CC BY
13
УДК 631.46.630.114.3
ОПЫТ ПОВЫШЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОМ ПРОДУКТИВНОСТИ ДЕГРАДИРОВАННЫХ ГОРНЫХ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ ГУНИБСКОГО ПЛАТО)
© 2011 г. М.К. Курамагомедов
Горный ботанический сад Дагестанского научного центра РАН, ул. М. Гаджиева, 45, г. Махачкала, Республика Дагестан, 367000, mountain@iwt. т
Mountain Botanical Garden of Dagestan Scientific Centre RAS, Gadgiev St., 45, Makhachkala, Republic Dagestan, 367000, mountain@iwt.ru
Приводятся результаты многолетних исследований по влиянию посадок древесных растений на эрозию почв в горных условиях. Установлено, что в деградированной почве под действием лесных культур и многолетних естественных трав, образующих значительную надземную и подземную фитомассу, биохимические процессы изменяются в направлении восстановления плодородия почвы. Повышается микробиологическая активность почвы, увеличивается содержание гумуса, фосфора и калия.
Ключевые слова: почва, структура, фитомасса, продуктивность, гумус, лесные культуры.
Results of numerous researches by influence of woody plantings on soil erosion in mountain conditions are adduced. It is determined that under the influence of woody plants and perennial natural grasses which forms above-ground and underground phytomass, the biochemical processes in degraded soil are changing and renewal of soil fecundity are going — by increasing of microbiological activity of soil, conenose of humus, phosphorus, potassium.
Keywords: soil, structure, phytomass, productivity, humus, erosion, woody plants.
В настоящее время с возрастанием антропогенной нагрузки, связанной с интенсивностью лесорубок, перегруженностью пастбищ, деградированность почв горной зоны Дагестана приобретает масштаб региональной экологической проблемы. По данным почвен-но-эрозионных исследований [1], только в предгорных и горных районах Дагестана ежегодный смыв почвы со всех эродированных земель в среднем составляет 12 млн т, при этом вместе с почвой за пределы полей уносится примерно 50 тыс. т гумуса, 26,4 тыс. т азота, 18 тыс. т фосфора и 264 тыс. т калия. В среднем 24 % от годового количества атмосферных осадков (примерно 120 мм) теряется в виде поверхностного стока, что в пересчете на 1 га составляет 1200 м3/га воды.
Эрозионные процессы находятся в самой непосредственной связи с характером растительности. Согласно [2], растительность может быть приблизительно размещена в такой последовательности (в порядке снижения ее противоэрозионных свойств): лесные насаждения, травянистая естественная растительность, плодовые насаждения при задернении междурядий, посевы сельскохозяйственных растений.
Статья посвящена изучению влияния длительного возделывания древесной и травянистой естественной растительности на эрозионные процессы. Исследования проводились в 1995-2000 гг. и 2009 г. на склоне крутизной 26^30° Юго-восточной экспозиции территории Гунибской экспериментальной базы Горного ботанического сада ДНЦ РАН (1750 м над уровнем моря).
Почва горно-луговая, сильносмытая, тяжелосуглинистая характеризуется следующими агрохимическими показателями: рН водный - 7,1^7,6; содержание гумуса - 1,5^1,9; подвижного фосфора и калия -0,8^1,2 и 35,0^49,0 мг/100 г почвы. Стоковые площадки заложены по всей длине делянки. Повторность опыта трехкратная, площадь делянки - 98 м2 На опытных делянках проведены посадки древесных пород: алычи растопыренной, барбариса обыкновенного, груши кавказской, можжевельника продолговатого, сосны Со-сновского, шиповника собачьего, яблони лесной. Для
посадки использовали 1, 2-летние саженцы. Междурядья заняты естественной растительностью.
Определялись следующие показатели: влажность почвы [3], её микробиологическая активность [4], продуктивность подземной фитомассы (методом отбора почвенных монолитов), агрегатный состав почвы по Савинову [5], годичный прирост древесных пород по общепринятой методике, фракционный состав корней [6], содержание гумуса по Тьюрину, подвижного фосфора и калия по Мачипину.
Продуктивность надземной фитомассы естественного травостоя учитывали укосным методом. Укосы разбирались с выделением агроботанических групп растений (бобовые, злаки, разнотравье), учитывали ветошь и подстилку. Статистическая обработка данных проведена по Вознесенскому [7].
Размеры потерь питательных веществ из почвы определяются в основном поверхностным стоком воды и смывом почвы. Гидротермические условия формирования стока воды в годы проведения исследований были различными.
Зима 1995 г. была малоснежной. При годовом количестве осадков 511,7 мм на зимний период приходится 45,9^73,8. Повторялись частые оттепели с образованием в ночное время на поверхности плотной ледяной корки. Максимальная высота снежного покрова отмечена в феврале (30^40 см), а глубина замерзания почвы - 10^15 см; весна и осень были засушливыми, почва перед зимой оставалась слабоув-лажненной. Основное количество осадков пришлось на летние месяцы.
В январе-феврале 1996 г. периоды со слабыми морозами сменились оттепелями, во время которых снег полностью таял. Земля промерзала незначительно и на короткое время.
Высота снежного покрова колебалась в пределах 8-27 см. С марта по май выпало 167 мм осадков. Первая половина лета и осень были засушливыми.
В 1997 г. в течение зимы и до конца марта снежный покров возобновлялся 8 раз. Запасы воды в снеге колебались в пределах 3^5 л/м2. Высота снежного
покрова не поднималась более 11 см. Распределение осадков по летним месяцам было неравномерным. Больше всего их выпало в июле (225 мм). Осень была теплой и сухой.
Зимний период 1998 г. характеризуется значительным количеством осадков. Последний снег выпал в начале апреля. Высота снежного покрова - 8^11 см. Максимальная высота отмечена в январе и марте. Лето и осень были засушливыми.
В 1999 г. зима была малоснежной и сравнительно устойчивой. В первой её половине происходило постепенное наращивание снежного покрова до 20 см. К концу марта наступила глубокая оттепель, во время которой снег полностью растаял. В начале и середине
мая повторно выпал снег, но удержался лишь несколько дней. Меньше всего осадков приходилось на июль. Осень была влажной и прохладной.
В 2000 г. распределение осадков по времени года было неравномерным. На зимний период приходилось значительное количество. Высота снежного покрова изменялась от 10 до 95 см, в феврале и марте -максимальная. Лето было засушливым. В июне и августе осадков почти не выпало. Осень была влажной, и почва перед зимой была хорошо увлажнена.
В зависимости от погодных условий изменяется влажность и температура почвы. Согласно полученным данным (табл. 1), изменение влажности по месяцам в разные годы происходит неодинаково.
Таблица 1
Динамика влажности (Вл) и температуры (Т) почвы (числитель - контроль, знаменатель - опыт)
Год Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь
Вл, % Т, °С Вл, % Т, °С Вл, % Т, °С Вл, % Т, °С Вл, % Т, °С Вл, % Т, °С
1995 15,3 15,9 - 32,4 41,7 - 21,3 22,1 - 25,4 24,0 - 29,5 28,5 - - -
1996 27,4 26,0 19 19 25,6 23,3 21 20 14,9 13,7 23 24 20,8 19,0 23 21 - - 15,7 18,4 18 17
1997 38,0 32,9 12 10 26,9 28,4 20 21 55.5 44.6 21 20 31,2 29,4 16 18 22,0 26,0 15 16 - -
1998 26,7 25,6 19 19 16,7 18,0 21 23 18,8 18,1 27 27 18,5 19,5 21 20 20,4 19,9 20 20 - -
1999 20,9 21,0 15 16 17,6 20,3 22 22 15,7 16,1 28 28 17,9 18,4 23 23 - - 27,7 27,5 9 9
2000 50,7 54,7 17 17 16,6 16,6 22 22 82 8,9 32 32 13,9 14,5 22 22 31,9 29,2 19 19 - -
Если в 1995 г. почвенная влажность в мае в контроле и опыте составляет 15,3 и 15,9 %, то в июне она повышается более чем в 2 раза, причем в опыте почвенная влажность повышается по сравнению с контролем. В следующие летние месяцы влажность почвы снижается, а в сентябре опять повышается, при этом различия между вариантами несущественные. В 1997 г. влажность почвы во все сроки была высокой, наиболее высокой - в июле. В остальные годы максимум влажности отмечается в мае и сентябре, в другие месяцы ее уровень мало изменяется.
Температура почвы повышается с мая по июль, в некоторые годы и по август, а в сентябре, за некоторым исключением, понижается.
За все годы проведения эксперимента наиболее засушливым был 2000 г. Температура почвы в июле достигала 32 °С, при этом влажность понижалась до 8,9 %.
Результаты наших наблюдений на стоковых площадках показывают (табл. 2), что объем поверхностного стока и количество смытой почвы зависят от количества выпавших осадков: как правило, чем больше осадков, тем больше потери почвы. На смыв почвы значительное влияние оказывает степень занятости ее растительностью, характер этой растительности. При слаборазвитом растительном покрове, что имеет место весной, наблюдается более интенсивный смыв почвы. Как считают авторы [8], защитная роль растительного покрова наряду с повышением противоэрозионной устойчивости почвы за счет скрепления ее корнями проявляется в частичном задержании осадков растениями и уменьшении удара капель в почвы. Значение растительности состоит и в том, что она противостоит концентрации стока и этим способствует увеличению площади контакта слоя воды с почвой.
Таблица 2
Поверхностный сток дождевых вод и смыв почвы (числитель - контроль, знаменатель - опыт)
Год Сток, м3/га Смыв, кг/га Количество осадков, мм
1998 75 451
7,3 2,3 (май-сентябрь)
1999 69 6,4 24 2,3 360 (май-октябрь)
2000 33 04 319
3,8 0,7 (май-сентябрь)
Различие между контролем и опытом по объему стока воды и смыва почвы почти не проявляется. Видимо, при слабых осадках вода больше просачивается в почву и не успевает образовать сток. При ливневых дождях быстро образуются стоки, которые способствуют большому размыву почвы.
Как известно, способность противостоять размыванию водой зависит от структуры почвы и ее прочности [9]. Агрономически ценной является комковато-зернистая структура с размером агрегатов от 0,25 до 10 мм, обладающих пористостью и водопрочно-стью. Такая структура обусловливает наиболее благоприятный водно-воздушный режим почвы.
Полученные данные указывают на некоторые количественные изменения в соотношении фракций почвы в контроле и опыте в разные годы исследований (табл. 3). В 2009 г. по количеству фракций размером 10 мм различие между вариантами значительное, 7 и 5 мм - в 2 раза больше в опыте, чем в контроле. Для фракций размером 2 и 0,25 мм различие между вариантами сохраняется, но незначительное. В то же время фракции размером 1 и менее 0,25 мм в контро-
ле было больше, чем в опыте, а для других фракций различие не проявляется.
В настоящее время рядом исследований [10, 11] подтверждено, что структура почвы во многих случаях улучшается под лесными насаждениями. С другой стороны, в прямой зависимости от водно-физических свойств почвы находятся приживаемость, сохранность и рост лесных культур. Как видно из наших данных (табл. 4), к 2009 г. только у сосны Сосновско-го сохранность в пределах приживаемости. Несколько ниже сохранность груши кавказской и можжевельника продолговатого, для алычи растопыренной и барбариса обыкновенного - 45,8 и 31,5 %; для остальных культур - 4,7 и 22,2 % к приживаемости (рис. 1).
Таблица 4
Приживаемость и сохранность древесных пород, %, (посадки 1994 г)
Порода Год
1994 1997 1998 1999 2000 2009
Алыча растопыренная 100 93,3 86,7 60,0 46,7 45,8
Барбарис обыкновенный 100 95,2 95,2 83,3 83,3 31,5
Груша кавказская 100 95,8 91,7 87,5 70,8 69,2
Можжевельник продолговатый - - 100 100 83,3 66,7
Сосна Сосновского - - 100 100 89,8 89,8
Шиповник собачий 100 61,1 38,9 33,3 22,2 4,7
Яблоня лесная 100 64,5 61,3 60,9 58,1 22,2
Основная причина низкой сохранности этих культур -испытуемые растения плохо переносят зимний период. По нашим наблюдениям у них обмерзают вызревшие годичные и многолетние побеги и плохо восстанавливаются порослью от корневой шейки. В очень холодную зиму наблюдается гибель всего растения, при этом восстановление порослью не происходит. С другой стороны, в результате очень сильного разрастания сосны Сосновского деревья других пород, произрастающие рядом, не выдерживают конкуренцию за свет и влажность, поэтому находятся в угнетенном состоянии. Через некоторое время наблюдается выпад этих культур.
Показатели роста лесных культур приведены в табл. 5. Необходимо отметить, что по показателям роста древесные имеют свои особенности.
Активный рост наблюдается у сосны Сосновского. Можжевельник продолговатый, хотя и характеризуется высокой сохранностью, но растет медленно.
Самый низкий прирост у барбариса обыкновенного и шиповника собачьего - 18,1 и 9,4 %. У других лесных культур, кроме алычи растопыренной, прирост происходит почти одинаково (рис. 2).
Рис. 1
Таблица 5
Показатели роста древесных пород (посадки 1994 г.)
Порода Высота, см
1996 1997 1998 1999 2000 2009 Прирост за 9 лет, см
Алыча растопыренная 30,8 - - 44,1 44,7 93,8 49,1
Барбарис обыкновенный 33,2 38,8 45,5 49,2 52,5 70,6 18,1
Груша кавказская 40,1 50,3 51,4 61,7 - 132,0 70,3
Можжевельник продолговатый - 43,6 51,6 40,0 49,4 93,1 43,7
Сосна Сосновского - 22,4 41,0 46,9 64,4 300,0 235,6
Шиповник собачий - 17,5 25,0 35,6 40,6 50,0 9,4
Яблоня лесная 42,2 49,9 54,0 56,4 62,9 147,1 84,2
Рис. 2
Основу травостоя деградированного участка составляет бобово-злаково-разнотравное сообщество с преобладанием видов: Astragalus alexandri A. Char., Centaurea dealbata Willd., Veronica gentianoides Vahl.,
Таблица 3
Структурный состав почвы в слое 0-15 см (числитель - контроль, знаменатель - опыт)
Размер агрегатов, мм, и их содержание от веса сухой почвы, %
10 7 5 3 2 1 0,5 0,25 <0,25
1998 2009 1998 2009 1998 2009 1998 2009 1998 2009 1998 2009 1998 2009 1998 2009 1998 2009
07 0,3 11 16 34 34 14,7 15,8 16,1 16,2 44,6 37,2 М 65 8,2 10,1 20,1
1,4 1,9 0,7 3,6 3,9 6,4 14,0 15,9 12,0 19,1 29,6 28,7 3,9 0,8 6,6 11,7 24,1 11,9
Teucrium polium L., Iris sibirica L., Poligala anatolica Boiss. et Heldr., Linum hypericifolium Salisb., L. angusti-folium Huds., Lotus caucasicus Kupr., Oxytropis pilosa (L.) Dc., Plantago saxatilis Bieb., Pulsatilla albana (stev.) Bercht. et I. Plesl, Phleum pratense L., Salvia verticillata L., Salvia canescens Regel, Anthyllis variegata Boiss., Plantago media L. (рис. 3).
Учет запасов фитомассы показывает (табл. 6), что происходит формирование значительного ее количества. Запасы надземной фитомассы по годам как в опыте, так и в контроле изменяются в зависимости от климатических условий. Меньше всего их накапливалось в 2000 г. из-за засушливого лета.
Изменение продуктивности надзем
Рис. 3
Таблица 6
и подземной фитомассы, г/м2
Вариант Надземная масса Подземная масса Вся фитомасса Соотношение надземной массы к подземной
1996 1997 2000 2009 1996 1997 2000 2009 1996 1997 2000 2009 1996 1997 2009
Контроль 520±15,3 594±24,4 260±5,0 355±5,6 1800±45,8 1497±23,5 Не опр. 552±18,8 2320 2091 Не опр. 907 1:3,5 1:2,5 1:1,6
Опыт 760±20,8 933±8,9 420±2,9 522±6,4 1960±32,8 2355±17,7 Не опр. 772±59,2 2720 3288 Не опр. 1294 1:2,6 1:2,5 1:1,6
По нашим данным (табл. 7) в структуре фитомассы весовая доля бобовых и злаков больше в опыте.
Таблица 7
Содержание растительных фракций в наземной фитомассе, г/м2 (2009 г.)
Весовая доля разнотравья максимальна в контроле. В составе растительных фракций большая доля приходится на ветошь и подстилку. Количество ветоши и подстилки связано с содержанием зеленой фитомассы. Количество ветоши в июле увеличивается вслед за отмиранием зеленой фитомассы эфемеров и видов весеннего ритма развития. Процесс образования ветоши сопровождается одновременным переходом ее в подстилку. Запасы подстилки как в опыте, так и в контроле превышают запасы ветоши. Это связано с тем, что в это время еще не происходит активного разложения подстилки (рис. 4).
Значительную долю составляет в опыте и фракция гумусированных корней, что свидетельствует об активном поступлении в почву необходимого для гуму-сообразования исходного материала. Вообще говоря, в почве происходит активное гумусообразование. Подтверждением этому является её высокая микробиологическая активность в опыте (табл. 9).
Высокая продуктивность надземной фитомассы во многом обусловлена хорошим развитием корневой системы, рост которой происходит интенсивно и опережает накопление зеленой массы (табл. 8). В структуре подземной фитомассы в опыте значительно возрастает масса живых корней.
Рис. 4
Таблица 8
Структура подземной фитомассы (числитель - контроль, знаменатель - опыт)
Год Живые корни, масса, г/м2 Мертвая масса, г/м2
Негумусированные остатки Гумусированные остатки
1997 766,4±17,1 1133,2±30,1 356,0±27,9 349,6±6,4 374,4±11,9 872,4±17,8
2009 398,5±12,0 535,7±22,5 133,6±13,5 100,8±27,1 90,1±15,4 135,2±10,1
Таблица 9
Микробиологическая активность почвы (числитель - контроль, знаменатель - опыт)
Разложение клетчатки, % к исходному весу
1996 1997 1998 1999 2000 2009
Не опр. Не опр. 7,8 15,0 32 8,2 26,9 46,2 17,9 29,3 22,3 70,5
Данные химического анализа почвы показывают, что с повышением запасов гумуса увеличивается содержание фосфора и калия (табл. 10), и это в целом
Структура фитомассы Контроль Опыт
Бобовые 5,2 ±0,8 50,4± 3,6
Злаки 50,4± 2,4 80,4± 2,8
Разнотравье 111,6± 6,0 94,4±5,3
Ветошь 149,6±3,6 302,4±4,0
Подстилка 435,6±21,4 703,6± 8,5
Вся фитомасса 316,8±5,6 527,6± 6,4
обусловливает улучшение режима питания растений и повышение плодородия почвы.
Таблица 10
Изменение содержания питательных веществ
в деградированной почве в слое 0-15 см (числитель - контроль, знаменатель - опыт)
Год Гумус, % мг на 100 г почвы
Р2О5 К2О
1996 14 0,9 40,7
2,0 1,0 43,8
2000 15 2,6 69,3
2,5 5,6 86,7
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что в деградированной почве под действием лесных культур и многолетних естественных трав, образующих значительную надземную и подземную фитомассу, биохимические процессы изменяются в направлении восстановления плодородия почвы; повышается микробиологическая активность почвы, увеличивается содержание гумуса, фосфора и калия.
Литература
1. Баламирзоев М.А., Саидов А.К. Охрана и рациональное использование почв горно-земледельческих районов Республики Дагестан - основа устойчивого развития горных территорий // Горные регионы России: стратегия ус-
тойчивого развития в XXI веке : материалы общерос. науч.-практ. конф. Махачкала, 2003. С. 282 - 285.
2. Магомедов К.К. Плодородие эродированных почв. Махачкала, 1979. С. 9-10.
3. Соколов А.А. Агрохимические методы исследования почв. М., 1975. С. 297 - 298.
4. Тетер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. М., 1987. 17 с.
5. Кауричев И.С. Практикум по почвоведению. М., 1973. С. 97 - 98.
6. Панкова Н.А. Учет надземной массы и корней в процессе роста. Агрохимические методы исследования почв. М., 1960. 53 с.
7. Вознесенский В.Л. Первичная обработка экспериментальных данных. М., 1969. 66 с.
8. Пабот И.А, Бенедичук Н.Ф., Круть В.М. Поверхностный сток воды и смыв почвы на склонах в зависимости от возделывания культуры // Почвоведение. 1976. № 2. С. 107-114.
9. Дегтеренко В.Н. К оценке противоэрозионной устойчивости почв Ростовской области // Почвоведение. 1975. № 2. С. 108 - 110.
10. Беляев А.Б., Александрович В.Е., Калуцкий К.К. Влияние хвойных и широколиственных пород на выщелачивание чернозема в лесостепи // Почвоведение. 1976. № 2. С. 95 - 102.
11. Хворов Н.А. Водно-физические свойства каменистых почв южных отрогов Гиссарского хребта // Почвоведение. 1978. № 4. С. 56 - 62.
Поступила в редакцию_2 сентября 2010 г.
