Гидротермические условия формирования видового состава и продуктивности фитоценозов Терско-Кумской низменности

Гасанов Г.Н.; Асварова Т.А.; Гаджиев К.М.; Ахмедова З.Н.; Абдулаева А.С.; Баширов Р.Р.; Султанахмедов М.С.; Салихов С.А.

==—— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ——==

УДК 551.509.22 (4 70.67)

ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВИДОВОГО СОСТАВА И ПРОДУКТИВНОСТИ ФИТОЦЕНОЗОВ ТЕРСКО-КУМСКОЙ НИЗМЕННОСТИ

*Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ РАН Россия, 367025 Махачкала, ул. М. Гаджиева 45. E-mail: nikuevich@mail.ru **Отдел математики и информатики ДНЦ РАН Россия, 367025 Махачкала, ул. М. Гаджиева, 45.E-mail: Sultanakhmedov@gmail.com *** Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Дагестан Россия, 367025 Махачкала, ул. Маркова,33

Поступила 09.12.2013

Рассмотрена динамика испаряемости, коэффициента увлажнения и других климатических показателей за последние 120 лет. Рассчитаны интегралы засушливости и увлажненности территории за 2011-2012 гг., зависимости между ними и накоплением надземной фитомассы по сезонам и годам исследований.

Ключевые слова: испаряемость, коэффициент увлажнения, интеграл увлажненности, видовой состав, накопление фитомассы.

Обоснование исследований

Биологическая продуктивность ландшафтов мира исследуется, начиная с 60-х годов прошлого века, в рамках выполнения «Международной Биологической Программы». Этими исследованиями охвачены более 500 экосистем Евразии, Северной, Южной Америки и Карибского бассейна, Африки, Австралии и Океании (Базилевич, Титлянова, 2008). В таких масштабных исследованиях количественно определить интенсивность и структуру накопления фитомассы применительно к природным зонам или провинциям (не говоря о более мелких почвенно-географических структурах) очень сложно и эти данные носят приближенный характер. Проведенные исследования по этим вопросам у нас в стране А.А. Титляновой (1988) и за рубежом Б.А. Clark и др. (2001), несмотря на их территориальную масштабность, полностью не охватывают разнообразие природных ландшафтов. Они не всегда базируются на экспериментальных данных по изучению действия и взаимодействия различных экологических факторов (гидротермических условий, типа почвы, степени и химизма засоления, глубины расположения соленосных горизонтов), обуславливающих формирование биологической продуктивности ландшафтов.

В этой связи актуальным является вопрос о накоплении живого органического вещества в ландшафтах с различными типами почв Юго-Западного Прикаспия (на примере Терско-Кумской низменности), который является важным районом отгонного животноводства для сельскохозяйственных предприятий Дагестана, Чеченской Республики и других сопредельных регионов.

Начиная с 70-х годов прошлого века, выполнено немало исследований по изучению биологической продуктивности экосистем дельты Терека, составлена картосхема биопродуктивности растительных сообществ (Залибеков, Яруллина, 1982; Яруллина, 1983). Проведен сравнительный анализ фитоценотических показателей эфемерово-полынных сообществ, свидетельствующий об усилении деградационных процессов (Муратчаева и др., 2013). Во всех этих исследованиях отмечается усиление аридизации климата в регионе.

Однако эти выводы об ухудшении природных условий за последние годы не базируются на анализе климатических факторов в рассматриваемом регионе, хотя в литературе имеются сведения о том, что эти условия в Прикаспии не ужесточаются, наоборот, смягчаются (Сотнева, 2004; Щербуль, 2006). Очевидно, необходимы дополнительные исследования по определению тренда климатических условий Северо - Западного Прикаспия за продолжительный период времени 100-120 лет, и выявлению их влияния на процессы деградации почв и пастбищных угодий. Результаты этих

исследований позволят оценить роль, дестабилизирующих экосистему природных и антропогенных факторов, каждого в отдельности.

Материалы и методы исследования

Материалом для характеристики климата являются данные метеостанции Кочубей. Характеризовались следующие климатические показатели: сумма месячных осадков, среднемесячные температуры и влажность воздуха, испаряемость, коэффициент увлажнения. Значения испаряемости (Е0) рассчитывали по формуле Н.Н. Иванова (1954):

Ео = 0.028(25+Т)2 х (100-а) мм/месяц (1)

где Т - температура воздуха, °С, а - относительная влажность воздуха, %.

Коэффициент увлажнения (К) определялся как отношение суммы осадков за год (Я) к испаряемости (Е0). Дефицит увлажнения соответствует разности между испаряемостью и осадками.

Исследования первичной продуктивности травяных фитоценозов проводились в Кочубейской биосферной станции Прикаспийского института биологических ресурсов (ПИБР) ДНЦ РАН на трех типах почв: солончаке типичном, светло-каштановой и лугово-каштановой. Экспериментальные участки, площадью по 100 м2 обнесены железной сеткой во избежание потрав фитомассы скотом. Каждый из участков разбит на 100 постоянных площадок размером по 1м2 (1м х 1м), полиэтиленовым шпагатом. Такая разбивка сохраняется на весь период проведения экспериментальных исследований с 2011 по 2013 гг. Образцы почвы и фитомассы ежегодно берутся восемь раз: в первой декаде каждого месяца с апреля по ноябрь включительно. Пробы в пределах каждого участка брались с 4 площадок (100 площадок при каждом сроке).

Запасы надземного и подземного растительного вещества учитывались по методике А.А. Титляновой (1988). Надземную массу определяли укосным методом, с выделением фракций: живая фитомасса, ветошь (мертвые части растений, не лишенные связи с растениями), надземная мортмасса (мертвые остатки растений на поверхности почвы, лишенные связи с растениями). Подземную массу определяли в эти же сроки на тех же учетных площадках после скашивания надземной массы до глубины 60 см методом монолита. Размер монолитов 10x10x10 см, повторность 4 кратная. Названия видов растений даны по С.К. Черепанову (1981).

Результаты и обсуждение исследований

По обеспеченности теплом и влагой территория Терско-Кумской низменности относится к областям недостаточного увлажнения умеренного пояса с суммой температур более 10°С 2200-4000°С. Климатические характеристики соответствуют полупустынным условиям и приведены в работах З.Г. Залибекова и Н.А. Яруллиной (1982). К сожалению, испаряемость и коэффициент увлажнения (КУ) территории ранее никем не исследовались. Имеются лишь сообщения, не подтвержденные соответствующими расчетами и анализом, о том, что КУ в Терско-Кумской низменности равен 800-1000 (Щербуль, 2006) или 795 (Яруллина, 1983). Других данных по этому вопросу нет.

Проведенный нами анализ показал значительные изменения основных климатических показателей за последние 60 лет по сравнению с предшествовавшими годами (табл.). Резко (в 1.6 раз) увеличилась относительная влажность воздуха, что, на наш взгляд, связано с масштабным строительством новых оросительных систем (суммарный водозабор только с одного Каргалинского гидроузла 240 м3/сек, общая площадь орошаемых земель, подкомандных этим системам, 320 тыс. га, увеличилась площадь рисовых оросительных систем в 5-6 раз). Сыграл свою роль и подъем уровня Каспийского моря в 70-90 годы ХХ века (Сотнева, 2004; Щербуль, 2006). В силу указанных причин, испаряемость здесь за последнее шестидесятилетие снизилась в 1.24 раза, коэффициент увлажнения от экстрааридных (очень сухих) перешел в разряд аридных (сухих) областей.

Таким образом, утверждение о том, что в последние годы на территории Юго-Западной части Прикаспийской низменности усиливается аридизация климата, не соответствует действительности.

Таблица. Метеорологические показатели по Терско-Кумской низменности за периоды 1881-1948гг. и 19512010 гг. Table . Meteorological parameters on the Terek-Kuma Lowland during the period 1881 - 1948 . and 1951 to 2010 years.

Показатель 1881-1948гг. 1951-2010гг 1951-2010гг. ± к 1881 -1948гг.

Температура воздуха,°С 11,0 11,6 +0,6

Сумма осадков, мм 292,0 249,5 -42,5

Относительная влажность воздуха, % 46,5 66,0 +19,5

Испаряемость, мм 1681 1350 -331

Коэффициент увлажнения 0,11 0,14 +0,03

Однако это не значит, что снижается антропогенный пресс на экосистемы. Он остается еще очень значительным из-за высокой нагрузки овцепоголовьем на пастбищные угодья, не соблюдения пастбищеоборота, правил перегона овец с равнины на летние пастбища и др. По этой причине малолетние травы и разнотравье не имеют возможности обсеменяться в летний период, что является одной из причин увеличения изреженности травостоя и снижения продуктивности фитоценозов. Об усилении дигрессии пастбищного фитоценоза свидетельствует увеличение однолетних адвентивных (Polygonum aviculare), а также рудеральных видов (Xanthium spinosum, Atriplex tatarica), пионерных растений (Ceratocarpus arenarius) и ухудшение динамики основных фитоценотических характеристик пастбищных угодий (Муратчаева и др., 2013).

При оценке продуктивности фитоценозов на рассматриваемой нами территории Н.А. Яруллина (1983) указывает на два пика продуктивности фитоценозов: весенний, за счет эфемеровой синузии, и осенний - состоящий преимущественно из галофитов. При этом подавляющее большинство их имеет высокую степень корреляции величины зеленой массы с осадками в период январь - апрель. Однако в наших исследованиях зимние осадки, в частности за январь-март, существенного влияния на продуктивность эфемеровой синузии не оказали. Так, за указанный период в 2011 г. выпало 50.4 мм осадков, в 2012 г. - 45.8 мм, всего на 8.7 мм меньше. А урожайность фитомассы в конце мая, когда наступила ее укосная спелость, составила в среднем по трем типам почв в 2011 г. 14.8 ц/га воздушно - сухой массы, в 2012 г. - в 6.2 раза меньше (рис. 1). Следовательно, продуктивность эфемеровых фитоценозов мало зависит от суммы осадков за январь-март. Очевидно, что продолжительные сильные ветры зимой, приносящие мороз и холод (Щербуль, 2006) на открытых просторах полупустыни выдувают то незначительное количество влаги, поступающее в почву в течение зимнего периода, до наступления оптимальных термических условий для прорастания эфемеров и эфемероидов.

Климаграммы за 2011 и 2012 гг. (рис. 1) нами составлены по методу Вальтера (Walter, 1964), где в засушливые периоды кривая температур воздуха располагается над кривой осадков, во влажные, наоборот, кривая осадков находится выше кривой температур. Для количественной оценки разных периодов были рассчитаны площади этих участков на графиках между линиями среднемесячных температур воздуха (°С) и суммарных месячных осадков (мм). Для вычисления площади засушливых периодов воспользовались формулами (интегралы):

Г : ;

для увлажненных периодов:

£тая(№(£) - Гф, 0) «ft

Наиболее значимыми для достижения высокой продуктивности эфемеровой синузии для рассматриваемых условий являются осадки за два месяца второго квартала года апрель - май, когда устанавливается оптимальная температура воздуха для вегетации растений - соответственно по месяцам 9.2 и 18.4°С в 2011г., 15.1 и 20.9°С в 2012 г. при 3.7 и 2.9°С по годам в марте. За этот период в 2011 г. выпало 85 мм осадков, интеграл увлажненности (2) составил 29.8, каждый из которых формировал на солончаке типичном по 0.23 ц/га, лугово-каштановой почве - 0.49, на светло-каштановой почве - 0.77 ц/га зеленой массы (учет приведен к воздушно-сухой массе) эфемеров. В

2012 г. осадков за тот же период выпало 25.3 мм (в 3.4 раза меньше), кривая увлажненности опускалась значительно ниже кривой атмосферных осадков, поэтому интеграл засушливости (3) составил 37.3. Разница его значений за указанный период по годам составила 67.1, что сказалось существенно на продуктивности эфемеровой синузии.

42,00

36,00

30,00

Я

„ 24,00 Я U и я

g 18,00

К Я

£ 12,00 t; о» т

6,00

0,00

-6,00

— — Гйртлп-каштанпрая.

зел. масса, ц/га

_ —Лугово-каштановая.

зел.масса, ц/га

— Солончак, зел.масса, ц/га

1

1 /

1 . /

/ 1

в 1

г / /

/ г

1_ 1

г 1 / 1 Г

\ V

1 1

_ г

ч /

V

V 1>

1

ill i

_ 7 1|п 1I1 1 2

_

месяцы

70,00

60,00

(J

50,00 °

га X

I

m О са

40,00

30,00

20,00

10,00

0,00

-10,00

га

а

>•

н

га а

0 с

1 Р

Рис. Климаграмма и динамика накопление живой надземной фитомассы (в переводе на воздушно-сухую) по типам почв в 2011 г. Штриховка над линией температуры - увлажненный период, под ней - засушливый период. Fig. Klimagramm and dynamics of living phytomass accumulation (in terms of air-dry) according to soil types in 2011. The shading above the line of temperature is moist period, under the line - the dry season.

Доминантами из эфемеровых злаков являются: мятлик однолетний (Poa annua L.), мятлик луковичный (Poa bulbosa L.), мортук восточный (Eremopyrum orientale (L.) Jaub. et Spach.), костер растопыренный (Bromus squarrosus L.), костер кровельный (Anisantha tectorum L.), полевичка малая (Eragrostis minor Host.), из крестоцветных бурачок пустынный (Alissum desertorum Stapf.).

Осадки в первых двух декадах июня 2011 г. не обеспечили заметного прироста фитомассы из-за высоких температур воздуха в течение этого и двух последующих месяцев (соответственно 24.3; 27.9 и 24.9°С). Их выпало всего 38.4 мм, из которых эффективными (5 мм и более) были 19.3 мм. Поэтому к указанному сроку урожайность фитомассы имела минимальные значения 0.1-6.0 ц/га в зависимости от типа почвы. После осадков 25 августа (25.8 мм) к концу октября она увеличилась до 5.9-8.8 ц/га.

Период с начала августа до конца октября оказался засушливым (интеграл засушливости равен 63.4) из-за высоких температур воздуха: 24.9; 19.6 и 12.6°С соответственно по месяцам. За этот период продолжался спад запасов фитомассы до середины третьей декады августа до 0.4 и 0.1 ц/га соответственно на светло-каштановой и лугово-каштановой почвах и до 6.0 ц/га на солончаке типичном. После осадков 25 августа (25.8 мм) к концу октября фитомасса увеличилась до 5.9-8.8 ц/га.

Зеленая фитомасса накопилась за счет разнотравья, в первую очередь, из семейства сложноцветных - полыни таврической (Artemisia taurica Willd.) и Лерха (Artemisia lerchiana Web.ex Stechm.), из семейства маревых - петросимонии супротивнолистной (Petrosimonia oppositifolia (Pall.) Litv.), петросимонии трехтычинковой (Petrosimonia triandra (Pall.) Simonk.), солянки южной (Salsola australis R. Br.), лебеды татарской (Atriplex tatarica L.), из семейства парнолистниковых парнолистника обыкновенного (Zygophyllum vulgaris L.), из злаковых — житняка пустынного (Agropyron desertorum (Fisch. Ex Link) Schult.) и др.

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

В 2012 г. эфемеры и эфемероиды не смогли формировать высокий запас фитомассы из-за исключительной засушливости климата весеннего периода (2.4 ц/га надземной биомассы в воздушно-

сухом весе). Видовой состав эфемеров, как и в 2011 г., представлен костром растопыренным (Bromus squarrosus L.), полевичкой малой (Eragrostis minor H.) , бурачком пустынным (Alyssum desertorum S.), мятликом однолетним, мортуком восточным (Eremopyrum orientale), костром кровельным (Bromus tectorum L.), и др., из эфемероидов: мятликом луковичным, костром пестрым (Bromus variegates Bieb.).

Осадков за это время выпало всего 25.3 мм при среднесуточной температуре воздуха в апреле 15.10С, в мае 20.90С. Интеграл засушливости составил 37.3. Такие метеорологические условия способствуют подъему водорастворимых солей к верхнему горизонту почвы и существенному изменению видового состава фитоценозов (Яруллина, 1983).

За июнь-июль 2012г. выпало 218,8мм осадков, еще 1б.3мм — в августе. Интеграл увлажненности с начала июня до середины августа составил 203,8. После этого начался буйный рост курая □ солянки грузинской (Salsola iberica (Sennen et Pau) Botsch.). В период с августа по октябрь в фитомассе встречались и другие представители солянковых - солянка южная (Salsola australis R.Br.), петросимония супротивнолистная, петросимония трехтычинковая, из сложноцветных полыни таврической и Лерха. Урожайность солянок составила б8.1. Но, доля курая в суммарной фитомассе была превалирующей на всех изученных типах почв — 93-97%. Так, на солончаке типичном, фитомасса накопилась в пределах 14.9-15.3 ц/га, на светло-каштановой и лугово-каштановой почвах -соответственно 53.б-б8.1 и 12.7-21.1 ц/га. Значения надземной фитомассы солянок в 2012 г. увеличилась по сравнению с 2011 г. на всех типах почв в 10-20 и более раз.

Надо отметить, что такого обилия (б0-7б растений на 1м2) растений Salsola iberica (Sennen et Pau Botsch.), такого интенсивного роста (до 1-1.2 м) и фитомассы, как в 2012 г., ранее в рассматриваемых условиях не наблюдалось, хотя очаги их встречались ежегодно на незначительных площадях. Биологическая особенность этого растения, очевидно, такова, что засушливый период в апреле-мае (интеграл засушливости 37.3), способствовавший подтягиванию водорастворимых солей к верхнему горизонту почвы, и последующая оптимизация условий увлажнения, способствуют достижению высокой продуктивности фитоценозов с Salsola iberica.

Средняя продуктивность фитоценозов на разных типах почв существенно отличалась по годам исследований. Наиболее высокой за годы исследований она была на светло-каштановой почве -14.8 ц/га, на солончаке типичном снизилась до б.9, на лугово-каштановой почве - до 7.3 ц/га. Несмотря на то, что в 2011 г. первая половина вегетационного периода имела более высокую увлажненность и обеспечила высокую продуктивность фитомассы, суммарный показатель ее все же более высоким оказался в 2012 г. за счет обилия и высокой продуктивности Salsola iberica.

Выводы

Исследование показало, что на Терско-Кумской равнине Прикаспия формирование видового состава сообществ и накопление фитомассы тесно связаны с динамикой гидротермических условий.

Тренд климатических условий на территории Терско-Кумской низменности, судя по показателям коэффициента увлажнения, склоняется от экстрааридных (КУ=0.11) в 1882-1945 гг. к аридным (КУ=0.14) за последние б0 лет.

Зимние и ранневесенние осадки (январь-март) в условиях полупустынного климата не используются для формирования фитомассы эфемеров. Для достижения высокой их продуктивности наиболее эффективны осадки за апрель - май в пределах 80-85.0 мм (2011 г.), когда устанавливается оптимальная температура воздуха для вегетации фитоценозов (9.2-18.40С). В этом случае интеграл увлажненности достигает 29.8, и способствует формированию на светло-каштановой почве 0.77 ц/га, на лугово-каштановой - 0.49, на солончаке типичном - 0.23 ц/га зеленой массы (воздушно-сухой) эфемеровой синузии. Уменьшение количества осадков в апреле-мае до 20-25 мм (2012 г.), при более высоких среднесуточных температурах воздуха (15.1-20.90С) формирует засушливость с показателем - интегралом около 30, урожайность фитомассы эфемеров по всем типам почв снижается до 2.4 ц/га.

Наибольшая продуктивность фитоценозов в среднем за годы исследований достигается на светло-каштановой почве - 14.8 ц/га воздушно-сухой надземной массы, на солончаке типичном она снижается до б.9, на лугово-каштановой - до 7.3 ц/га.

В том случае, когда интеграл засушливости в апреле-мае составляет 37.3 (2012 г.), а интеграл увлажненности за июнь-август увеличивается до 203.8 (осадки 234.7 мм, среднемесячная температура

воздуха 24.7-26.2°С), обеспечивается высокая продуктивность фитоценоза за счет увеличения численности и надземной фитомассы Salsola iberica на солончаке типичном (24.9 ц/га) и светло-каштановой почве (68.1 ц/га), Artemisia taurica и A. lerchiana - на лугово-каштановой почве (16.3 ц/га).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Базилевич Н.И., Титлянова А.А. 2008. Биотический круговорот на пяти континентах. Азот и зольные элементы в

природных наземных экосистемах. Новосибирск: Изд. СО РАН. 381с. Залибеков 3.Г., Яруллина Н.А. 1982. Об итогах и перспективах развития исследований в области биологической продуктивности ландшафтов Дагестана // Биологическая продуктивность ландшафтов Дагестана. Махачкала: Изд. Даг. филиала АН СССР, отдел биологии. С. 5-22. Иванов Н.Н. 1954. Об определении величин испаряемости // Известия Всесоюзного географического

общества. Т. 86. № 2. С. 186-196. Муратчаева П.М.-С., Хабибов А.Д., Шахназарова А.Б., Сулейманова P.M. 2013. О закономерностях стадий проявления дигрессии в эфемерово-полынных сообществах Терско-Кумской низменности // Аридные экосистемы. Т. 19. №7 (54). С. 67-77. Сотнева Н.И. 2004. Динамика климатических показателей второй половины XX века Джаныбекского

стационара Северного Прикаспия // Известия РАН. Серия географическая. № 5. С.74-83. Титлянова А.А. 1988. Продуктивность травяных экосистем // Биологическая продуктивность травяных экосистем. Географические закономерности и экологические особенности // Под ред. В.Б. Ильина. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е. С. 109-127. Черепанов С.К. 1981. Сосудистые растения СССР. Л.: Наука. 510 с.

Щербуль 3.3. 2006. Опустынивание как следствие снижения уровня грунтовых вод // Материалы научно-практической конференции «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Южного федерального округа»: Сборник трудов ИГ ДНЦ РАН. Вып. 50. Махачкала: Изд. Даг. филиала АН СССР. С. 168-170. Яруллина Н.А. 1983. Первичная биологическая продуктивность почв дельты Терека. М.: Наука. 87с. Walter Н. D. 1964. Die tropicshen und subtropischen Zonen. Jena // Vegetation der Erde in oko-physiolohischei

Betrachtung. Veb Guster Fischer Verlag, Vol. 1. 551 p. Clark D.A., Brown S., Kicklighter D.W. 2001. Net primary production in tropical forests: an evaluation and synthesis of existing field data // Ecology Applied. Vol. 11. P. 371-384.

HYDROTHERMAL CONDITIONS OF FORMATION OF SPECIES COMPOSITION AND PRODUCTIVITY OF PLANT COMMUNITIES OF THE TEREK - KUMA LOWLAND

*Caspian Institute of Biological Resources of Dagestan Scientific Center of Russian Academy of Sciences **Department of Mathematics and Computer Science of Dagestan Scientific Center of the Russian Academy

of Sciences

Russia, 367025Makhachkala, Gadjieva str.45. E-mail: Sultanakhmedov@gmail.com, nikuevich@mail.ru

***The Ministry of Agriculture and Food of Dagestan Russia, 367025, Makhachkala, Markova str. 33

The dynamics of volatility, coefficient of moisture and other climate indicators over the last 120 years. Integrals calculated aridity and moisture area for 2011 to 2012., the relationship between them and the accumulation of aboveground biomass of seasonal and year of studies.

Keywords: evaporation, wetting coefficient, integral of moisture, species composition, phytomass accumulation.

Текст научной работы на тему «Гидротермические условия формирования видового состава и продуктивности фитоценозов Терско-Кумской низменности»