CC BY
142
№ 1(22), 2011 г.
НОВИКОВА Н.М., НОВИКОВА А.Ф., КОНЮШКОВА М.В., ЦЕРЕНОВ Н.М.
ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЛОНЦОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ЕРГЕНИНСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ В ИСКУССТВЕННЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ
Аннотация
На основании сопоставления данных почвенно-геоботанических исследований, проведенных в 2005-2008 гг. на участках с выпадами древесных пород в государственной лесополосе Волгоград - Элиста - Черкесск (первый опытный участок Аршань-Зельменского стационара РАН, Калмыкия), и детальных ботанических и почвенных карт масштаба 1:500, составленных в 1950 г. до проведения лесомелиорации, установлены особенности трансформации почв и растительности. В результате длительного лесомелиоративного воздействия исходные мелкие и корковые солончаковые сильнозасоленные солонцы сульфатно-хлоридного и хлоридно-сульфатного химизма трансформировались в агроземы солонцовые светлые солончаковатые (легкорастворимые соли отмечаются в конце первого метра), слабозасоленные, содового или содовосульфатного химизма с полностью рассолонцованным пахотным слоем; светло-каштановые глубокозасоленные почвы трансформировались в агроземы текстурно-карбонатные потенциально засоленные (соли вынесены за пределы 2 м). На месте выпавших древесных культур на агроземах солонцовых (бывших солонцах) сформировались травяные растительные сообщества, близкие по составу к природным на светлокаштановых почвах; на агроземах текстурно-карбонатных (бывших светло-каштановых) сформировались сложные сообщества лесного типа с господством дуба черешчатого.
Ключевые слова: степи, агролесомелиорация, растительные сообщества, экология, видовое богатство, общее проективное покрытие, надземная фитомасса, сходство, трансформация почв.
NOVIKOVA N.M., NOVIKOVA A.F., KONYUSHKOVA M.V, TSERENOV N.M.
TRANSFORMATION OF SOLONETZ COMPLEXES AT ERGENY HILLS
IN ARTIFICIAL FORESTS
Abstract
On the basis of comparison of data obtained during 2005-2008 soil-geobotanical research on the sites of forest failures in the state forest belt Volgograd-Elista-Cherkessk (the first experimental plot of the Arshan-Zelmen Scientific Station of the Russian Academy of Sciences, Kalmykia) and detailed botanical and soil maps of scale 1:500 made in 1950 before tree plantation, the transformation of soils and vegetation was estimated. As a result of the long-term forest impact, initial shallow strongly saline solonetzes with sulfate chloride salinity have been transformed into solonetzic agrozems, slightly saline in the upper meter, with soda or soda sulfate salinity, with completely dealkalinized arable layer; light-chestnut deeply saline soils have been transformed into texture-carbonate agrozems with deeper salt occurrence (deeper 2 m). At the place of forest failures with solonetzic agrozems (former solonetzes), the grassy plant communities close on a compound to natural ones found on light-chestnut soils were generated; on texture-carbonate agrozems (former light-chestnut soils), difficult communities of wood type with oak (Quercus robur) domination generated.
Key words: steppes, agroforest amelioration, plant communities, ecology, species richness, the total projective cover, overground phytomass, similarity of species composition, transformation of soils.
Введение
Возвышенность Ергени - крайний форпост степи на юге европейской части России. На Ергенях располагаются наиболее плодородные и высокопроизводительные земли Республики Калмыкия. Вопрос об их рациональном и устойчивом использовании давно рассматривается не только в плане ограничения прямых нагрузок при выпасе, но и в связи с проведением мелиоративных мероприятий, позволяющих в условиях дефицита влаги и засоления почв повышать их продукционный потенциал и расширять спектр видов землепользования. Крайне важным для устойчивого развития региона является существование лесополос. Функции, выполняемые лесными насаждениями в степной зоне, крайне разнообразны. Они улучшают микроклимат, защищают почвы от водной эрозии и дефляции, создают условия для повышения видового богатства и численности растений, зверей, птиц и их миграций. Лесоразведение рассматривается как один из основных способов борьбы с опустыниванием [1]. Лесоразведение на Ергенях имеет длительную историю [2, 3]. В XVIII в. площадь древесных насаждений здесь составляла около 1,3 тыс. га. Они были приурочены к лощинам, балкам, долинам рек, т.е. территориям, получающим дополнительное увлажнение водами поверхностного стока. Наиболее крупные площади лесных культур были созданы в 1949-1952 гг. после известного правительственного постановления 1948 г. По трассе государственной лесной полосы Волгоград
63
ВЕСТНИКИНСТИТУТА
- Элиста - Черкесск было засажено около 20 тыс. га. Сохранившиеся на данный момент лесопосадки выполняют полезащитную, пастбище-защитную, рекреационную, лесохозяйственную, мелиоративную функции [2, 4, 5, 6]. Изменения, происходящие в ландшафтах в результате лесоразведения, сохраняются в течение длительного периода даже после прекращения существования лесных насаждений. В данной работе были оценены почвы и растительность на участках выпадов древесных пород в государственной лесополосе Волгоград - Элиста - Черкесск на первом опытном участке Аршань-Зельменского стационара РАН.
Материалы и методы
Первый опытный участок Аршань-Зельменского стационара расположен на севере Ергеней на высотных отметках 132-144 м н.ум. (47.57° с.ш., 44.26-44.29° в.д.). Ергени - пологонаклонная равнина, осложненная мезо-, микрорельефом и балочной сетью. Годовая сумма осадков здесь составляет 300 мм, но испаряемость выше примерно в 3,5 раза. Грунтовые воды располагаются на глубине более 10 м, недоступны растениям и в почвообразовательном процессе не участвуют. Эта территория относится к подзоне опустыненных степей и светло-каштановых почв. Почвообразующие породы - четвертичные засоленные лессовидные суглинки [7]. Дефицит влаги, засоленность и солонцеватость почв - экологические факторы, лимитирующие развитие растительности. Для почв и растительности характерна комплексность, обусловленная особенностью перераспределения влаги микрорельефом. В научной литературе этот комплекс принято называть «солонцовым» [2], т.к. положительные элементы микрорельефа в естественных условиях заняты преимущественно сообществами черной полыни (Artemisia pauciflora) и прутняка (Kochia prostrata) на солонцах, а микропонижения со светлокаштановыми почвами - сообществами злаков и разнотравья с участием ковылей Лессинга, волосатика, сарептского (Stipa lessingiana, S. capillata, S. sareptana), типчака (Festuca valesiaca), тонконога изящного (Koeleria cristata) и ромашника (Tanacetum achilleifolium).
Рис. 1. Почвенная карта первого опытного участка Аршань-Зельменского стационара (северо-восточные Ергени, Калмыкия). Составлена Н.М. Зайцевым в 1950-1951 гг. (по Зайцеву, Зворыкиной, 1955). Легенда: 1-
64
№ 1(22), 2011 г.
6 комплексный почвенный покров: 1 - в комплексе преобладают светло-каштановые почвы, солонцы составляют 20%-30% от площади комплекса; 2 - в комплексе преобладают светло-каштановые почвы, солонцы составляют 30%-50%; 3 - в комплексе преобладают солонцы, занимают 50%-70%; 4 - в комплексе преобладают солонцы среднестолбчатые*, занимают 70%-80%; 5 - в комплексе преобладают солонцы глубокостолбчатые*, занимают 70%-80%; 6 - в комплексе преобладают солонцы корковостолбчатые*, занимают 70%-80%; 7-10 некомплексный почвенный покров: 7 - светлокаштановые и светло-каштановые среднесолонцеватые почвы; 8 - светло-каштановые выщелоченные почвы; 9 - лугово-каштановые почвы; 10 - темноцветные и лиманные почвы. 11 - номера лесных полос; 12 - номера ключевых участков, на которых выполнено почвенное и геоботаническое картографирование в масштабе 1:500; 13 - динамические площадки (пояснения в тексте); 14 - глубина вспашки: А - 25-27 см; В - 45 см; С - 55 см.
*Согласно классификации солонцов 1950-х гг. [16], к корковостолбчатым относили солонцы с мощностью надсолонцового горизонта 0-6 см, к среднестолбчатым - 6-12 см, к глубокостолбчатым - 12-18 см.
Опытный участок (рис. 1) имеет общую площадь около 114 га. На нем в направлении с севера на юг располагаются 4 лесополосы длиной 1 км, шириной по 60 м каждая, стоящие друг от друга на расстоянии 300 м. Лесонасаждения создавались как полезащитные [8], поэтому промежутки между лесополосами заняты пашней. Лесопосадка была организована по специально разработанной технологии с агротехническими приемами, направленными на улучшение водно-физических свойств почв: увеличение глубины промачивания и влагосодержания, вымывание солей и разрушение солонцового горизонта. Работы на участке начались в 1950 г. На первом этапе была проведена плантажная и обычная распашка целины на разную глубину (27, 45, 55 см), и для пополнения запасов влаги почва оставлена на два года под паром, для снегозадержания созданы кулисы из растений и проведено бороздование межкулисных пространств. Это позволило накопить в почве от 400 до 600 мм влаги [9]. Весной 1952 г. был произведен посев желудей дуба и посадки сеянцев еще 23 видов деревьев и кустарников. Основные древесные породы: дуб черешчатый (Quercus robur), вяз гладкий и мелколистный (Ulmus laevis, U. pumila), лох узколистный и серебристый (Elaeagnus angustifolia, E. argentea); кустарники: жимолость татарская (Lonicera tatarica), смородина золотая (Ribes aureum), шиповник (Rosa canina). В течение первых пяти лет проводился машинный и ручной уход за посадками, включавший 4-5-кратное рыхление междурядий и прополку в рядах, бороздование на зиму, ежегодную распашку на глубину 23-27 см и пополнение выпавших растений.
Наблюдения за изменением почв и растительности были организованы с самого начала эксперимента. В 1950 г. по целине было проведено почвенное картографирование всего участка в масштабе 1:2000, а на каждой из будущих 4-х лесополос организованы по 2 ключевых участка (в общей сложности - 8), на которых проведены почвенная и геоботаническая съемка в масштабе 1: 500 (рис. 1). На динамических площадках изучалось изменение свойств почв: гумусированности, засоленности, солонцеватости в процессе лесомелиорации. Благодаря тому, что результаты этих работ, в том числе карты и легенды к ним, опубликованы в трудах Института леса [7, 8, 10], была создана научная основа для ведения мониторинга за развитием процессов трансформации растительности и почв в организованном широкомасштабном натурном эксперименте по лесомелиорации.
Наблюдениями, проведенными за ходом эксперимента в течение первых 6 лет [3, 5, 9] было показано, что рассоление и рассолонцевание засоленных солонцов наиболее эффективно проходит при глубине плантажной вспашки 55 см, длительном паровании (1-2 года), ежегодном рыхлении в течение 6-7 лет (пока не сомкнулись кроны) широких (3-4 м) междурядий. При этом промачивание и существенное уменьшение содержания легкорастворимых солей происходит на глубину 1,0-1,4 м, в отличие от 20-25 см при обычной вспашке без ухода. Разработанный на Аршань-Зельменском стационаре комплекс мероприятий способствовал накоплению продуктивной влаги в слое 0-200 см и уменьшению содержания легко растворимых солей в солонцах в верхних 1-1,4 м в первые 6 лет [5]. При этом полного рассоления почвенного профиля не произошло. Рассолонцевание пахотного слоя проходило очень медленно. Незначительное уменьшение содержания обменного натрия отмечается только на пятый-шестой год жизни лесных культур [5].
Опыт показал, что специально разработанная и примененная агротехника дает наилучшие результаты при выращивании лесных насаждений в условиях Ергеней. Тем не менее, исходные свойства почв продолжают сказываться, несмотря на активную агротехнологию. Древесные породы на
65
ВЕСТНИК ИНСТИТУТА
мелиорированных солонцах по сравнению со светло-каштановыми почвами отставали в росте на 50120 см; со временем происходил их выпад.
В 1970-х годах наблюдения за ходом эксперимента были прекращены, и только в 2005-2008 гг. все ключевые участки были вновь обследованы. На выпадах древесных пород были заложены почвенные разрезы на глубину до 3-х метров, и вблизи них сделаны стандартные геоботанические описания. Для сопоставления характеристик состояния целинных почв в 1950 г. и в настоящее время, а также сопоставления с мелиорированными почвами, на целинном участке вне зоны воздействия лесополос, были заложены на микроповышении и в микропонижении почвенные разрезы и сделаны геоботанические описания. Географические координаты всех разрезов и геоботанических площадок зафиксированы с помощью GPS. Полученные результаты сопоставлялись с данными 1950-х годов.
При рассмотрении растительности обращалось внимание на основные характеристики структурнофункциональной организации сообществ [11]: надземную фитомассу травяного покрова, вклад основных хозяйственных групп (злаки, бобовые, разнотравье), изменение общего проективного покрытия сообщества, видового состава, количество видов на геоботанической площадке, представленность жизненных форм. С помощью кластерного анализа по индексу Жаккара с использованием компьютерной программы ECOL [12], проведен анализ и оценено сходство современного видового состава растительных сообществ на территориях с выпадом древесных видов на ключевых участках. Кроме того, в ходе проведенных исследований 2005 и 2008 гг. создана современная электронная база данных, характеризующая состояние растительности и почв, которая может быть использована для проведения мониторинга в дальнейшем.
Полученные результаты и обсуждение
Изменение в почвах солонцового комплекса. Анализ картографических материалов 1950-х годов (рис. 1) показывает, что почвенный покров опытного участка в основном представлен комплексами светло-каштановых почв с автоморфными солонцами, причем последние преобладают в почвенном покрове 1-го и 2-го ключей (доля солонцов составляет 70%-80% от площади комплекса), 3-го, 7-го и 8го ключей (50%-70%). На 4-ом, 5-ом и 6-ом ключевых участках в почвенном комплексе преобладали светло-каштановые почвы, солонцы занимали 20%-50% площади.
Исследования 2005-2008 гг. показали, что за постмелиоративный период произошли значительные изменения в морфологическом облике и химических свойствах солонцов под лесонасаждениями. Верхняя часть профиля бывших солонцов, которая была подвержена распашке, в настоящее время представлена пахотным (равномерно перемешанным) горизонтом 0-25 см и турбированным горизонтом, в котором четко выделяются фрагменты бывших надсолонцового, солонцового и подсолонцового горизонтов, залегающим на глубинах 25-40 (60) см. Сформировались почвы, которые, согласно «Классификации и диагностике почв России» [13], относятся к агроземам солонцовым светлым. За 50-летний постмелиоративный период произошло рассоление почв до глубины 90 см, при этом хлориды вынесены до глубины 200-250 см. Произошло полное рассолонцевание пахотного и турбированного горизонтов.
На глубине 80-160 см произошло образование гипсового горизонта, который в целинных почвах отсутствовал или характеризовался значительно меньшим содержанием гипса. Образование гипса мы связываем с реакцией взаимодействия сульфата натрия с карбонатами кальция. О том, что карбонат кальция в условиях дополнительного увлажнения участвует в данной реакции, может свидетельствовать уменьшение его содержания в 2-2,5 раза по профилю почв.
Произошло ощелачивание средней и нижней части почвенного профиля (в слое 20 (40)-80 (100) см) в результате образования соды по реакции Гедройца (за счет взаимодействия натрия ППК и карбоната кальция).
Изменениям подверглись и светло-каштановые почвы. В верхней части бывших светло-каштановых почв также выделяются пахотный (0-25 см), хорошо перемешанный, и тубированный (25-40 (60) см) горизонты. Эти почвы, согласно [13], относятся к агроземам текстурно-карбонатным преимущественно типичным, реже солонцеватым. Верхняя граница засоления опустилась глубже 2 м.
Таким образом, под лесонасаждениями сформировались антропогенно измененные почвы, не имеющие аналога в природе. На месте целинных солонцов сформировались агроземы солонцовые солончаковатые и глубокозасоленные слабой степени засоления, содово-сульфатного химизма или с повышенной щелочностью в средней части почвенного профиля с рассолонцованным пахотным слоем. На месте целинных светло-каштановых почв сформировались агроземы текстурно-карбонатные потенциально засоленные (глубина залегания солей более 2 м).
66
№ 1(22), 2011 г.
Таблица 1
Почвы и приуроченные к ним растительные сообщества на ключевых участках в 1950-е годы
Почвы и растительные сообщества Ключевые участки
1 2 3 4 5 6 7 8
Лугово-каштановая почва
пырей ползучий+разнотравье + - - - - - - -
типчак+пырей ползучий+разнотравье + - - - - - - -
типчак+пырей ползучий+ковыль волосатик+разнотравье - - + - - - - -
типчак+тонконог изящный + лапчатка двувильчатая - - + - - - - -
Светло-каштановая почва
типчак+ковыль Лессинга+ковыль волосатик - - - + - - - -
типчак+келерия сизая+(ромашник) + - + - + - - -
типчак+ромашник+ковыль волосатик - - - - - - + -
типчак+ромашник+(ковыль Лессинга) + + + + + + + +
типчак+ромашник + + + + + + + +
острец+мятлик луковичный+ромашник + - - - - - - -
Светло-каштановая солонцеватая почва
типчак+ромашник+житняк пустынный; + - + + - - - +
типчак+ромашник+ (острец+полынь белая); - + - - - - - -
ромашник+типчак - - - + - - - -
острец+типчак+ромашник; - + + - - - - -
Глубокостолбчатые солонцы
типчак+ромашник+острец; - + + - - + + -
типчак+ромашник+(острец+прутняк); - + + - - - - -
ромашник+типчак+(прутняк) + + - - + + + +
типчак+ромашник+прутняк+полынь белая+острец + + - - - - - -
житняк пустынный+ромашник+прутняк; - - + + - - - -
Среднестолбчатые солонцы
ромашник+прутняк+(типчак); + + + + + + + +
острец+ромашник+прутняк; + - + + - + + +
типчак+полынь белая+камфоросма+(острец) + + - - - - + -
ромашник+прутняк+полынь белая+(типчак) - + - - - - - -
ромашник+прутняк+полынь белая - - + - - - - -
острец+прутняк+типчак; - - + - - - - -
прутняк+ромашник+острец+(полынь черная) - - - + - - + +
Корково-столбчатые солонцы
прутняк+полынь черная; + + - - - - + -
полынь черная + камфоросма + - + - + - - -
полынь черная +прутняк+острец - + - + - - + -
полынь черная +прутняк - - + - - - - -
Изменение в растительности на выпадах лесополос на мелиорированных почвах. Анализ легенд к картографическим материалам позволил составить списки растительных сообществ, приуроченных к тем или иным типам почв (табл. 1) и на их основе представить экологический диапазон произрастания доминирующих видов в целинных условиях (табл. 2). Так, типчак (Festuca valesiaca), обладающий высокой соле- и засухоустойчивостью, распространен на почвах в широком экологическом диапазоне (табл. 2): промытых от солей и хорошо увлажненных лугово-каштановых вплоть до корковых солонцов, где типчаку на смену приходят полынь черная и камфоросма марсельская (Camphorosma monspeliacum). Близкий экологический диапазон имеет острец (Leymus ramosus), распространенный на всех типах почв, кроме лугово-
67
ВЕСТНИК ИНСТИТУТА
каштановых. В очень узком экологическом диапазоне условий произрастают пырей ползучий (Elytrigia repens), приуроченный только к лугово-каштановым почвам, ковыль Лессинга (Stipa lessingiana), распространенный только на светло-каштановых почвах, житняк пустынный (Agropyron desertorum), встречающийся только на светло-каштановых солонцеватых почвах и глубоко столбчатых солонцах. Полынь черная и камфоросма приурочены в своем распространении к крайним неблагоприятным условиям по увлажнению -среднестолбчатым и корковым солонцам, которых избегают другие виды. Прутняк (Kochiaprostrata) имеет более широкий экологический диапазон, встречается также только на солонцах, но не только корковых, и на глубокостолбчатых.
Таблица 2
Экологический диапазон доминирующих видов
Вид Почва*
Кл К1 К1сн СН3 СН2 СН1
Festuca valesiaca
Elytrigia repens
Koeleria cristata
Stipa capillata
Stipa lessingiana
Leymus ramosus
Tanacetum achilleifolium
Artemisia lerchiana
Agropyron desertorum
Kochia prostrata
Camphorosma monspeliacum
Artemisia pauciflora
*Кл - лугово-каштановая; К1 - светло-каштановая; К1сн - светло-каштановая солонцеватая; СН3 -солонец глубокостолбчатый; СН2 - солонец среднестолбчатый; СН1 - солонец корковостолбчатый. Критерии разделения солонцов приведены в подписи к рис. 1.
Экологический диапазон вида определяет и распространение образованных им сообществ, частоту их встречаемости на территории в условиях комплексности. Поэтому практически на всех ключевых участках в 1950-х г. были встречены сообщества типчака, ромашника, остреца - видов, имеющих широкую экологическую амплитуду и адаптированных к засоленным и солонцовым почвам (табл. 1).
В исследованиях 1950-х г. [3, 9] отмечалось, что уже в первые годы создания лесополос на солонцах начались выпады дуба, клена (Acer negundo), ясеня (Fraxinus sp.), яблони лесной (Malus sylvestris), а на десятом году - и вяза мелколистного. Подсадка новых видов показала, что наиболее солеустойчивы: смородина золотистая, тамарикс пятитычинковый (Tamarix pentandra), спирея зверобоелистная (Spirea hypericifolia), жимолость татарская, скумпия (Cotinus coggygria). К 1970 г. состав лесонасаждений изменился, сохранились только солеустойчивые виды деревьев и кустарников. Дубы и их сообщества в настоящее время произрастают только в мезопонижениях со светло-каштановыми выщелоченными почвами.
Во время геоботанических исследований в 2005 и 2008 гг. в растительных сообществах, сформировавшихся на выпаде древесных пород ключевых участков, были встречены 47 видов (табл. 3). В сообществах присутствуют растения, типичные для опустыненных степей: дерновинные злаки - типчак, ковыли волосатик и Лессинга, тонконог и полукустарнички - белая полынь и прутняк. Черная полынь встречена только на целинном участке. Второй вид, характерный для целинных сообществ - камфоросма, не был отмечен ни на ключевых участках, ни на целинном.
Таблица 3
Видовой состав растительных сообществ на участках выпавших деревьев и на контрольных целинных участках
Характеристики Ключевые участки Целина
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Глубина вспашки, см 45 55 55 45 45 55 55 45 - -
Количество видов* 9/8 14/9 13/12 14/13 15/11 14 13/12 12/7 8 10/7
Общее проективное покрытие (ОПП) 70 50 40 60 60 50 40 30 60 30
68
№ 1(22), 2011 г.
Фитомасса трав (сухой вес, г/м2) 40 61 68 111 59 82 40 34 45 29
Деревья
Quercus robur 5.1 5
Ulmus laevis 1.2** 0.3**
Pyrus communis 1.2** 0.5** 1.2** 2.1 1.8
Кустарники
Cotinus coggygria 1.2**
Acer tataricum 1.2** 0.8**
Lonicera tatarica 1.8** 2.3
Ribes aureum 1.8 1.2 0 7**
Полукустарнички
Artemisia lerchiana sol
Artemisia pauciflora sp
Kochia prostrata sp sol sp
Многолетние травы
Agropyron desertorum sol
Artemisia austriaca sp sol sol sp sp sol
Euphorbia virgata sol
Falcaria vulgaris sp sol sol sp
Festuca valesiaca sol sp sol sp sp cop1
Galatella villosa sp sp sp sp sp sol
Galium humifusum sol cop1
Galium verum sol sol sp sol sol
Jurinea multifolra sol sol sol
Koeleria cristata sol sol sol sol sp sol
Lamium paczhoskianum sol sp sol sol sol un
Leontodon hispidus sp sol sp
Leymus ramosum sol
Limonium caspium sol sol sol
Linum usitatissimum sol
Medicago romanica sol
Phlomis pungens sol cop1 sol sol sol
Poa bulbosa cop1 sol sp sp sp sp
Seseli tortuosum sp sol
Stipa capillata sp sp sol
Stipa lessingiana sol sp sol
Tanacetum achilleifolium sp sol sp sol
Taraxacum sp. sol sol
Tulipa sp. un
Verbascum foeniceum sol sol sol
Veronica prostrata sol sol
Viola hirta sp
Двулетние травы
Daucus carota sol sol sol sp
69
ВЕСТНИК ИНСТИТУТА
Однолетние травы
Erigeron annuus sol sol sol sol sP
Bassia sedoides sp
Camelina sylvestris sol
Chenopodium album sol
Lappula squarrosa sol
Petrosimonia triandra sol
Polygonum patulum sol
* в числителе - общее количество видов, в знаменателе - количество видов трав; ** возобновление.
В видовом составе наиболее многочисленны (28 видов) травянистые многолетники. Наиболее широко распространенным видом, доминантом нескольких сообществ, является грудница волосистая (Galatella villosa), не имевшая такого высокого фитоценотического значения ни на одном из ключевых участков в 1950-х годах (табл. 1). Да и сейчас на целинном участке она имеет невысокое обилие (табл. 3, sol). Содоминанты грудницы - типчак, ромашник и прутняк. Первые два вида характерны и выступают в качестве доминантов сообществ в естественных условиях на светло-каштановых солонцеватых почвах. Прутняк в качестве содоминанта при господстве предыдущих видов также распространен на светлокаштановых солонцеватых почвах. Таким образом, видимо, экологический диапазон грудницы близок ромашнику. Наряду с грудницей доминантом ряда сообществ выступает мятлик луковичный (Poa bulbosa), широкое распространение которого связывают с выпасом. Участие в этих сообществах полынка с высоким обилием подтверждает использование этих участков для выпаса. Высокое обилие мятлика на целине (табл. 3, т. 10) в сообществе с черной полынью и прутняком также свидетельствует о высокой пастбищной нагрузке.
В сообществах среди однолетников присутствуют виды разной экологии: мезофильные эфемеры (Camelina sylvestris, Polygonum patulum, Lappula squarrosa), галофиты (Bassia sedoides, Petrosimonia triandra), сорные (Erigeron annuus, Chenopodium album), обычные для данного региона. Они все имеют невысокое обилие.
Более наглядно произошедшие изменения в растительности, позволяющие оценить их с экологических позиций, дает сопоставление представленности почв и растительных сообществ на участках в 2005 и 2008 гг. и 1950-х годов, до мелиорации (табл. 4). Как видим, в почвенном покрове в лесополосах солонцы замещены агроземами солонцовыми, а растительные сообщества, характерные для солонцов, замещены сообществами, более близкими по экологическому диапазону к сообществам, типичным для светлокаштановых почв. Отсутствие чернополынных, камфоросмовых и прутняковых сообществ в современном растительном покрове на участках с выпадом древесных видов в лесополосах, доминирование грудницы, - вида, экологически близкого к ромашнику, свидетельствует о существенных изменениях не только в растительности, но и почвах. Это позволяет сделать вывод об экологическом сдвиге, произошедшем под влиянием лесомелиорации.
Таблица 4
Изменение в составе растительности и почвах до лесомелиорации и через 50-55 лет после нее в лесополосах на выпаде древесных видов
Точка на ключе№ Почва Растительность** *
до распашки, 1950 г после распашки и мелиорации, 2005-2008гг. до распашки, 1950 г. после распашки и мелиорации, 2009 г.
1 Солонец автоморфный корковостолбчаты й* солончаковый агрозем солонцовый солончаковатый полынь черная + камфоросма марсельская мятлик луковичный + ромашник + полынок
2** Солонец автоморфный глубокостолбчаты й* солончаковый агрозем солонцовый солончаковатый полынь черная +прутняк+острец грудница + прутняк
70
№ 1(22), 2011 г.
3** Солонец автоморфный среднестолбчатый * солончаковый агрозем солонцовый глубокозасоленн ый ром ашник+прутня к+полынь белая грудница+типч ак+ ковыль волосатик
4 Солонец автоморфный среднестолбчатый * солончаковый агрозем солонцовый солончаковатый ром ашник+прутня к+типчак зопник колючий+ грудница + полынок
5 Солонец автоморфный среднестолбчатый * солончаковый агрозем солонцовый солончаковатый ром ашник+прутня к+типчак грудница + мятлик луковичный + типчак + (полынок + ромашник)
6** Солонец автоморфный среднестолбчатый * солончаковый агрозем солонцовый солончаковатый ромашник + тысячелистник + прутняк грудница + типчак+тонконог
7** Светло- каштановая агрозем текстурно- карбонатный потенциально засоленный типчак+ромашник дуб черешчатый+ жимолость татарская+ бурьянистое сорнотравье (морковь, резак)
8 Светло- каштановая солонцеватая агрозем текстурно- карбонатный потенциально засоленный ромашник + тысячелистник + прутняк дуб черешчатый + груша+ подмаренник распростертый
Целина, контрольные точки
9 Светло-каштановая типчак+мятлик луковичный+(разнотравье)
10 Солонец корковый мятлик луковичный+черная полынь+прутняк
* Критерии разделения солонцов приведены в подписи к рис. 1.
** На этих участках глубина вспашки была 55 см, в то время как на остальных - 45 см.
*** В названиях растительных сообществ на первом месте (как это принято в латинских названиях), стоит доминирующий вид.
Дендрограмма (кластер) сходства растительных сообществ (рис. 2) показывает, что по видовому составу они наиболее далеко удалены от растительности целинного солонца, в то время как растительность целинного участка на каштановой почве близка всем ключевым участкам (за исключением 7 и 8), что может быть еще одним из свидетельств произошедших глубоких изменений.
Рис. 2. Дендрограмма сходства видового состава растительных сообществ на ключевых участках на выпаде деревьев на ключевых участках в лесополосах (точки 1-8) и на целине (точки 9-10). Условные
71
ВЕСТНИК ИНСТИТУТА
обозначения: аСН - агроземы солонцовые светлые (бывшие солонцы); аК1 - агроземы текстурнокарбонатные (бывшие светло-каштановые); СН - целинный солонец; К1 - целинная светло-каштановая почва.
На выпадах древесных пород на ключевых участках самовозобновление древесных видов практически не происходит. Из 8 обследованных участков успешный подрост единичных экземпляров вяза гладкого, груши (Pyrus communis), клена татарского, скумпии и золотистой смородины отмечен только на втором участке (табл. 3). На основании этого, видимо, следует считать, что на мелиорированных солонцах в условиях опустыненных степей лесные сообщества требуют специального ухода.
Продуктивность сообществ - одна из важнейших характеристик их функционирования, а представленность хозяйственных групп растений определяет их хозяйственную ценность. Учет надземной фитомассы проводился в мае, когда сообщества еще не достигли максимального развития, приходящегося в этих районах на середину июня [14]. Но для нас важно сопоставление участков между собой и с типичными сообществами на целине. Из-за того, что обследованный нами целинный участок на солонце сильно стравлен, его продуктивность (2,9 ц/га) существенно ниже характерной для чернополынников в средний год (4,6 ц/га,
[14]).
80
70
60
ч
S
^ 50
<я
I 40 S
s 30
е
20
10
0
▲
1
2345678
■А.........А
9 10
ключевые участки
ШштИ 1
2
А 3
-4
Рис. 3. Фитомасса трав на выпаде деревьев на ключевых участках в лесополосах (точки 1-8) и на целине (точки 9-10). Условные обозначения: 1 - разнотравье, 2 - злаки; фитомасса фоновых сообществ: 3 - в западинах, 4 - на микроповышениях.
Наиболее высокая продуктивность отмечена на 4 ключевом участке в зопниковом сообществе (рис. 3). В составе фитомассы значительная доля приходится на хозяйственную группу злаков, что повышает кормовую ценность этого сообщества. Продуктивность этого сообщества (10,1 ц/га) близка к значению наиболее высокопродуктивных злаковых сообществ в этом регионе (3,6-11,4 ц/га). На большинстве ключевых участков продуктивность травостоя выше, чем на целине в западине, в типчаково-мятликово-разнотравном сообществе на светло-каштановой почве. Особо выделяются растительные сообщества на точках ключей 7 и 8, отличающиеся низкой продуктивностью и специфическим составом растительности (табл. 3). Связано это с тем, что по сути они представляют небольшие участки, находящиеся под сомкнутым покровом испытывают сильное затеняющее и увлажняющее воздействие. Поэтому травостой развит слабо, а преобладающий вид - мезофит подмаренник цепкий подтверждает это.
72
№ 1(22), 2011 г.
Следует отметить отсутствие бобовых в составе травостоя на всех участках. Исключение составляет донник лекарственный (Melilotus officinalis), сорный вид, встреченный на 1 участке с незначительным обилием.
Близкие по содержанию исследования, проведенные на Джаныбекском стационаре в Прикаспийской низменности [15] показали, что большую роль в процессах лесомелиорации играют флуктуации климата и участие этого фактора также следует учитывать при осуществлении практических работ на основе комплекса мероприятий, разработанного на Аршань-Зельменском опытном участке на Ергенях.
Выводы
Под влиянием активных агротехнических мероприятий и длительного мелиоративного воздействия леса в течение 55 лет произошло качественное изменение исходной экосистемы солонцовых комплексов. Почвы трансформировались в новый тип - агроземы солонцовые светлые. Для них характерно особое морфологическое строение и особые водно-физические свойства. Пахотный слой мощностью 40-60 см имеет, в отличие от целинных солонцов, морфологически и химически выраженное рассолонцевание. Верхние 80-90 см почвенного слоя рассолились. Хлоридно-натриевый и хлоридно-сульфатно-натриевый химизм засоления, характерный для целинных солонцов, изменился на гидрокарбонатно-натриевый и сульфатнонатриевый. Хлориды вынесены на глубину 200-250 см.
В лесополосах на участках с солонцовыми агроземами сформировались травяные растительные сообщества с доминированием грудницы волосистой, типчака, ромашника, по видовому составу близкие растительным сообществам мелких западин целинных территорий. Благодаря увеличению производимой в этих сообществах фитомассы, приближающийся к значениям наиболее высокопродуктивных естественных ценозов с доминированием ковылей, вдвое увеличился биологический круговорот веществ.
Произошедшее изменение в почвах и растительности исходных солонцов может быть оценено как мезофитизация экосистемы.
Несмотря на положительные изменения, произошедшие в почвах солонцовых комплексов, недостаток влаги остается основным фактором, лимитирующим устойчивое существование лесных насаждений на Ергенях. Опыт стационара показывает, что без агромелиоративной поддержки человека длительное существование лесопосадок на агроземах солонцовых невозможно из-за того, что устойчивое массовое самовозобновление древесных видов, способных поддержать самовоспроизводство сообщества лесного типа на агроземах солонцовых, отсутствует.
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант N° 10-04-00394). 1
1. Национальная программа действий по борьбе с опустыниванием в Республике Калмыкия. //
Под ред. Э.Б. Габунщиной. Элиста: Джангар, 1995. 188 с.
2. Высоцкий Г.Н. Ергеня // Труды по прикладной ботанике. Т. VIII. № 10-11. Петроград. 1915. С. 1113-1431.
3. Никитин С.А. Некоторые итоги и задачи научно-исследовательских работ Аршань-Зельменского стационара // Защитное лесоразведение на комплексах светло-каштановых почв и солонцов Калмыкии. М.: Наука, 1972. С. 3-24.
4. Бакташева Н.М., Дорджиева С.Г. Современное состояние и значение лесоаграрных ландшафтов Северо-Восточных Ергеней // Поволжский экологический журнал. №2. 2009. С. 95-99.
5. Зайцев Н.М. Водный и солевой режим светло-каштановых почв и солонцов Ергеней под защитными лесонасаждениями в богарных условиях // Почвенно-мелиоративные и экологические условия Ергеней и северо-западной части Прикаспийской низменности. М.: Изд-во АН СССР. 1961. С. 89-138.
6. Новикова А.Ф., Габченко М.В., Беспалов В.П. Изменение засоления почв солонцовых комплексов Ергеней в результате длительного антропогенного воздействия (исследования почв Аршань-Зельменского стационара РАН) // Почвоведение. №4. 2009. С. 391-402.
7. Зайцев Н.М., Зворыкина К.В. Почвы и растительность первого опытного участка // Тр. Ин-та леса. Т. 28. М.: Изд-во АН СССР. 1955. С. 56-108.
8. Антипов-Каратаев И.Н., Поляков Ю.А., Будаговская А.С., Дубильнер К.В., Зворыкина К.В., Якишина А.М. Южный стационарный отряд // Тр. Компл. науч. эксп. по вопросам полезащитного лесоразведения. Т. 1. Вып. 2. М.: Изд-во АН СССР. 1951. С. 36-66.
9. Краевой С.Я., Еськина Б.И., Зайцев Н.М., Варкова О.М. К разработке выращивания лесонасаждений на Ергенях // Полезащитное лесоразведение на Ергенях и Прикаспийской
73
ВЕСТНИК ИНСТИТУТА
низменности. Исследования Аршань-Зельменского стационара. М.: Изд-во АН СССР. 1959. С. 366.
10. Поляков Ю.А., Антипов-Каратаев И.Н. Природные условия района деятельности Аршань-Зельменского стационара // Тр. Ин-та леса. Т. 28. М.: Изд-во АН СССР. 1955. С. 5-54.
11. Новикова Н.М., Волкова Н.А., Хитров Н.Б. Растительность солонцового комплекса заповедного степного участка в Северном Прикаспии // Аридные экосистемы. 2004. Т. 10. №22-23. 2004. С. 918.
12. Jongman R.H.G., Ter Braak C.G.F., Van Tongeren O.F.R. 1987. Data analysis in community and landscape ecology. Pudoc. Wageningen. 299 p.
13. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 2 с.
14. Джапова РР Динамика растительного покрова Ергенинской возвышенности и Прикаспийской низменности в пределах республики Калмыкия // Автореф. дис.... докт. биол. наук. М.: Биологический ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова. 2007. 47 с.
15. Сиземская М.Л. Современный этап эволюции и трансформация почв полупустыни Северного Прикаспия при лесомелиоративном воздействии // Автореф. дис.. докт. биол. наук. М.: Институт лесоведения РАН. 2011. 50 с.
16. Иванова Е.Н. Участие Почвенного института им. В.В. Докучаева в работах по борьбе с засухой и преобразованию природы лесостепных и степных районов европейской части СССР // Почвоведение. №12. 1949. С. 39-752.
ВОЛОШЕНКОВА Т. В.
АГРО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛЕСНЫХ ПОЛОС И ПОЧВОЗАЩИТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Аннотация
Выявлено преимущество комплексного влияния лесных полос и почвозащитной технологии на урожай сельскохозяйственных культур и предотвращение дефляции каштановых почв Центрального Предкавказья.
Ключевые слова: лесные полосы, почвозащитная технология, урожайность, дефляция.
VOLOSHENKOVA TV.
AGRO-ECOLOGICAL EFFICIENCY OF FOREST SHELTER BELTS AND SOIL -SAVING
TECHNOLOGY
Abstract
The advantage of complex influence of forest shelter belts and soil-saving technology on cropping capacity and on avert of deflation of Central Pre-Caucasus chestnut soils is exposed.
Key words: forest shelter belts, soil-saving technology, capacity, deflation.
Важнейшей задачей сельского хозяйства был и остается неуклонный рост производства зерна. В сложившихся политико-экономических условиях Северный Кавказ и, в частности, Ставропольский край является одним из важнейших поставщиков сельскохозяйственной продукции в России. Однако степная зона Центрального Предкавказья, в которой размещены основные площади возделываемой в крае озимой пшеницы, отличается крайней нестабильностью растениеводства, большой зависимостью его от природных условий.
На 84% территории Ставрополья существует опасность проявления дефляции. Сильные пыльные бури повторяются каждые 3-4 года, бури средней и слабой интенсивности - практически ежегодно. Это создает угрозу выдувания наиболее плодородного и трудновосполнимого верхнего слоя почвы. Кроме того, степная зона Центрального Предкавказья страдает от регулярных засух и суховеев [1].
В этих условиях поиск наиболее эффективных приемов защиты почв от дефляции и преодоления неблагоприятного действия климатических факторов является актуальной проблемой и имеет важное значение в деле стабилизации сельскохозяйственного производства.
В настоящее время накоплен обширный материал по изучению противодефляционной и мелиоративной роли лесных полос и почвозащитной технологии возделывания сельскохозяйственных культур [2, 3, 4]. Однако,
74
