CC BY
16
УДК 504.54.062.4
СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП ЭВОЛЮЦИИ ПОЧВ И РАСТИТЕЛЬНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ
А.М. Русанов, Е.В. Шеин
Представлены материалы изучения динамики свойств и строения ландшафтов земель сельскохозяйственного назначения степной и лесостепной зон за последние двадцать лет, связанной со снижением на них антропогенных нагрузок.
Ключевые слова: эволюция ландшафта, пастбище, пашня, мелиорация, растительность, мониторинг земель.
Введение
Расположенная в лесостепной и степной географических зонах Оренбургская обл. является одним из аграрных центров России. До последних лет вся история освоения ее территории начиная с XVIII в. связана с постоянным ростом площади земель сельскохозяйственного назначения и доли пашни в ней. Если к началу 50-х гг. прошлого века площадь пашни составляла около 4,3 млн га, то после подъема целины она увеличилась до 6,1, а к концу 80-х гг. составила 6,4 млн га. Эта цифра остается неизменной и сейчас. Из 12 370,3 млн га общей площади региона на долю агроландшафтов в настоящее время приходится 10 839,5 млн га, а их структура имеет следующий вид: на пашню приходится 56,6, на сенокосы и многолетние насаждения — 6,6, на пастбища — 36,8%. Использование агроландшафтов области часто осуществлялось без учета их природных особенностей и с нарушением земледельческих технологий. В итоге, на пашне большая часть почв подверглась эрозии, дегумификации; ухудшение физических признаков оказалось на разных стадиях деградации, а на пастбищах из-за перевыпаса и, как результат, превышения их экологической емкости дигрессия растительности приобрела масштабный характер. В те годы многие экологи, ботаники, почвоведы считали, что восстановление свойств и состава нарушенных агроландшафтов займет многие десятилетия.
Однако в начале 90-х гг. XX в. ввиду происходивших в стране социально-политических, экономических и других перемен начался небывалый в истории сельского хозяйства России процесс, когда нагрузка на пастбища в связи с сокращением поголовья скота резко снизилась, а значительные площади пашни стихийно стали пребывать в состоянии залежи. В Оренбуржье доля таких нераспахиваемых земель достигала в отдельные годы 50% от территории зарегистрированной пашни. Поэтому за последние 15 лет средняя площадь ежегодно распахиваемых земель уменьшилась и оказалась ниже уровня, который существовал здесь до 1954 г. Снижение спроса на растениеводческую продукцию повлекло за собой резкое сокращение площади орошаемых земель.
Описанную ситуацию, сложившуюся в пределах Оренбургской обл., можно рассматривать как типичную для большинства регионов черноземной полосы России, где на части территории степной и лесостепной зон нецеленаправленно начался новый этап эволюции, ведущим фактором которой стало естественное восстановление состава и свойств агроландшафтов. По существу, сложились условия для проведения эксперимента, участвовать в котором стремилось не одно поколение отечественных исследователей.
С 1993 г. на территории области ведутся работы по государственному экологическому мониторингу земель [7]. Вместе с дополнительными углубленными исследованиями они позволили выявить некоторые изменения в агроландшафтах, связанные с особенностями современного периода в использовании земель сельскохозяйственной категории. В связи с этим, не касаясь влияния современных земельных отношений и отношения к земле на сельскохозяйственное производство, цель настоящего исследования сводилась к сбору и анализу данных по происходящим изменениям в растительных сообществах, почвенном покрове и ландшафте в целом территорий пашни, пастбищ и сенокосов.
Методы исследования
При разделении растительных группировок по степени сбитости использованы критерии, предложенные Б.М. Миркиным [4]. Исследование фракци-онно-группового состава гумуса осуществляли по методике Тюрина в модификации Пономаревой—Плотниковой [2]. Для разделения органического вещества почв на гидрофобные и гидрофильные фракции применен метод, разработанный Е.Ю. Милановским [3]. Исследования физических свойств почв включали традиционные полевые и лабораторные методы [9].
Результаты и их обсуждение
Одним из объектов работы послужил водораздел рек Урала и Самары под черноземами обыкновенными, представленный выровненным плато и скло-
нами южной и северной экспозиций, выведенный из пашни в 1995 г. и находящийся в залежи. В аналогичных условиях ландшафта по всем позициям склона находились пахотные участки; их показатели служили в качестве объекта сравнения. При изменениях в землепользовании в пределах Предуралья особое внимание обращалось на то, как они влияют на процессы водной эрозии, так как из-за сложности рельефа более 40% территории пашни приурочено к эрозионно опасным склонам крутизной более 3°. Поэтому смыв талыми и дождевыми водами верхнего плодородного слоя является наиболее разрушительным действием для черноземов региона. Установлено, что вывод склоновых территорий из пашни не означает снижения на них интенсивности плоскостного смыва. Наоборот, в первые годы после трансформации выявлена интенсификация процессов эрозии. На склоне южного направления исследуемого водораздела, структура почвенного покрова которого до вывода из пашни состояла из сочетаний полнопрофильных, намытых, слабо- и среднесмы-тых черноземов, через три года пребывания в залежи включала в себя еще и небольшие ареалы (80—150 м2) сильно эродированных почв. Это явление связано с несколькими факторами: 1) бурьянистым сообществом, сформировавшимся в первые годы после перевода пашни в залежь, который из-за низкого проективного покрытия травостоя не способен защитить поверхностный слой почв от прямого воздействия капель дождя с высокой кинетической энергией, что приводит к утрате черноземом своего структурного состояния и снижению водопроницаемости; 2) пониженным содержанием гумуса многолетней пашни, от которого зависит весь комплекс физических свойств почв; 3) высокой плотностью подпахотного слоя, которая составила 1,3—1,4 г/см3. Все перечисленные обстоятельства определили высокую эрозионную опасность почв склона.
Однако при более длительном сроке залежи наблюдалась обратная ситуация: сукцессионный ряд исследуемого склона за время наблюдений был направлен в сторону восстановления коренной флоры, что проявилось в смене синантропной растительности видами естественных степных сообществ. Через 12—15 лет по всей длине склона сформировалась полынково-типчаково-ковыльная (Stipa lessingiana + Festuca valesiaca + Artemisia austriaca) растительность с проективным покрытием 40—50% и относительно высокой (до 200 ц/га) фитомассой. Армирование мочковатыми корневыми системами злаков верхнего слоя почв, начавшиеся процессы восстановления гумуса (в среднем на 0,4% в сравнении с пашней), снижение плотности подпахотного слоя с 1,31 до 1,22 г/см3 вместе с ростом водопроницаемости с 75 до 115 мм/ч, способствующей переводу поверхностного стока во внутрипочвенный, в своей совокупности стабилизировали процессы эрозии. На плато водораздела растительный покров залежного участка
к 2010 г. представлял собой ковыльно-типчаковое (F. valesiaca + S. lessingiana) квазинатуральное сообщество. Ежегодный приток надземной фитомассы составил здесь 255,8 ц/га. На пашне (посев пшеницы) за те же годы запасы фитомассы не превышали 34,8 ц/га. Содержание гумуса в слое 0—20 см залежного и пахотного участков составило 6,0 и 4,4%, а его запасы — 130,7 и 103,8 т/га соответственно. Выявлена высокая степень гумификации органического вещества (более 40%) всех исследуемых образцов с тенденцией к снижению в почвах залежи. С такой же закономерностью изменилось и соотношение Сгк/Сфк — 2,1—2,3 под многолетней пашней и 1,7—1,9 на залежном участке. В почвах под естественной растительностью в составе гумуса возрастает доля фульвокислот, особенно фракции ФК-1, что косвенно может свидетельствовать об относительной интенсификации процессов гумусообразования, одним из показателей которой является увеличение содержания «молодых» форм гумуса. Среди качественных характеристик гумуса необходимо отметить его амфифильные (гидрофобно-гидрофильные) свойства: возрастание в ряду пашня — многолетняя залежь доли гидрофобных продуктов гумификации, за счет которых формируется структура почв. Отношение гидрофобных фракций к гидрофильным составило 1,1 на пашне и 1,8 под залежью. Таким образом, на многолетней залежи за относительно короткий период деградированные черноземы в значительной степени улучшили свои свойства, а на ее территории растительность восстановилась до своего квазинатурального состояния.
Характерным для последних лет подтверждением изменений в растительных сообществах пастбищных экосистем служат материалы исследований, выполненные в пределах южной лесостепи, в подзоне типичных черноземов, на террасе р. Малой Боклы. В 1997 г. травяной покров территории состоял из небольших участков целинной растительности и площадок под в разной степени сбитыми сообществами. Целинная растительность была представлена раз-нотравно-узколистномятликово-луговоовсяницевым (F. pratensis + Poa angustifolia + Hypericum perforatum) растительным сообществом; слабосбитая — полын-ково-узколистномятликовым (P. angustifolia + A. austriaca) с участием S. lessingiana; среднесбитая — луго-во-овсяницево-полынковым (A. austriaca + F. praten-sis) сообществом; сильносбитая — мортуково-спо-рышовой (Polygonum aviculare + Eremopyrum orientale) растительностью, где помимо доминирующих видов присутствовали Verbascum phoeniceum и единично F. pratensis. На завершающем этапе работ в 2009 г. видовой состав целинного фитоценоза остался прежним. Слабосбитое полынково-узколистномятликовое сообщество преобразовалось в два близких к целинным: ковыльно-узколистномятликовое (P. angustifolia + S. lessingiana) и узколистномятликово-типчако-вое (F. Valesiaca + P. angustifolia). На месте средне-сбитой луговоовсяницево-полынковой группировки
сформировалось слабосбитое ковыльно-полынковое (A. austriaca + S. lessingiana) сообщество. На участках, где ранее было распространено мортуково-спо-рышовое сообщество, растительность трансформировалась в типчаково-спорышово-полынковое (A. austriaca + P. aviculare + F. valesiaca). Здесь присутствуют виды, более свойственные среднесбитым фитоцено-зам: Echinops ruthenicus, Br. inermis, P. pratensis [6]. При выявлении причин происходящих с ландшафтом изменений учитывалось, что воздействие сельскохозяйственных животных на пастбищные экосистемы проявляется не только в чрезмерном стравливании вегетативных органов растений до завершения фазы обсеменения, но и в уплотнении верхнего слоя почв давлением копыт скота, которое достигает 5—7 кг/см2. Кроме того, злаки с мочковатой корневой системой для своего роста и развития нуждаются в почвах с относительно невысокой плотностью (когда сохранены межагрегатные и внутриагрегатные поры) по сравнению со стержневыми корневыми системами других семейств трав, для которых повышенная плотность не является лимитирующим фактором. Сведение целинной растительности незначительно влияет на гумусное состояние почв, происходит лишь некоторое ухудшение качественных свойств гумуса. На сбитых пастбищах он как бы законсервирован. В отличие от пашни органика здесь не окисляется под влиянием ежегодного выхода нижележащих слоев черноземов на дневную поверхность, а продукты его минерализации меньше расходуются на производство фитомассы, ибо на сбитых пастбищах она невелика [5]. На момент начала работ содержание гумуса в корнеобитаемом слое (0—20 см) на целинном участке и на территории слабого сбоя составляло 10,8 и 10,2% соответственно, а на площадках средней и сильной деградации — 9,9и8,1%.За годы наблюдений выявлено незначительное возрастание содержания гумуса на всех исследуемых участках на 0,1—0,3%. Данные по запасам гумуса в том же слое свидетельствуют об их увеличении в ряду целина—сильносбитое пастбище с 199,2—201,9 т/га в 1997 до 224,5—213,3 т/га в 2009 г. По данным анализа фракционно-группового состава гумуса не удалось выявить динамику качества органического вещества изучаемых почв, которая могла бы повлиять на их экологические функции. Однако установлены изменения в амфифильных свойствах почвенной органики. По мере возрастания степени сбитости агроце-нозов гидрофобность органического вещества почв снижалась с 1,4 до 1,0, но за годы наблюдений она проявила тенденцию к росту и в 2009 г. составила по мере возрастания степени пастбищной дигрессии ряд 1,4; 1,5; 1,3 и 1,2. Как следствие — изменение структурного состояния черноземов. Если коэффициент структурности почв в ряду целина—сильносбитое сообщество в 1997 г. уменьшился с 2,4 до 1,1, то при завершении исследования он снизился в том же ряду с 2,7 до 1,5. Восстановление структуры почв
вызвало закономерное снижение их плотности. На начало работ она возросла по мере увеличения пастбищной дигрессии с 1,11 до 1,37 г/см3, а к 2009 г. плотность почв снизилась до 1,09—1,29 г/см3. В условиях разуплотнения почв до уровня оптимальной дерновинные злаки с мочковатой структурой корней вновь обрели возможность для нормальной вегетации; именно с этим обстоятельством связано восстановление видового состава злаковой растительности.
Получение растениеводческой продукции в засушливой степной зоне невозможно представить без орошаемых сенокосов. Под орошение отводились лучшие земли региона. Но из 123 тыс. га ранее орошаемых земель в настоящее время мелиорируется не более 20 тыс. В новых обстоятельствах многие ландшафты, прошедшие период эволюции во время орошения, нуждаются в изучении тех изменений, которые происходят с ними в постирригационный период. Исследована территория Боровской оросительной системы (ОС). Она занимает остепненную надпойменную террасу р. Боровки. В основании ее территории располагаются древнеаллювиальные отложения. Локально (на 10% площади) выявлены линзы тяжелого по гранулометрическому составу засоленного аллювия. Коренные породы — алевролиты с линзами известняков и песчаников верхнетатарского подъяруса верхней перми. Территория ОС орошается с 1934 г. Судя по архивным данным, на момент ввода участка в режим орошения территория его (2705,7 га) являла собой равнину с выраженным микрорельефом, почвенный покров которой отличался гомогенностью и был представлен различными родами чернозема обыкновенного остаточнолуговатого. Уровень грунтовых вод не превышал семи метров. Орошение осуществлялось из водохранилища пресной натриево-кальциево-гид-рокарбонатной водой. В 1984 г. площадь орошения составила 2441,3 га. В те годы впервые были выявлены ареалы лугово-черноземных полугидроморфных почв, в пределах которых на площади 128,7 га отмечено среднее засоление содово-сульфатного типа, а на 157,6 га — сильное. Засоленные почвы были приурочены к микропонижениям, депрессиям и магистральным каналам, т.е. к территориям, подверженным дополнительному влиянию оросительных и грунтовых вод, уровень которых в этой зоне составлял около метра [8]. Близко расположенные к поверхности воды отличались повышенной минерализацией с высокой концентрацией ионов натрия. Фоновая же почва ОС продолжала соответствовать своим изначальным классификационным свойствам, что характеризует высокую степень устойчивости элювиального ландшафта к изменившимся факторам среды [1]. Таким образом, за 50 лет эксплуатации локально, из-за сочетания орошения с факторами микрорельефа и засоления материнских пород, произошли значительные изменения в водно-воздушном, солевом, окислительно-восстановительном и других режимах почв, в связи с чем они приобрели иные свойства, что в свою очередь привело к усложнению структу-
ры почвенного покрова ОС. В начале 1990-х гг. орошение на территории ОС прекратили, а в 2005—2009 гг. быии выполнены комплексные исследования по изучению результатов первого этапа постирригационной эволюции ее агроландшафтов. Установлено, что видовой состав растительности в определяющей степени зависит от приуроченности участка к тому или иному элементу рельефа. На выровненных пространствах распространение получили ковыиьно-тип-чаковое и полынково-ковыльно-типчаковое сообщества, которые по своим геоботаническим показателям мало отличались от слабосбитой растительности сопредельных с ОС степныгх территорий. На микроповышениях выявлено типчаково-ковыиьное сообщество с невысоким (не более 55%) проективным покрытием и присутствием в травостое полыни горькой (A. absinthium), а к микропонижениям приурочена кермеково-чернополынная (A. vulgaris + Limonium gmelinii) растительность, в составе которой единично отмечен прутняк обыкновенный (Vitex agnuscas-tus). С помощью материалов геоботанического исследования в качестве индикационных показателей установлено, что почвы выфовненныгх ландшафтов представлены слабоконтрастным сочетанием черноземов остаточнолуговатых обычных и слабозасолен-ных. В депрессиях, на повышениях микрорельефа (до 0,8 м), сформировалась лугово-черноземная сла-бозасоленная почва, а к микропонижениям, к геохимически подчиненным субаквальным ландшафтам, приурочен солонец корковый сильнозасоленный содово-сульфатный. Следовательно, на микроповышениях в постирригационный период происходило рассоление почв, сопровождаемое аккумуляцией солей в почвах соседних понижений с активным участием иона натрия, что привело к формированию ареалов солонцов сильнозасоленныгх. В 1984 г. участки со сла-бозасоленными черноземами имели рН почвенного раствора около 8,0. К настоящему времени в поверхностных горизонтах лугово-черноземных почв на микроповышениях этот показатель снизился до значений, близких к нейтральным, а на понижениях величина рН солонца коркового резко возросла, приблизившись к 10,0. Весь комплекс явлений, произошедший со степныши ландшафтами за первые 16—18 лет постирригационной эволюции, связан со снижением уровня грунтовых вод, уменьшением степени минерали-
зации почвенного раствора, сменой типа водного режима, изменением растительности, микрорельефом территории. Выполненный в 2009 г. подсчет площадей показал, что черноземы занимают 1651,3 га, из них слабозасоленные — 286,8 га, слабозасо-ленные лугово-черноземные почвы распространены на 415,7 га, солонцы корковые выявлены на площади 87,5 га [6]. Таким образом, на первом этапе постирригационной эволюции ландшафта разнонаправленные процессы почвообразования на территории ОС вызвали дальнейшее усложнение и повышение контрастности структуры почвенного покрова изучаемого пространства за счет формирования солонцов. Вместе с тем нельзя не отметить и положительную динамику в свойствах исследуемых земель: снижение площади сильнозасоленных почв и рассоление среднезасоленных, понижение уровня грунтовых вод, восстановление на значительной части ОС естественной растительности.
Выводы
Современный двадцатилетний этап эволюции части сельскохозяйственных земель степной и лесостепной зон Оренбургской обл. связан со снижением антропогенного воздействия на них. На залежной пашне он выражается в изменении свойств черноземов в сторону восстановления их гумусного состояния и физических свойств, зарастании ее территории растительностью с доминированием злаков, в снижении вплоть до прекращения влияния на почвы ускоренной эрозии. В пределах пастбищных экосистем это явление проявляет себя через разуплотнение почв и смену растительных сообществ с преобладанием малопродуктивного разнотравья злаковыми фитоце-нозами, близкими по признакам к типично степным. Скорость постирригационной эволюции орошаемых земель сопоставима со скоростью изменений в компонентах ландшафта, связанных с вводом их в режим орошения. Перечисленные обстоятельства являются предпосылками для пересмотра существующих представлений об устойчивости степных и лесостепных ландшафтов к антропогенному воздействию и о потенциальной способности биогеоценозов к самовосстановлению.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глазовская М.А. Методологические основы оценки эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям. М., 1997.
2. Кауричев И.С. Практикум по почвоведению. М., 1980.
3. Милановский Е.Ю. Гумусовые вещества почв как природные гидрофобно-гидрофильные соединения. М., 2009.
4. Миркин Б.М. Антропогенная динамика растительности // Итоги науки и техники. Сер. Ботаника. 1984. № 5.
5. Русанов A.M. Гумусное состояние южных черноземов под естественными пастбищами // Почвоведение. 1993. № 11.
6. Русанов A.M. Почва как фактор восстановления растительности естественных пастбищ // Экология. 2011. № 1.
7. Русанов A.M., Шеин Е.В. Ирригационная и постирригационная эволюция почв степныгх ландшафтов // Докл. Всеросс. науч. конф. «Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)». М., 2012.
8. Русанов A.M., Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Организация экологического мониторинга почв как составная
часть государственного мониторинга земель и его первые 9. Теории и методы физики почв / Под ред. Е.В. Ше-
результаты (на примере Оренбургской области) // Вестн. ина, Л.О. Карпачевского. М., 2007. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2011. № 3.
Поступила в редакцию 26.09.2012
MODERN EVOLUTION OF SOILS AND VEGETATION OF AGRICULTURAL LAND OF ORENBURG OBLAST
A.M. Rusanov, E.V. Shein
The effects of reduction of anthropogenic load on soil-vegetation dynamics in Orenburg region were studied.
Key words: evolution of the landscape, pastur, arable land, reclamation, vegetation, land monitoring.
Сведения об авторах
Русанов Александр Михайлович, докт. биол. наук, профессор, зав. каф. общей биологии, декан химико-биологического ф-та Оренбургского гос. ун-та. Тел.: 8(3532)37-24-80; e-mail: soilec@esoo.ru. Шеин Евгений Викторович, докт. биол. наук, профессор, зав. каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495)939-36-84; e-mail: evgeniy.shein@gmail.com.
