Трансформация полупустынных ландшафтов юго-востока Израиля под влиянием лесонасаждений сосны алеппской (Pinus halepensis) Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2018, том 24, № 1 (74), с. 32-39

——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ———

УДК 631.6.02

ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЛУПУСТЫННЫХ ЛАНДШАФТОВ ЮГО-ВОСТОКА ИЗРАИЛЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЛЕСОНАСАЖДЕНИЙ СОСНЫ АЛЕППСКОЙ (PINUS HALEPENSIS)

© 2018 г. С. Спринцын*, М. Шапиро**, М. Спринцын*, Р. Зайденберг**, Е. Денисюк*

*Еврейский национальный фонд, Лесная служба Израиль, 99775, г. Эштаол, ул. M. P. Shimshon. E-mail: s.sprintsin@gmail.com **Министерство сельского хозяйства Израиля Израиль, 5025001, г. Бейт-Даган, дерех а-Макабим, п/я 30. E-mail: michaels@moag.gov.il

Поступила 12.04.2017

Рассмотрены антропогенно опустыненные ландшафты юго-востока Израиля и их трансформация под влиянием лесонасаждений. Первые посадки хвойных лесов в этом районе были произведены в середине прошлого века на каменистых холмах южной части Хевронского нагорья (плато Негев). Основной лесообразующей породой вновь созданных лесных массивов является сосна алеппская (Pinus halepensis). Рассмотрено взаимодействие между почвенными параметрами ландшафта и состоянием сосновых насаждений. Отмечено решающее влияние хвойного опада на рост и развитие хвойных лесонасаждений. Предлагается подход к оценке состояния ландшафтов при условии сохранения хвойных лесных массивов в нормальном состоянии и в случае нарушения их целостности.

Ключевые слова: лесонасаждения, антропогенное опустынивание, ландшафт, сосна алеппская, почва, экспозиция, склон, хвоя.

Территория юго-восточной части Израиля (Хевронское нагорье, 31.32735.33°) до середины прошлого века представляла собой регион с почти полностью разрушенными природными ландшафтами.

Климат этой части страны сухой, полупустынный (средние температуры января - +7°С, августа -+ 31°С), с малым среднегодовым количеством осадков (270-280 мм), выпадающими с ноября по март и высоким уровнем испаряемости (1600-1800 мм).

В течение многих столетий эти территории подвергались антропогенному опустыниванию из-за чрезмерного, не регулируемого выпаса скота, уничтожения естественной древесной растительности на топливо, повторяющихся засух, интенсификации эрозионных процессов и смыва верхних горизонтов почвы. Естественные климатические факторы совместно с разрушительной деятельностью человека, усилили эффект превращения полупустынного региона в пустынный.

В середине 50-х годов прошлого века была выдвинута задача изменения ландшафта Хевронского нагорья путем создания за короткий отрезок времени (10-20 лет) крупных лесных массивов. Хвойные леса на водоразделах и склонах в этом регионе явились новым экологическим элементом, кардинально изменившим основные параметры ландшафта и трансформировавшим его из пустынного в лесной. Общая площадь искусственно созданных хвойных лесных массивов в юго-восточных районах Израиля составляет сегодня более 7000 га. Основной лесной породой является широко распространенная в Средиземноморье сосна алеппская (Pinus halepensis), называемая в Израиле сосной иерусалимской, обладающая высокой устойчивостью в условиях жаркого и сухого климата.

Цель данной работы заключалась в оценке влияния искусственно созданных хвойных лесонасаждений на трансформацию полупустынных ландшафтов, их почвенный покров, противоэрозионную устойчивость и общий уровень их аридности.

Материалы и методы исследований

Район исследования. В качестве объекта исследования был выбран один из крупных лесных массивов юго-востока Израиля - лес Крамим, площадью около 800 га (рис. 1), где основной лесообразующей породой является сосна алеппская 45-50 летнего возраста. Первоначальная густота посадок

составляла 1750-2000 стволов на гектар. Густота древостоя в настоящее время - около 200-230 стволов на 1 гектар. Территория лесного массива представляет собой волнистое плато со средними абсолютными отметками поверхности около 400-500 м н.у.м. БС, состоящее из нескольких гряд, простирающихся с северо-востока на юго-запад, разделенных неширокими долинами. Узкие водораздельные полосы и склоны плато сложены известняками позднемелового (туронского) возраста. Долины и подножия склонов перекрыты пылеватыми суглинистыми отложениями.

Рис. 1. Местоположение леса Крамим.

Согласно данным предыдущих исследований, в почвах склонов и водоразделов плато доминируют различные сочетания каменистых россыпей и литосолей, в долинах развиты аллювиальные почвы (Дан, 1970; Dan, Koyumdjisky, 1979).

Почвы и почвенный покров. Строение почв. Для исследования почв было заложено 18 почвенных разрезов: на водораздельном плато - 2, на склонах северной экспозиции - 8, на склонах южной экспозиции - 8. Крутизна склонов менялась от 13 до 19°. Половина от общего числа разрезов была заложена под кронами сосен в приствольных позициях (ПП), остальные - в межствольных позициях (МП) на расстоянии нескольких метров от стволов деревьев. Восемь разрезов использовались для изучения аналитических и гранулометрических свойств мелкозема. Рядом с разрезами, на площади в 1 м2 отбиралась опавшая хвоя. В лабораторных условиях определялись вес сухой массы хвойного опада, ее зольность и содержание общего азота.

В соответствии с классификацией почв Израиля (Dan, Koyumdjisky, 1979), исследованные почвы относятся к двум главным категориям (типам) гумусо-аккумулятивных образований - рендзинам и литосолям. Принципиальные отличия между этими почвами состоят в степени насыщенности мелкозема органическим веществом. Важна морфологическая выраженность гумусово-аккумулятивного процесса: он ярко выражен в нескольких верхних горизонтах у рендзин и малозаметен в единственном верхнем горизонте у литосолей (рис. 2).

Для определения генетической принадлежности горизонтов наряду с морфологической диагностикой, использовались значения потери веса мелкозема при прокаливании. Горизонты, чья потеря при прокаливании превышает 70%, отнесены к органогенным. Это горизонты хвойного опада О и смешанные верхние горизонты О+АО, включающие хвою и фрагменты грубогумусового горизонта. Грубогумусовый горизонт АО и переходный горизонт АОА1, масса которых при прокаливании колеблется от 8 до 70%, определены, как приповерхностные, органоминеральные. В ряде случаев эти горизонты выражены в почвенном профиле в виде фрагментов (АО frg и АОА1 frg).

У минеральных, верхних гумусово-аккумулятивных горизонтов А1 и А1С, срединных горизонтов АС и горизонтов почвообразующей породы С потери при прокаливании составляют менее 8%.

Все почвы лесного массива каменистые. Объем каменистой (дресвянисто-щебнистой) массы изменяется от 10-30% в верхних минеральных горизонтах до 60-90% в нижних горизонтах. Средняя глубина почв невелика и составляет примерно 25-35 см, что, по мнению ряда исследователей, в условиях жаркого засушливого средиземноморского климата, является достаточным условием выживания сосновых деревьев на территориях, сложенных карбонатными породами (Прайслер и др., 2016). Ниже отмеченных глубин мелкоземисто-щебнистая масса переходит в обломочную, почти лишенную мелкозема, кору выветривания (горизонт R).

Рис. 2. Обобщенное строение профиля рендзин грубогумусовых светлых. Условные обозначения: О -горизонт хвойного опада; АО - грубогумусовый горизонт, А1 - гумусово-аккумулятивный горизонт, АС - срединный горизонт, С - горизонт каменистой почвообразующей породы, Я - плотная подстилающая порода (http://www.uq.edu.aU/_School_Science_Lessons/6.26.GIF с изменениями авторов статьи).

Результаты и обсуждение

Аналитические свойства почв. Гумусовый профиль. Особое место в диагностике изученных почв занимают верхние горизонты АО, АОА1 и А1 (фото 1). Грубогумусовые горизонты АО и АОА1, которые залегают между хвойным опадом и горизонтом А1, могут быть как сплошными, так и фрагментарными. Горизонт АО - маломощный (около 1 -2 см мощностью) органоминеральный, темносерый, представленный в форме уплощенных широких хлопьев, тесно связанных с находящейся над ними хвоей. Горизонт АОА1 - также маломощный минеральный горизонт (около 12 см), обогащенный органическим веществом до величин порядка 4-5%, своего рода верхняя кромка гумусово-аккумулятивного горизонта А1, который присутствует у всех рендзин в качестве сплошного слоя. Это серый и буровато-серый горизонт с прочной комковатой структурой и содержанием органического вещества 2-3%.

Рендзины, со сплошным горизонтом АО, выделены нами в качестве рендзин грубогумусовых светлых, рендзины с фрагментарным горизонтом АО определены, как рендзины фрагментарно-грубогумусовые светлые, рендзины без горизонта АО отнесены к обычным светлым рендзинам.

У литосолей верхние горизонты представлены или фрагментами горизонта А1 (литосоли рендзиновидные), или очень светлыми и плохо оструктуренными горизонтами А1С (литосоли обычные). Содержание органического вещества в верхнем минеральном горизонте литосолей изменяется от 1.6 до 2.2% (литосоли обычные и литосоли рендзиновидные, соответственно).

Солевой профиль. Органический материал изученных почв играет важную геохимическую роль по адсорбции легкорастворимых солей и солей бора. В целом этих солей очень мало, и почвенный профиль практически свободен от них: величины электропроводности (ЕС) изменяются в диапазоне 0.9-2.6 dS/m, а бора - в диапазоне 0.1-0.4 ррт. Малое количество солей согласуется с общей повышенной дренированностью почв, однако, распределение величин ЕС и бора по профилю несколько различается. Так, распределение бора носит явно аккумулятивный характер, соответствующий характеру распределения количества органического вещества и, по-видимому, в значительной степени контролируется им, как системой с высокой адсорбционной способностью.

Распределение легкорастворимых солей по почвенному профилю либо совпадает с распределением органического вещества и носит аккумулятивный характер, либо имеет два пика: один в верхнем гумусовом горизонте, а другой - в горизонте АС. По-видимому, второй пик, начинающийся на глубине около 10 см, связан со среднегодовой глубиной вымывания солей. В хорошо дренированных почвах этот пик незаметен и распределение солей определяется, прежде всего, органогенной компонентой. В менее дренированных почвах этот пик хорошо заметен и не столь жестко зависит от содержания органического вещества.

Фото 1. Рендзина обычная светлая (слева) и литосоль рендзиновидная.

Карбонатность мелкозема. Вся геохимическая обстановка ландшафтов юга Израиля определяется нейтрально-слабощелочной реакцией среды, при которой значение рН колеблется в интервале 7.4-7.9. Весьма характерной чертой этих мелкоземов, является высокая карбонатность почвенной массы, как мелкозема, так и обломков пород, меняющаяся от 12 до 31%. На склонах различных экспозиций, на сопоставимых глубинах (3-10 см), карбонатность почвенного мелкозема в почвах ПП не превышает 25%. Такие же значения отмечены в почвах МП северных склонов. В МП южных склонов карбонатность почвенного мелкозема превышает 25%, поскольку, чем суше и слабее выщелочен почвенный профиль, тем выше уровень карбонатности.

Гранулометрический состав мелкозема. В составе мелкозема преобладает пылеватый средний суглинок, что связано с аккумуляцией эоловой пыли, в почвах хвойных лесных массивов в южных регионах Израиля. Равнины, смежные с лесопокрытыми склонами, сложены рыхлыми карбонатными суглинистыми (лессообразными) и суглинистыми опесчаненными отложениями с содержанием песка в пределах 41-57%, пыли 31-37% и глины 9-24%.

Хвойный опад. Хвойный опад сосны алеппской обладает высокой (8-13%) зольностью, что в несколько раз превышает зольность (2-3%) хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) в регионах умеренно-холодного и умеренно-теплого гумидного климата (Фенглер, 1988; Шарков и др., 1976; Berg, Lundmark, 1987).

Другим отличительным признаком хвойного опада сосны алеппской, является относительно низкое содержание в нем общего азота: не более 1%, против 1.0-1.4% в сосновых насаждениях более холодных регионов (Орлов и др., 1974; Афанасьева и др., 2004). Причина этого видится нам в исключительно сухих и жарких условиях юго-востока Израиля, при которых на фоне интенсивного разрушения всех подвижных органогенных компонентов, сохранение азота в тканях отживших частей растений предельно минимизировано.

Количество хвойного опада зависит от места расположения деревьев. Так данные по массе хвойного опада, сохраняющегося на поверхности почвы меняются от 0.3 т/га в межствольных позициях (МП) южных склонов до 5 т/га в приствольных позициях (ПП) северных склонов и сопоставимы с аналогичными данными сосновых лесов умеренных регионов Евразии (Молчанов, 1973). Пространственная неоднородность распределения массы хвойного опада (фото 2)

определяется, прежде всего, экспозицией склонов (склоны северных экспозиций более богаты хвоей, чем южные склоны в силу лучшей развитости деревьев на этих склонах и большей густоты насаждений) и удаленностью от приствольных кругов сосны (приствольные позиции в большей мере перекрыты хвоей, чем межствольные).

Фото 2. Дневная поверхность почв: слева - хвойные покровы приствольных позиций склонов северной экспозиции, справа - обнаженные поверхности межствольных позиций склонов южной экспозиции.

Сосна, как фактор преобразования ландшафта. За период в 50-60 лет, прошедший с момента начала массивных посадок хвойных лесов, сосновые лесонасаждения в полупустынной зоне Хевронского нагорья сформировали принципиально новый лесной ландшафт. Центральную роль в этом преобразовании, по нашему мнению, играет хвойный опад, основным свойством которого является огромная водоаккумулирующая способность. Там, где поверхность почв перекрыта слоем хвойного опада, отсутствуют следы водной эрозии. В дождливый период опад перехватывает влагу и становится катализатором развития под верхним слоем почвы специфического грубогумусового горизонта АО. Кроме того, хвойный опад представляет собой очень рыхлую и насыщенную воздухом массу, играющую роль теплоизолятора, снижающего температуру верхних горизонтов почвы и предохраняющего корневую систему сосны от перегрева в летний период. Совместный эффект опавшей хвои и корневой системы растений приводит к интенсивному гумусообразованию и формированию в приствольных позициях лесных насаждений относительно обогащенного органическим веществом (до 3-5%) грубогумусового горизонта АОА1 и хорошо оструктуренного гумусового горизонта А1, общей мощностью в 6-10 см, постепенно переходящих в нижележащий, менее прогумусированный горизонт АС.

Под пологими лесонасаждениями, под влиянием хвойного опада за относительно короткий период времени (30-40 лет), происходит стадийная трансформация литосолей в рендзины грубогумусовые светлые на северных склонах и в рендзины фрагментарно-грубогумусовые светлые на южных склонах (рис. 3).

Влияние сосновых насаждений на ландшафт неравномерно и в пространственном отношении. Оно максимально в приствольных позициях (ПП; изометрические пятна с радиусом около 2-3 м вокруг развитых сосен) и менее выражено в межствольных позициях (МП). Вместе с тем, на склонах северных экспозиций, даже в МП, влияние сосны на профиль почв весьма заметно в форме слабой пропитки мелкозема органическим веществом, в то время, как на южных склонах оно исчезает полностью и почвенный профиль сохраняет первоначальное «литосольное» состояние. Пространственное варьирование свойств почв, обусловленное активной ролью сосновых деревьев, отражено в многочисленных работах исследователей леса от Скандинавии до Флориды (Карпачевский, 1981; 11уе8шеш1, 1995; АгсЬМШег, 2015).

Если в среднем, во взрослых и старовозрастных лесонасаждениях расстояние между соснами близко к 10 м, а приствольный круг характеризуется радиусом порядка 2.5-3.0 м, то можно считать, что почвы приствольных позиций занимают около трети территории лесонасаждений (рис. 4, фото 3).

К/

К?

о

АО А1 АС АС+С

Литосоль обычная

Литосоль рендзиновидная

Рендзина Рендзина

светлая грубогумусовая

светлая

Рис. 3. Трансформация почв приствольных позиций склонов северной экспозиции (от литосолей обычных к рендзинам грубогумусовым светлым) в первые десятилетия существования сосновых лесов.

Рис. 4. Схема пятнистости почвенного покрова сосняков.

Фото 3. Неоднородность почвенного покрова на южных склонах.

Влияние сосновых насаждений на ландшафт не ограничивается лишь появлением новых почв: рендзин вместо литосолей. Рост и развитие лесонасаждений оказывает влияние также на существенное снижение эрозионных перемещений рыхлого материала и увеличивает противоэрозионную устойчивость склоновых ландшафтов. Воздействие факторов среды на

эрозионный потенциал территорий, сопоставимых по природной обстановке с регионом Хевронского нагорья до начала их облесения, исследовано во многих работах (Assouline, Ben-Hur, 2006; Beven, 2002; Bracken, Kirkby, 2005; Cantón et al., 2011; Cerda, Doerr, 2007). В некоторых из них особо подчеркнут приоритет проективного покрытия растительного покрова и характера органогенных подстилок в контролировании поверхностного стока, эрозионной расчлененности и интенсивности выноса почвенного мелкозема (Eshghizadeh et al., 2016).

Заключение

Хвойные леса на границе пустыни Негев, созданные в середине 50-х- начале 60-х годов прошлого столетия не только выжили в экстремальных климатических условиях юга Израиля, но и существенно трансформировали прежний антропогенно опустыненный ландшафт за счет эффекта локальной пространственной гумидизации. В климатическом плане эта гумидизация связана с существенно большей затененностью поверхности почв лесных массивов по сравнению с почвами открытых пространств. В гидрологическом отношении она сводится к снятию пиков сброса влаги по склонам и в более длительном воздействии влаги на все компоненты склоновых ландшафтов, включая биологические. В почвенном аспекте гумидизация выражается в появлении почв более "северного" и "гумидного" габитуса, а именно рендзин вместо литосолей. Наконец, в геоморфологическом отношении эта гумидизация привела к защите склоновых поверхностей от эрозии. В итоге произошло общее снижение аридности вновь образованных ландшафтов района Хевронского нагорья. Воздействие сосновых насаждений на природный ландшафт проявляется в течение 20-30 лет их непрерывного существования. За этот период на месте прежних почв (литосолей) появляются новые почвы в виде рендзин грубогумусовых светлых и рендзин обычных светлых. Интенсивность процесса замены литосолей рендзинами определяется расстоянием от ствола дерева и достигает максимальных значений в приствольных позициях. Возникающий почвенный покров в виде пространственных комбинаций рендзин и литосолей, обладает принципиально иным гидрологическим режимом по сравнению с первоначальным. Он характеризуется наличием хвойного покрова на дневной поверхности почв, повышенным содержанием органического вещества в верхних горизонтах рендзин, лучшей структурной агрегированностью мелкозема рендзин по сравнению с литосолями и укрепляющим влиянием на почвенный профиль корневой системы сосны. Всё это существенно увеличивает устойчивость ландшафтной системы к плоскостной и линейной эрозии. При этом, пространственная устойчивость нового ландшафта неодинакова: она максимальна в приствольных позициях и гораздо ниже в межствольных.

Необходимо, однако, подчеркнуть, что отмеченное положительное воздействие сосновых насаждений на полупустынные ландшафты ограничено по времени из-за жестких климатических условий. Срок жизни хвойных насаждений в этих районах оценивается в 70-90 лет. Кроме того, в этой зоне до сих пор не отмечено сколько-нибудь существенных фактов естественного лесовозобновления сосновых насаждений, а возобновляющийся подрост сосновых деревьев гибнет в первый год своего появления. Естественное старение сосновых насаждений, неизбежное уменьшение их густоты, отсутствие естественного лесовозобновления и мероприятий по замене старовозрастных насаждений новыми хвойными деревьями, может привести к деградации существующих лесных массивов, разрушению современного почвенного покрова и регрессивной трансформация лесного ландшафта в полупустынный.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Афанасьева Л.В., Кашин В.К., Плешанов А.С., Михайлова Т.А., Бережная Н.С. 2004. Элементарный состав хвои и морфометрические параметры сосны обыкновенной в условиях атмосферного промышленного загрязнения в Западном Забайкалье // Хвойные бореальной зоны. Вып. 2. С. 112-119. Карпачевский Л.О. 1981. Лес и лесные почвы. М.: Лесная промышленность. 264 с. Молчанов А.А. 1973. Влияние леса на окружающую среду. М.: Наука. 359 с.

Орлов А.Я., Кошельков С.П., Осипов В.В., Соколов А.А. 1974. Типы лесных биогеоценозов южной тайги. М.: Наука. 231 с.

Фенглер Д.Н. 1988. Древесина (химия, ультраструктура, реакции). М.: Лесная промышленность. 520 с. Шарков В. И., Куйбина Н. И., Соловьева Ю. П., Павлова Т. А. 1976. Количественный химический анализ растительного сырья. М.: Лесная промышленность. 72 с.

CnPHHUbM, MAnHPO, CnPHHUbM, 3AHflEHBEPr, flEHHCroK

39

ArchMiller Althea A. 2015. Temporal and spatial variation in longleaf pine soil respiration and its heterotrophic and autotrophic components. A dissertation submitted to the Graduate Faculty of Auburn University for the Degree of Doctor of Philosophy. Alabama, USA. 135 p.

Assouline S., Ben-Hur M. 2006. Effects of rainfall intensity and slope gradient on Berg B, Lundmark JE. Decomposition of needle litter in lodgepole pine and scots pine monocultures a comparison // Scandinavian Journal of Forest Research. Vol. 2. P. 3- 12.

Beven K. 2002. Runoff generation in semi-arid areas, In: Dryland Rivers // Hydrology and geomorphology of semiarid channels. Wiley and Sons, England. P. 57-105.

Bracken L.J., Kirkby M.J. 2005. Differences in hill-slope runoff and sediment transport rates within two semi-arid catchments in southeast Spain. // Geomorphology. Vol. 68. P. 183-200.

Cantón Y., Solé-Benet, A. de Vente, J. Boix-Fayos, C. Calvo-Cases, A., J. Asensio Puigdefábregas. 2011. A review of runoff generation and soil erosion across scales in semiarid southeastern Spain. // Arid Environement. Vol. 75. P. 1254-1261.

Cerda A., Doerr S.H. 2007. Soil wettability, runoff and erodibility of major dry-Mediterranean land use types on calcareous soils // Hydrological Processes. Vol. 21. P. 2325-2336.

Dan J., Koyumdjisky H. 1979. The Classification of Israel Soils. The Volkani Center, Bet-Dagan, Israel. 94 p.

Eshghizadeh M., Talebi A., Dastorani M., Azimzadeh H. 2016. Effect of natural land covers on runoff and soil loss at the hill-slope scale // GJESM. Article 3. Vol. 2. P. 125-134.

Ilvesniemi H. 1995. Spatial and temporal variation of soil characteristics in pine sites in southern Finland // Silva Fennica. Vol. 25. № 2. P. 99-108.

APHflHBIE ЭКОСHСТЕМBI, 2018, tom 24, № 1 (74)