CC BY
54
Влияние водообеспеченности на плодородие почв и продуктивность биоценозов Южного Урала
Ю.М. Нестеренко, д.г.н, зав. отделом геоэкологии,
Оренбургский научный центр УрО РАН
Во второй половине XX в. значительно возросло воздействие человека на основные компоненты природы степной зоны: почвы, грунты, биоценозы, факторы, формирующие сток поверхностных и подземных вод, и др.
Южный Урал, типичный вододефицитный регион, имеет высокий уровень развития промышленности и сельскохозяйственного освоения территории и в связи с этим испытывает двойной пресс антропогенного воздействия на природу: со стороны промышленных зон, тяготеющих к городам, которые занимают около 2% территории региона, и сельскохозяйственных угодий, занимающих около 90% территории Южного Урала.
Сельскохозяйственное землепользование на Южном Урале привело к изменению водно-физических свойств и качества почвы. Следствием этого стали изменения в балансе вод зоны активного водообмена и их качестве. Изменения в природных водах повлекли за собой изменения в процессах, идущих в верхней части земной коры, в фор-
мировании растительности, почв, грунтов, их экологии и в процессах природопользования.
В формировании степных биоценозов и почв под ними особую значимость приобретает водо-обеспеченность этих процессов.
В естественных сухих степях при отсутствии или умеренном уровне антропогенной на них нагрузки значительную водорегулирующую роль имеет дернина многолетних дерновинных злаков (ковыли, типчак, тонконог и др.), многолетних стержнекорневых двудольных растений, полукустарников и вегетирующих обычно весной однолетних растений. На пониженных участках рельефа кустарники и колки засухоустойчивых лиственных древесных пород обеспечивают перехват основной части стока талых вод и летних ливневых осадков. Высокая начальная скорость впитывания воды в дернину (5—10 мм/мин.), значительно превышающая возможную интенсивность снеготаяния и ливней, обеспечивает быстрое проникновение влаги в нижерасположенные слои почвы. Там она под защитой все той же дернины сохраняется от непродуктивного испарения. Однако на создание дернины расходуется наземная часть растений, и чем большая часть ее будет ухо-
дить в зиму и затем на образование дернины и гумуса, тем выше будет эффективность использования атмосферных осадков. Отмершая степная растительность и полукустарнички, оставшиеся после умеренной пастьбы диких и домашних животных, предотвращают сдувание снега, обеспечивая его равномерное распределение. Естественные степи есть совокупность саморегулирующихся биогеоценозов, включающих растительность и обитающий в них животный мир, с преимущественно внутренним замкнутым оборотом органического и минерального вещества на основе замкнутой трофической цепи. Не съеденные животными, грызунами и прочей живностью растения или их части, отмирая совместно с корневой системой, создают дернину и соответствующие им почвы. Они обогащаются продуктами жизнедеятельности обитающих здесь животных, да и самими животными после их отмирания. Дернина, а точнее сказать, опадно-дерновое покрытие (степной войлок), с высокими фильтрационными свойствами в условиях большого дефицита влаги обеспечивает постепенное увеличение под ней мощности почвенного слоя и, защищая его от перегрева, поддерживает высокий коэффициент продуктивного использования накопленных атмосферных осадков.
Естественные степи имеют относительно высокую биологическую продуктивность в замкнутой системе, которая идет в основном на сохранение самих степей, не приспособлена к значительному отчуждению органического вещества за его пределы и имеет очень низкую хозяйственную продуктивность.
Отчуждение человеком все возрастающей части органического вещества из замкнутой естественной степной системы привело сначала к уменьшению мощности дернины, затем почвенного слоя и гумуса в нем, увеличению поверхностного стока талых и ливневых вод. Ухудшение во-дообеспеченности степной растительности ускорило дальнейшую деградацию степи, превращая ее в выбитую степь.
Хозяйственная урожайность слабовыбитой степи на южных черноземах Южного Урала в 1982—1985 гг. составила 2,8 т/га сухой массы, выбитой — 1,2 т/га и сильно выбитой — всего 0,2 т/га.
Распашка целинных земель привела к уничтожению приспособившихся в процессе эволюции к дефициту влаги биогеоценозов, создававших и постоянно поддерживавших опадно-дерновый покров, который являлся исходным материалом черноземов и его защитой. Это коренным образом изменило условия почвообразовательного процесса, водный и тепловой режимы почв и их воднофизические свойства. Вспаханная к зиме пашня (зябь) имеет фильтрационные свойства и объемный вес, близкие к величинам на некосимой целине. Однако в отличие от стабильных в вегета-
ционный период этих показателей на целине, пашня к середине вегетационного периода уплотняется с поверхности до 1,20— 1,25 г/см3, а начальная скорость впитывания воды уменьшается в 2— 3 раза.
В условиях водного дефицита Южного Урала круговорот органического вещества и его баланс в почве находятся в зависимости от водообеспе-ченности. Ведущим фактором водообеспеченнос-ти являются атмосферные осадки. Зависимость запасов гумуса в почвах Южного Урала от средней годовой суммы атмосферных осадков показана на рисунке. Его анализ показывает высокую зависимость запасов гумуса в 0,5-метровом слое пахотных и целинных не выбитых почв эталонных участков от атмосферных осадков.
Г, т/га У, ц.к.е/га
А, мм/год
Рис. 1 - Зависимость запасов гумуса (Г) в почве и продуктивности пахотных и целинных земель (У) от средней годовой суммы атмосферных осадков (А) с использованием данных [1]: 1 - запасы гумуса на пахотных землях и 2 - на целинных, 3 - урожайность на пашне и 4 - на целине.
При оценке урожайности на пахотных землях различных зон вододефицитных территорий целесообразно к расчету принимать годовую сумму осадков, так как все атмосферные осадки в той или иной мере участвуют в создании растительной массы. В таблице показана эффективность использования средней годовой суммы атмосферных осадков (Аг) по урожайности трав на целине (Уц) и зерновых культур на пахотных землях (Уп) в кормовых единицах на различных почвах. В этой же таблице показана урожайность в расчете на тонну гумуса в 0,5-метровом слое почвы. На эффективность использования растительностью атмосферных осадков и других природных факторов в естественных и искусственных биоценозах, проведения агротехнических и мелиоративных мероприятий существенное влияние оказывает содержание гумуса в почве.
1. Эффективность использования атмосферных осадков и гумуса растительностью в зависимости от их количества и типа почв на пахотных и целинных землях
Почвы
Показатели Ед. изм. темно- каштановые чернозем южный чернозем обыкновенный чернозем тучный
Атмосферные осадки за год, Аг мм 320 410 450 500
Урожайность на пашне, Уп ц к.е./га 9,1 10 12 13
Урожайность на целине, Уц -//- 7,2 10 13 16
Кос.п = Аг/Уп м3/ц к.е. 356 410 375 385
Кос.ц = Аг/Уц -//- 444 410 346 312
Содержание гумуса в слое 0,5 м на пашне, Гп т/га 125 225 280 360
Содержание гумуса в слое 0,5 м на целине, Гц -//- 191 312 378 564
Кг.п. = Уп/Гп ц/т 0,072 0,044 0,043 0,036
Кг.ц. = Уц/Гц -//- 0,038 0,032 0,034 0,028
Для оценки этого влияния и определения интенсивности нагрузки на него растительностью введем коэффициент интенсивности использования гумуса (Кг), определяемый по формуле
Кг = У / Г,
где У — урожайность наземной массы в кормовых единицах, ц/га;
Г — содержание гумуса в расчетном слое, т/га.
Затраты атмосферных осадков естественной целинной растительностью на создание центнера кормовых единиц уменьшаются с 444 м3/ц к.е. на темно-каштановых почвах, получающих 320 мм осадков, до 312 м3/ц к.е. — на тучных черноземах, получающих 500 мм осадков в год. Очевидно, с увеличением мощности дернового слоя и содержания гумуса в почвенном горизонте при большей водообеспеченности уменьшается доля непродуктивного испарения влаги.
В искусственных ценозах на пахотных землях применяемая на современном этапе система земледелия уменьшает затраты атмосферных осадков на темно-каштановых почвах до 356 м3/ц к.е. На распаханных южных черноземах расход влаги на центнер продукции равен ее расходу на целине. На обыкновенных и тучных черноземах эффективность использования влаги на пахотных землях на 8—9% меньше, чем на целине.
Интенсивность биологической нагрузки на гумус целины в степи мало зависит от его содержания в почве и составляет 0,038—0,032 ц к.е./т. В лесостепной зоне при лучшей водообеспеченно-сти и больших запасах гумуса (564 т/га) нагрузка на него снижается до 0,028 ц к.е./т.
На пахотных землях биологическая нагрузка на гумус в сравнении с данными по целине (по
урожайности зерновых культур) увеличивается в 1,5—2 раза и составляет 0,036—0,072 ц к.е./т. Интенсивность нагрузки на гумус пашни ожесточается хозяйственным отчуждением основной части урожая. Но и на пахотных землях лесостепной зоны интенсивность этой нагрузки в 2 раза меньше, чем в острозасушливой степной зоне на темно-каштановых почвах.
Более высокая нагрузка на запасы гумуса темно-каштановых почв ведет к интенсивной их деградации. За 30—35 лет их вспашки они потеряли 35% своего гумуса. За более чем 50-летнее использование под пашню обыкновенные и южные черноземы потеряли соответственно 24 и 26% запасов гумуса. За этот же период использование под пашню тучных черноземов при 500 мм атмосферных осадков и относительно низкой интенсивности нагрузки на запасы гумуса привело к снижению его содержания на 36%. По-видимому, при коэффициенте увлажнения (Кув), равном 0,7, и влагонакапливающей системе землепользования периодически возникающий нисходящий поток влаги в зоне аэрации выносит наиболее подвижные соединения гумуса в подпочвенные слои зоны аэрации и далее в подземные воды. Так, по данным [1], в малодоступном для растений горизонте этих почв на глубине 0,9—1,3 м содержание гумуса колеблется в пределах от 3,7 до 5,4%. Подземные и поверхностные воды этой зоны также имеют повышенное количество азот- и углеродсодержащих соединений.
Литература
1. Климентьев, А.И. Почвенные эталоны Оренбургской области / А.И. Климентьев, Е.В. Блохин // Материалы для Красной книги почв Оренбургской области / УрО РАН, Институт степи. Екатеринбург, 1996. 90 с.
