим на трех элементах микрорельефа сформировались резко отличающиеся друг от друга биогеоценозы, фрагменты которых, закономерно сочетаясь друг с другом, образуют на межпадиной равнине своеобразный мелкоконтурный трехчленный полупустынный солонцовый комплекс (рис.).
Основной фон межпадинной равнины (50-60% ее площади) образуют солончаковые солонцы, приуроченные к микроповышениям. Для них характерны чернополынные и прутяково-чернополынные сообщества с разреженным низкопродуктивным травостоем (запас воздушно-сухой фитомассы - 8.9 ц/га). В депрессиях микрорельефа - западинах, занимающих 25% площади комплекса, развиты темноцветные черноземновидные (лугово-каштановые) почвы со степной разнотравно-злаковой растительностью относительно высокой продуктивности (28.7 ц/га). Западины обычно окаймлены узкими полосами микросклонов с солонцеватыми, светло-каштановыми, зональными почвами и растительным покровом из пустынно-житняково-ромашковых ассоциаций (Большаков, 1974; Оловянникова, 1966).
Преобладание солончаковых солонцов, характеризующихся наличием солонцового горизонта с плохими физическими свойствами, создает большие трудности в освоении
полупустынного комплекса межпадинной равнины. Этот горизонт почти водонепроницаем, слитен в сухом состоянии и вязок во влажном. Кроме того, в солончаковых солонцах большие запасы легкорастворимых солей (до 3% от веса сухой почвы, в основном сульфата и хлорида натрия), вредных для растений, залегают с глубины 30-35 см от поверхности. Все это свидетельствует, что освоение почв полупустынного комплекса возможно только при коренной мелиорации солонцов. Межпадинная равнина до середины ХХ века использовалась только под пастбища, а в редкие благоприятные по увлажнению годы и под сенокосы.
Рис. Карта растительности
полупустынного солонцоватого
комплекса межпадинной равнины. Обозначение сообществ: 1 -чернополынные и прутняково-чернополынные на солончаковых солонцах микроповышений; 2 -пустынно-житняково-ромашниковые на светло-каштановых почвах микросклонов; 3 - разнотравно-злаковые на лугово-каштановых почвах западин; 4 - бутаны (сусликовины). Fig. Map of semidesertic solonetz complex on the plain between mesodepressions. Designations of plant communities: 1 - Artemisia pauciflora and Artemisia pauciflora-Kochia prostrata on solonchacous solonetzes of microelevations; 2 - Agropyron desertorum-Tanacetum achilleifolium on light-chestnut soils of microslopes; 3 - steppe grass-cereal communities on meadow-chestnut soils of microdepressions; 4 - butanes (holes of у ' P ["'_] : j v ' [у].;. Spermophilus pygmaeus).
За многие десятилетия на стационаре выполнено очень большое количество работ и, особенно, учеными Института лесоведения РАН, Почвенного института им. В.В. Докучаева, Института проблем экологии и эволюций РАН им. А.Н. Северцова, МГУ им. М.В. Ломоносова, Ботанического Института РАН им. В. Л. Комарова и других учреждений. Опубликовано более 20 монографий и 400 статей. В рамках данной статьи их нельзя охарактеризовать и мы отсылаем читателя к более подробным представлениям (Вомперский и др., 1984, 2000) и непосредственно к ряду монографий и крупных изданий: А.А. Роде, М.Н. Польский (1961), Т.К. Гордеева, И.В. Ларин (1965), И.Н. Оловянникова (1966), Л.Г. Динесман (1960), «Животные искусственных лесных насаждений в глинистой полупустыне» (1971), «Биогеоценотические основы освоения полупустыни Северного Прикаспия» (1974), А.Ф. Большаков с соавторами (1983), «Повышение продуктивности полупустынных ...» (1989), Г.В. Линдеман, (1993) и некоторые другие.
Однако одно направление работ, которое мы считаем венцом коллективной деятельности ученых стационара, является совершенно оригинальным в России примером решения ключевой для полупустыни задачи - разработка лесоаграрной (лесомелиоративной) системы повышения продуктивности земель межпадинной равнины (Большаков и др., 1983; Вомперский, Оловянникова, 1984). Солончаковые солонцы занимают на равнине половину площади. Здесь требовалось обосновать богарную систему одновременной борьбы с
засолением и с недостатком влаги и доказать возможность получения удовлетворительных урожаев зерновых культур.
Эту задачу решили после того, как была доказана возможность полосного лесо-выращивания, если в древесной полосе из вяза приземистого мало рядов (1-3), достаточна площадь питания каждого дерева, если за ними первые годы ухаживают. Почва должна быть предварительно подготовлена к рассолонцеванию и рассолению глубокой плантажной вспашкой. Вывернутый гипс при промывке талыми водами от снегозадержания делает верхнюю толщу почвы пригодной к культурному использованию (фото. 1).
Фото. 1. Трехлетние посадки вяза приземистого по бороздам после плантажной вспашки. Фотоархив Института лесоведения РАН. Photo. 1. Three-year plantations of an elm on the soil after plantage plowing. The photoarchive of Institute of Forest Science RAS.
Нарушение упомянутых условий ведет к ослаблению посадок, массовому размножению энтомовредителей - заболонника Кирша (Эрперт, Линдеман, 1973) и гибели деревьев. Однорядные полосы располагались на самих возделываемых полях с расстояниями между полосами - 4G, 5б и 6G-8G м. Такие поля занимают 1/3-1/4 площади, а 2/3-3/4 соседней площади - снегосборные, сдувание снега с которых аккумулируется облесенными. В среднезасушливые годы (каждые б лет из 1G) урожайность «облесенных» полей была в 1.5-3.G раза выше «открытых» полей по итогам 14-летних сборов и документированной сдаче зерна стационаром госзаготовительным органам Джаныбекского района.
Какие важные в методологии биогеоценологического подхода выводы можно сделать из опыта Джаныбекского стационара? Время его организации (195G) совпало с завершением разработки академиком В.Н. Сукачевым концепции «биогеоценоза» и нового направления науки «биогеоценологии» (Сукачев, 1944, 1945, 1947). Биогеоценоз рассматривается как элементарная экосистема (ячейка биосферного покрова), как природное единство растений, животных, микроорганизмов со средой обитания. В. Н. Сукачев считал необходимым изучать биогеоценоз комплексно, учеными разных специальностей (лесоведы, почвоведы, геоботаники, зоологи, растениеводы, агрономы и др.), раскрывая его сезонную и погодичную динамику. Такие исследования требуют наличия стационаров с организованной инфраструктурой объектов наблюдений (фото. 2).
Реализация биогеоценотического подхода в исследованиях на Джаныбекском стационаре, впервые осуществленная в таких масштабах (по разнообразию научных направлений, площадей опытов, концентрации материальных и финансовых средств и т. п.) предопределила успех экологических исследований и спустя полвека созданные здесь объекты признаны
«Памятником Федерального значения»
Джаныбекский стационар является, вероятно, единственным в мире местом со столь многолетними (более полувека) комплексными экологическими наблюдениями в полупустыне, доказавшими, что обоснование новых приемов ее рационального использования требует длительности наблюдений двух-трех поколений ученых, сопряженных преемственностью задач, объектов и данных исследований. В частности, ряд важных оценок на основе работ первых двух-трех десятилетий в последующие десятилетия оказались небезусловными. Первоначальные практические рекомендации были уточнены, либо нуждались в дальнейших исследованиях и совершенствовании.
Фото. 2. Академик В.Н. Сукачев знакомится с результатами закладки полезащитных полос на Джаныбекском стационаре (Фотоархив Института лесоведения РАН). Photo. 2. Academician V.N. Sukachyov gets acquainted with results of a bookmark of windbreak fields on the Dzhanybek Research Station (The photoarchive of Institute of Forest Science RAS).
В самом общем виде можно указать на три группы этих методологических трудностей. Первая - обусловлена медленностью изменения тех или иных естественных или антропогенно-нарушаемых процессов, которые лучше выявляются кумулятивно на большем временном масштабе. Вторая - состоит в том, что все методы оптимизации природной среды в любых природных зонах лишь «временно» смягчают (нейтрализуют) отрицательные следствия фундаментальных природных факторов и процессов. Они - первопричина (климат, рельеф, четвертичные отложения и др.), продолжают действовать, а средства борьбы (лесонасаждения, вспашка, удобрения, дренажная сеть и пр.) - стареют, разрушаются, либо переоценивались в их эффективности. Наконец, третья группа факторов - колебание естественного состояния природной среды: климата, геологических процессов (тектоника), глубины грунтовых вод и т. п.
Среди уроков необходимости длительных наблюдений на Джаныбекском стационаре
заслуживают внимания следующие.
В системе рационального использования полупустынь на основе первых двух-трех десятилетий опытов, казалось, что выращивание высокопродуктивных насаждений (дуб, вяз, тополь) в больших падинах не вызывает сомнения. Однако, позднее анализ гидрологических характеристик и годичной продукции фитомассы древостоев установил, что потребляемая древостоями влага на десукцию быстро стала исчерпывать выпуклую «линзу» пресных подземных вод, характерную для падин. Пресная вода начала замещаться гидростатическим притоком грунтовых соленых вод, а древостои - терять устойчивость (Оловянникова, 1977; Базыкина, Максимюк, 1978; Оловянникова, Линдеман, 2000; Сапанов, 2003 и др.). Вероятная контрмера - регулирование густоты древостоя или полосное облесение, чтобы уменьшить расход влаги на транспирацию. Вопрос оптимальной структуры лесных культур на больших падинах подлежит дальнейшему уточнению (фото. 3).
Фото. 3. Пятидесятилетние посадки дуба в большой падине на лугово-каштановых почвах (фото М.Л. Сиземской). Photo. 3. Fifty years' plantations of an oak in big mesodepression on meadow-chestnut soils (photo by M.L. Sizemskaya).
В одном из самых сложных и лучших решений проблемы сельскохозяйственного использования глинистой полупустыни - создание агролесомелиоративных систем - уже спустя 25-30 лет сделана ревизия ранее рекомендованного расстояния между одно-двухрядными лесополосами (40-50 м) на засеваемых полях. Оно должно быть увеличено.
Разрастание корней вяза в стороны ведет к смыканию их с корнями соседних лесополос и зерновые культуры не могут конкурировать с ними за влагу, урожай падает ниже контрольного - без полос (Оловянникова, Сиземская, 1991; Оловянникова, 1994). Было предложено использовать такие межполосные поля для травосеяния.
Новые трудности продолжают возникать. Выявленное за последние десятилетия глобальное потепление климата нанесло серьезный удар идеологии богарной лесомелиорации в полупустыне Прикаспия. Изменилось соотношение твердых и жидких осадков из-за теплых зим. Лесные полосы - главный инструмент снегозадержания, не могут выполнять мелиоративную роль - увеличить влагозарядку самих полос и защищаемых ими полей (Сапанов, 2003).
Наконец, фактор времени в лесоэкологических исследованиях и оптимальности предлагаемых мер повышения продуктивности глинистой полупустыни ставит еще одну новую задачу. На Прикаспийской низменности в последние десятилетия отмечается подъем грунтовых вод. Вместо типичной для 60-80-х годов прошлого века глубины грунтовых вод 67 м, последние годы она стала 4-5 м. «Мертвый» горизонт влагораспределения в профиле почвы вероятно исчез и капиллярная кайма достигает корнеобитаемой толщи, а в отдельные периоды - и поверхности. Это грозит засолением почвы при физическом испарении с ее поверхности капиллярной влаги.
Приведенные примеры говорят о том, что исследователи северного Прикаспия стоят перед новыми задачами. Необходимо определить теперешнее состояние качества местопроизрастания солонцового комплекса пустыни, оно становится другим, чем было в 6080 гг. прошлого века. Не исключены коррекции испытанных ранее технологий и разработка новых. Уникальность рукотворного оазиса в северном Прикаспии, наблюдаемая здесь динамика экосистем во времени - свидетельство успешного применения комплексного биогеоценотического подхода к изучению живой природы и необходимости многолетнего мониторинга для получения надежных выводов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Базыкина Г.С., Максимюк Г.П. 1978. Влияние древесных насаждений на режим и состав почвенно-грунтовых вод под большими падинами Северного Прикаспия // Вопросы гидрологии и генезиса почв. М.: Наука. С. 32-45. Биогеоценотические основы освоения полупустыни Северного Прикаспия. 1974. М.: Наука. 360 с.
Большаков А.Ф. 1958. Опыт мелиорации солончаковых солонцов и пути освоения почв
солонцового комплекса // Труды Института леса АН СССР. Т. 38. С. 12-20. Большаков А.Ф. 1974. Природные биогеоценозы и условия их существования // Биогеоценотические основы освоения полупустыни Северного Прикаспия. М. Наука. С. 6-34.
Большаков А.Ф., Эрперт С.Д., Шейнин Л.Б. 1983. Пути сельскохозяйственного освоения
полупустыни. М.: Наука. 72 с. Вомперский С.Э., Оловянникова И.Н. 1984. Лесоаграрная система освоения полупустынных
земель Прикаспия // Известия РАН. Серия биологическая. № 5. С. 675-686. Вомперский С.Э., Оловянникова И.Н., Базыкина Г.С., Сапанов М.К., Сиземская М.Л. 2000. Основные итоги биогеоценотических исследований и лесомелиорации в полупустыне Северного Прикаспия // Почвоведение. № 11. С. 1305-1317. Гордеева Т.К., Ларин И.В. 1965. Естественная растительность полупустыни Прикаспия как
кормовая база животноводства. М.-Л.: Наука. 160 с. Динесман Л.Г. 1960. Изменение природы северо-запада Прикаспийской низменности. М.: Издательство АН СССР. 160 с.
Животные искусственных лесных насаждений в глинистой полупустыне (по материалам Джаныбекского стационара). 1971. М.: Наука. 198 с.
Линдеман Г.В. 1993. Взаимоотношения насекомых-ксилофагов и лиственных деревьев в засушливых условиях. М.: Наука. 206 с.
Оловянникова И.Н. 1966. Водный режим растительности солонцового комплекса Прикаспия и условия лесоразведения. // Искусственные насаждения и их водный режим в зоне каштановых почв. М.: Наука. С. 186-308.
Оловянникова И.Н. 1977. Баланс влаги в черноземовидной почве под насаждением вяза мелколистного // Почвоведение. № 12. С. 77-87.
Оловянникова И.Н., Линдеман Г.В. 2000. О причинах недолговечности культур вяза мелколистного на юго-востоке Европейской России в лучших условиях роста // Лесоведение. № 5. С. 22-42.
Оловянникова И.Н., Сиземская М.Л. 1991. Взаимодействие компонентов агролесомелиоративной системы на солонцовом комплексе Прикаспия // Лесоведение. № 4. С. 3-14.
Оловянникова И.Н. 1994. Функционирование агролесомелиоративных систем на почвах солонцового комплекса Северного Прикаспия // Лесоведение. № 2. С. 54-64.
Повышение продуктивности полупустынных земель Северного Прикаспия. 1989. М.: Наука. 197 с.
Роде А. А. 1963. Водный режим и баланс целинных почв полупустынного комплекса // Водный режим почв полупустыни. М.: Издательство АН СССР. С. 5-84.
Роде А.А., Польский М.Н. 1961. Почвы Джаныбекского стационара, их морфологическое строение, механический и химический состав и физические свойства // Труды Почвенного института им. В.В. Докучаева. Т. 56. С. 3-214.
Сапанов М.К. 2003. Экология лесных насаждений в аридных регионах. Тула.: Гриф и К. 248 с.
Сукачев В.Н. 1944. О принципах генетической классификации в биогеоценологии // Журнал общей биологии. № 4. С. 213-227.
Сукачев В.Н. 1945. Институт леса Академии наук СССР и его задачи // Вестник АН СССР. №1-2. С. 34-45.
Сукачев В.Н. 1947. Основы теории биогеоценологии // Основы лесной биогеоценологии. МЛ.: Издательство АН СССР. С. 283-305.
Эрперт С.Д., Линдеман Г.В. 1973. Рост и долговечность вяза мелколистного в насаждениях различного строения // Лесоведение. №5. С. 50-56.
ECOLOGICAL INVESTIGATIONS AND SOME LESSONS OF SEMI-DESERT DEVELOPMENT IN NORTHERN PRICASPIAN LOWLAND
© 2010. S.E. Vompersky
Institute of Forest Science of Russian Academy of Sciences Russia, 143030Moscow area, Odintsovskii distr., Uspenskoe, Sovetskaja str., 21. E-mail: root@ilan.ras.ru
Abstract. In article the main scientific and applied results 60-year-long biogeocenological researches in clay semi-desert Northern Pricaspian Lowland, executed on the basis of the Dzhanybek research station of Institute of Forest Science of the Russian Academy of Sciences are stressed. Efficiency of the biogeocenological approach in ecosystem researches is considered. It is noticed, that the substantiation of rational (more intensive) methods of use of semi-desert on the ecosystem level demands long researches and monitoring. The ways of development, successful in first two-three decades, need later corrections.
Key words: clay semi-desert, massive and field-protective forestation, biogeocenosis, stationary researches.
