CC BY
5УДК 631.41
Пугачёва А. М.
Pugacheva A. M.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭКОСИСТЕМ НА ЗАЛЕЖАХ НА КОМПЛЕКСНЫХ КАШТАНОВЫХ ПОЧВАХ СУХИХ СТЕПЕЙ
ECOSYSTEMS RESTORATION ON THE LAYLANDS ON COMLEX CHESTNUT SOILS OF DRY STEPPE
Целью данного исследования является изучение восстановления агроэкологических характеристик залежных земель на комплексных каштановых почвах сухих степей, находящихся в длительном режиме самовосстановления, для оценки их состояния и разработки рекомендаций по их дальнейшему использованию.
Исследование включает следующие направления: восстановление почв - включая плодородие и микробиологические характеристики, а также продукционные процессы фи-тоценозов. В результате исследований многолетних залежей установлено, что продукционные характеристики травостоя соответствуют показателям малопродуктивных фитоценозов сухих степей и составляют от 1,2 до 3,7 т/га по годам исследований. Надземная биомасса имеет сильную степень линейной зависимости от гидротермических условий с коэффициентом корреляции г=0,84. Показатели почвенного плодородия соответствуют зональным, максимальные значения имеет верхний профильный горизонт, что составляет у каштановых почв - 1,9, у лугово-каштановых - 3,8 %. Численность микроорганизмов по годам исследований имеет сильную степень зависимости от гидротермических условий (коэффициент корреляции г=0,91) и в меньшей степени от массы поступивших в почву органических веществ (г=0,76). В результате исследований можно сделать выводы, что за 20-летний период восстановления продукционные характеристики ценозов и показатели почвенного плодородия соответствуют зональным. Выборочные индикаторные показатели по оценке степени деградации почв характеризуют исследуемые почвы как слабодеградированные. Требуется более длительный период времени для их полного восстановления.
Ключевые слова: залежные земли, сухие степи, комплексные каштановые почвы, плодородие, микробиологическая активность, продукционные характеристики.
The aim of the present research is the study of restoration of laylands agroecological characteristics on complex chestnut soils of dry steppe having been in a durable self-restoration regime for the estimation of their status and development of the recommendations to their further utilization.
The research develops the following aspects: soils restoration, including soil fertility and microbiological characteristics, as well as, production processes of phytocenosis. The research data of many-year laylands show that the production characteristics of grass stand correspond to those of low-productive phytocenosis of dry steppe and make between 1,2 and 3,7 t/ha for the research period. The above ground biomass is of a high level of linear dependence on hydrothermal conditions with the correlation coefficient r=0,84. The indices of soil fertility correspond to zonal ones, the upper profile horizon is of a maximum value being 1,9 on chestnut and 3,8 % on meadow-chestnut soils. The yearly quantity of microorganisms is of a high dependence on hydrothermal conditions (correlation coefficient r=0,91) and of a lower dependence on the mass of applied organic substances (r=0,76). The research data confirm that the 20-year restoration period has resulted in the correspondence of the cenosis production characteristics and soil fertility indices to zonal ones. The selective indicated indices for estimation of soils degradation level characterize the soils under study as low-degraded ones. They require longer period to be completely restorated.
Key words: laylands, dry steppe, complex chestnut soil, soil fertility, microbial activity, productivity characteristics.
Пугачёва Анна Михайловна -
кандидат сельскохозяйственных наук, учёный секретарь
Всероссийский научно-исследовательский
агролесомелиоративный институт
г. Волгоград
Тел.: 8(8442) 46-25-10
E-mail: nir-1@mail.ru
Pugacheva Anna Michaylovna -
PhD Sci. Agr., Academic Secretary
All-Russia Scientific Research Agroforestry
Reclamation Institute
Volgograd
Tel.: 8(8442) 46-25-10 E-mail: nir-l@mail.ru
Начиная с 90 гг. ХХ века в России произошло обвальное сокращение земель занятых в сельскохозяйственном производстве [5, с. 112]. Социально-экономические преобразования и особенности этого процесса связанного с уменьшением продуктивности и сборов сельскохозяйственной продукции характеризуют этот тип движения земель как кризисный [1, с. 5]. В настоящее время озвучена суммарная цифра в 35 млн га земель выведенных из сельскохозяйственного оборота в РФ [7, с. 9]. Выбывшие площади пере-
водятся в залежь, и трансформируются под влиянием естественных и антропогенных процессов: почвообразования, саморазвития почв, зарастания лесом, задернения, залужения, заболачивания и др. [1, с. 3]. По Федеральным округам этот процесс происходит неравномерно, доля незасеваемых площадей составляет 10-80 % от общего количества пашни. Волгоградская область, имея общую площадь 11,3 млн га, сельскохозяйственным угодьям отводит 8,7 млн, из которых пашня занимает 5,84 млн. га [8, с. 253]. Южные области страны являются
основным поставщиком зерновой продукции, так как климатические характеристики этих территорий, способствуют формированию высококачественного зерна основных продовольственных культур [9, с. 88]. В рейтинге субъектов РФ по производству зерна по итогам 2014 года Волгоградская область занимает 6-е место. Наряду с этим, среди регионов РФ она имеет и максимальную площадь залежных земель - 2,76 млн га [12, с. 6]. Доля комплексных каштановых почв от почвенного фонда Волгоградской области составляет 7% (данные ЕГР Почвенных ресурсов России). Также эти почвы распространены в Ростовской, Астраханской, Саратовской областях, Ставропольском крае и других регионах России. Основные составляющие комплексных каштановых почв: каштановые и лугово-каштановые почвы. Лугово-каштановые размещаются по понижениям рельефа и не используются в качестве пахотных угодий [5, с. 289] .
Восстановление нарушенных земель особенно осложняется в дефляционно опасных регионах, к которым относится Волгоградская область. Ветроэрозионные процессы здесь имеют свою специфику, связанную с физико-географическими особенностями территории, общей засушливостью климата и активным ветровым режимом [8, с. 135]. Одним из средств защиты почвы от эрозионных процессов являются защитные лесные насаждения: линейные, куртинно-колковые, сплошные и другие. Опыт куртинно-колковых насаждений возникший в начале прошлого века хорошо зарекомендовал себя в степных областях. Размещаясь по понижениям рельефа (в том числе на лугово-каштановых почвах) и аккумулируя дополнительную влагу, они являются более долговечными и через увеличение лесистости территории способствуют улучшению общей экологической обстановки. Впервые о колковых насаждениях было упомянуто Г. Н. Высоцким, он рассматривал их как вариант облесения степи. По наблюдениям Б. А. Келлера в лесостепи по блюдцеобразным понижениям произрастают осиновые насаждения, в полупустыни - из таволги. В Западной Сибири Я. В. Шумилова характеризовала лесостепь наличием березовых и березово-осиновых рощ, или колков. Н. С. Забросаев разработал в 1963 году типологию колочковых березовых лесов ЗападноСибирской низменности в зависимости от геоморфологических и почвенно-грунтовых условий. Известен опыт создания колковых насаждений в глинистой полупустыне Приволжской низменности. Уникальный опыт куртинных защитных лесных насаждений заложен в 1982 году в сухой степи юга Приволжской возвышенности на территории Иловлинского района Волгоградской области (землепользование «Качалинское»). Масштабность процесса вывода из оборота земель сельскохозяйственного назначения, их трансформации и восстановление
определило цель данной работы: изучение восстановления агроэкологических характеристик залежных земель на комплексных каштановых почвах, находящихся в длительном режиме самовосстановления для оценки их состояния и разработки рекомендаций по их дальнейшему использованию.
Объекты и методы
Объектом исследований являлась территория S 135 га с куртинными защитными насаждениями на комплексных каштановых почвах Юга Приволжской возвышенности. По данным аэрокосмического мониторинга отдела ландшафтного планирования ВНИАЛМИ на территории исследований определены все микропонижения, по которым в 1982 году заложены куртинные насаждения круглой и элипсовидной формы. Породный состав включает адаптированные виды деревьев: Quercus robur L. var. Pyramidalis), Robinia pseudoacacia, Pinus nigra subsp. ра!^апа (Lamb.) Holmboe, Fraxinus lanceolata Borkh., Ulmus laevis Pall., Pyrus communis L. и кустарников: Hippophae rhamnoides L., Prunus padus L., Aronia melanocarpa (Michx.) Elliott, Ribes aureum Pursh., Cotinus coggygria Scop., Lonicera tatarica L. и др. В течение десятилетнего периода до 1992 года на пространствах между куртинными насаждениями в зерно-паровом севообороте возделывались культуры Tritikum aestivum L. и Hordeum vulgare L. Применялась традиционная для зоны сухого земледелия система обработки почвы вспашка с оборотом пласта на глубину 25-27 см, культивация и прикатывание. С l992 года эти земли выведены из сельскохозяйственного использования и находятся в режиме самовосстановления. Почвенный покров объекта исследований представлен комплексными каштановыми почвами, состоящими из каштановых почв и лугово-каштановых разностей, доля которых от общей площади землепользования составляет 13 % [11, с. 30].
Полевые исследования и диагностика почв с 2008 по 2012 гг. проводилась на базе агролесомелиоративного института. Исследования микрофлоры и гумуса выполнялись с использованием общепринятых в биологии и почвоведении методов (Теппер, Звягинцев, Практикум по агрохимии). Исследования микробиологических показателей осуществлялись совместно с М. М. Демченко (Волгоградский ГАУ). Численность эколого-трофических групп микроорганизмов определяли с помощью метода посева из разведений почвенных суспензий на твёрдые питательные среды. Учёт аммонификато-ров проводили на мясо-пептонном агаре (МПА), прокариот амиллолитического комплекса и ак-тиномицетов на крахмало-аммиачном агаре (КАА), олигонитрофильные бактерии на среде Эшби (СЭ). Количество грибов учитывали на подкислённой среде Чапека.
Для изучения процессов восстановления почв и микробиологических показателей исследования проводились по двум вариантам:
- Каштановые почвы;
- Лугово-каштановые почвы.
Продуктивность надземной биомассы исследуемых растительных ценозов на каштановых почвах определяли методом укосов в десяти по-вторностях [15, с. 25]. Укосы проводились в фазу цветения основных доминантов и содоминантов.
В работе использовался гидротермический коэффициент (ГТК) рассчитанный по Г Т Селянинову.
Результаты исследований
К хорошо изученным вопросам постагроген-ного восстановления земель в разных почвенно-климатических зонах страны можно отнести сукцессионные смены растительности, восстановление остальных составляющих комплекса сбалансированных экосистем изучено фрагментарно.
Одним из интегральных показателей растительных сообществ является их продуктивность, характеризующаяся запасом биомассы [13, с. 77]. При изучении продуктивности ценозов на залежах в наших исследованиях уделялось внимание надземной биомассе. Она зависит от возраста сообществ, видового состава растительности, слагающих конкретные сообщества, и почвенно-экологических условий местообитания. Большую роль играют осадки, отклонение которых от средней величины вызывают различия, как в видовом составе, так и в общей величине надземной биомассы.
Различные погодные условия всего периода исследований характеризуют резко континентальный климат Нижнего Поволжья. Количество выпадающих осадков является лимитирующим
фактором ростовых процессов в регионе. Анализируя влагообеспеченность по годам можно отметить, что показатели 2008 года превышали среднемноголетний уровень на 99,4 мм (406,4), 2009 год характеризовался, как засушливый. Несмотря на то, что количество осадков за этот год было выше среднемноголетних величин на 138 мм (445), в апреле показатель составил 1,6 мм, что в 14 раз меньше среднего значения. В 2010 году июньская засуха (количество осадков 3 мм, в 6 раз ниже среднемного-летних величин) отрицательно сказалась как на урожайности надземной биомассы растительности, так и на микробиологических процессах почвы. 2011 и 2012 годы превышали по количеству осадков среднемноголетние значения на 50 мм. ГТК за период активной вегетации максимальным был в 2008 году (0,76), наименьшим (0,37) в 2012, в остальные из исследуемых лет он составлял от 0,68 до 0,55. Самым сложным по влагообеспеченности был 2012 год, на величине продуктивности сказалась апрельская засуха, это привело к наименьшим показателям за все годы исследований. При расчете коэффициента корреляции между величиной надземной биомассы и ГТК выявлена сильная степень линейной зависимости 0,84. По результатам наших исследований средние значения биомассы имели близкие показатели, оставаясь в течение вегетационного периода в пределах 4 т/га. Максимальная урожайность (3,7 т/га) сформировалась в более благоприятном по условиям влагообеспеченности 2008 году, минимальная (1,2 т/ га) в 2012 году.
Рисунок 1 - Корреляционная зависимость урожайности (т/га) от ГТК
Повышение урожайности на протяжении всего периода исследований наблюдалось до конца июня. Далее, по мере повышения температуры воздуха, и из-за незначительного количества осадков, к концу летней вегетации травостой практически полностью переходил в ветошь. Согласно десятибалльной шкале Л. Е. Родина и Н. И. Базилевич по общему показателю велиины биомассы характеризующей зональные особенности биогеоценозов изучаемую залежь мож-
но отнести к группе очень малопродуктивных (1 балл - общее количество биомассы <2,5 т/га; 2 балла - от 2,6-5,0 т/га), что соответствует фи-томелиоративной характеристике естественных кормовых угодий сухих степей [14, с. 222].
Процесс восстановления почв в отличие от динамических изменений в растительных сообществах более длительный и зависит от множества факторов - климата, материнских пород, рельефа, временного периода, а также в зна-
чительнои степени от массы органического вещества, поступающего в почву. Температура и влажность оказывают влияние на разложение растительных остатков и в конечном итоге на процент содержания гумуса. Проводя сравнительное изучение профильного содержания гумуса после 20-летнего восстановительного периода можно сделать вывод что, исследуемые почвы по показателю плодородия (рис. 2.) соответствуют показателям целинных комплексных каштановых почв сухих степеИ (каштановые тяжелосуглинистые Кирпо Н. И. [4, с. 89], лугово-каштановые Рулев А. С. [11, с.31]) табл. 1.
с, %
0 1 2 3 4 5
10
20
30
60
70
40
110
/ / / /
1 , \/
/|" /1 1 1
( 1 \ 1 1 1
/ / // '/
1
1
н
■ каыианивыс
■лугово-каштановые
защищают его от микробного разложения. В наших опытах исследуемые почвы сформированы на тяжелом суглинке и легкоИ глине с содержанием частиц <0,005 мм в верхних горизонтах в высоком количестве от 16 до 27,2 %.
В перечне индикаторных показателей для оценки степени деградации почв конкретных объектов исследований учитываются такие показатели как запасы гумуса в профиле А и В и содержание физической глины [6, с. 11]. Уменьшение запасов гумуса на варианте каштановых и лугово-каштановых почв не наблюдается. Выявлено уменьшение содержания физической глины в лугово-каштановых почвах на 8-12 % от исходного состояния, что соответствует 1 степени деградации (слабодеградированные почвы), в каштановых почвах уменьшение <5 %, что характерно для недеградированных (ненарушенных) почв.
Таблица 1 - Состав целинных комплексных каштановых почв сухих степей
Горизонт, глубина отбора образца (см) Каштановые тяжелогуслинистые почвы Иловлинский район, Волгоградская область с. Качалино (Н. И. Кирпо, 2013 г.) Лугово-каштановые тяжелосуглинистые почвы Иловлинский район, Волгоградская область, землепользование «Качалинское» (А. С. Рулев, 2014).
А1 0-20 1,64 3,63
В1 20-35 1,48 2,21
В2 35-52 1,06 2,04
ВС 52-86 0,73 1,30
С 86-150 0,32 1,25
Рисунок 2 - Профильное распределение содержания гумуса в комплексных каштановых почвах многолетних залежей сухих степей (Иловлинский район Волгоградская область землепользование «Качалинское»)
Максимальное содержание гумуса соответствует верхнему горизонту по всем вариантам опыта. На рис. 1 наглядно видно, что характер профильного распределения содержания гумуса сильно убывающий. На глубине 10-30 см происходит его резкое падение по вариантам исследований. По данным К. Ш. Казеева такие показатели характерны для целинных и длительно залежных почв каштановых комплексов [3, с. 467]. Убывающий ряд содержания гумуса по объектам исследований: лугово-каштановые - каштановые. Важной составляющей при формировании общего количества органического вещества является содержание илистых частиц, т. к. данные частицы
Наиболее информативным диагностическим почвенным компонентом, способным быстро реагировать на смену экологических и прочих условий, являются микробоценозы. Поэтому микробные комплексы почв могут быть использованы для диагностирования состояния биогеоценозов после различных нарушений. Механические обработки почвы помимо разносторонних изменений приводят к нарушению баланса микробного комплекса, изменению его структуры и протекающих биохимических процессов. В связи со сложностью и разнообразием самих микробиологических объектов процессы восстановления нарушенных трофических связей являются комплексными и разносторонними, но при устранении фактора, возможно, их восстановление до исходного состояния [2, с. 181]. По проведенным ранее исследованиям наблюдается определённая закономерность в численном составе микроорганизмов по вариантам опыта [10, с. 90]. Наименьшая численность аммонифицирующих бактерий отмечена на варианте лугово-каштановых почв, а максимальная (превышающая в 2,6 раза) на варианте каштановых. По шкалам Звягинцева обогащённость колеблется от средней степени на варианте лугово-каштановых, до высокой степени - каштановых
238
в
почв. Изучение динамики численности микро- стически достоверное влияние на численность
организмов выявило её зависимость от режи- микробиоты с коэффициентом корреляции
ма влагообеспеченности и от количества ор- 0,91, что свидетельствует о сильной степени
ганического вещества поступающего в почву. линейной зависимости между этими показате-
Гидротермические условия оказывают стати- лями рис. 3.
Рисунок 3 - Зависимость численности микроорганизмов от погодных факторов.
Рисунок 4 - Зависимость численности микроорганизмов от урожайности
надземной биомассы, т/га.
При анализе взаимозависимости численного состава микроорганизмов от поступающих в почву растительных остатков коэффициент корреляции составил 0,76, что свидетельствует о наличии линейной связи между показателями рис. 4.
По результатам проведенных исследований экосистем на залежных землях после длительного периода восстановления на комплексных каштановых почвах можно сделать следующие выводы:
В ходе восстановительных процессов меняются продукционные характеристики растительных сообществ, которые после длительного периода восстановления позволяют отнести из-
учаемые фитоценозы на залежах к группе очень малопродуктивных от 1,2 до 3,7 т/га, что соответствует характеристике естественных фито-ценозов сухих степей.
В результате длительного периода восстановления почв можно говорить о соответствии показателей плодородия с показателями целинных комплексных каштановых почв.
Выявлены зависимости микробиологических показателей от гидротермических условий с коэффициентом корреляции 0,91 и в меньшей степени от продуктивности надземной биомассы растительности коэффициент 0,76.
Выборочные индикаторные показатели по оценке степени деградации почв характеризу-
ют исследуемые почвы как слабодеградированные. Требуется более длительный период времени для их полного восстановления.
В целом на залежных землях сухих степей на комплексных каштановых почвах, наблю-
дается положительная динамика, что свидетельствует о возможности их восстановления до климаксовых или субклимаксовых экосистем, находящихся в равновесии с окружающей средой.
Литература
1. Агроэкологическое состояние и перспективы использования земель России, выбывших из активного сельскохозяйственного оборота / под ред. акад. Г А. Романенко. М. : ФГНУ «Росинформагро-тех», 2008. 64 с.
2. Ананьева Н. Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв : монография. Москва : Наука, 2003. 223 с.
3. Биологические свойства почв каштаново-солонцовых комплексов К. Ш. Казеев [и др.] // Почвоведение. 2005. № 4. С. 464474.
4. Кирпо Н. И. Почвы Нижнего Поволжья: их генезис и агропроизводственная характеристика. Волгоград : ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2013. 104 с.
5. Динамика сельскохозяйственных земель России в XX веке и постагрогенное восстановление растительности и почв. М. : ГЕОС, 2010. 416 с.
6. Методы оценки степени деградации сельскохозяйственных земель : научное издание / ФГБНУ ВНИИ «Радуга». Коломна : ИП Воробьев О. М., 2015. 32 с.
7. Иванов А. Л. Рациональное использование и охрана земельных (почвенных) ресурсов Российской Федерации // Вестник Российской сельскохозяйственной науки. 2015. № 1. С. 7-10.
8. Погода и климат Волгоградской области : монография / А. Н. Сажин, К. Н. Кулик, Ю. И. Васильев. Волгоград : ВНИАЛМИ, 2010. 138 с.
9. Пугачёва А. М., Демченко М. М. Формирование качественных характеристик зерна сортов озимой пшеницы на светло-каштановых почвах // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. 2008. № 1 (9). С. 29-33.
10. Пугачёва А. М., Демченко М. М. Микробиологическая составляющая каштановых почв степной зоны в системе защитных куртинных насаждений // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. 2013. № 2 (30). С. 88-93.
11. Рулев А. С., Пугачёва А. М. Почвенно-геоморфологические исследования ландшафтов юга Приволжской возвышенности // Аграрный научный журнал. 2014. № 12. С. 30-33.
12. Смелянский И. Э. Сколько в степном регионе России залежей // Степной бюллетень. 2012. № 36. С. 4-7.
References
1. Agroecological status and prospects of use of lands of Russia withdrawn from active agricultural rotation / ed. by Acad. G. A. Romanenko. M.: FSSI «Rosinformagrotech», 2008. 64 p.
2. Ananjeva N. D. Microbiological aspects of self-purification and soil stability: Monogr. Moscow: Science, 2003. 223 p.
3. Kazeev K. S. et al. Biological properties of soils of chestnut solonetz complexes// Soil science. 2005. № 4. P. 464-474.
4. Kirpo N. I. Soils of the Lower Volga: their genesis and agricultural characteristics. Volgograd: FSB EI HPE Volgograd state agrarian university, 2013. 104 p.
5. Lyuri D. I., Goryachkin S. V., Karavaeva N. A., Denichenko E. A., Nefedova T. G. Dynamics of agricultural lands of Russia in the XX-th century and postagrogenic restoration of vegetation and soils. M.: GEOS, 2010. 416 p.
6. Methods of assessment of degradation of agricultural lands: scientific publication / FSBSI «Rainbow». Kolomna: SP Vorobyov O. M., 2015. 32 p.
7. Ivanov A. L. Rational use and protection of land (soil) resources of the Russian Federation // The Russian journal of agricultural science. 2015. № 1, P. 7-10.
8. Weather and climate of the Volgograd region: monogr. / A. N. Sazhin, K. N. Kulik, Y. I. Vasiliev. Volgograd: VNIALMI, 2010. 138 p.
9. Pugacheva A. M., Demchenko M. M. Formation of the quality characteristics of grain of winter wheat varieties on light chestnut soils // Proceedings of Lower Volga agrouniversity complex. 2008. No. 1 (9). P. 29-33.
10. Pugacheva A. M., Demchenko M. M. Microbiological component of chestnut soils of the steppe zone in the system of protective parterre plantings // Proceedings of Lower Volga agrouniversity complex. 2013. No. 2 (30). P. 88-93.
11. Rulev A. S., Pugacheva A. M. Soil-geomorphological research of landscapes of the southern Volga Upland // Agrarian science journal. 2014. No. 12. P. 30-33.
12. Smelyanskiy I. E. How many laylands are there in the steppe region of Russia // Steppe bulletin. 2012. No. 36. P. 4-7.
13. Titlyanova A. A., Tikhomirova N. A., Shatokhina N. G. Production process
13. Титлянова А. А., Тихомирова Н. А., Шато-хина Н. Г. Продукционный процесс в аг-роценозах : монография. Новосибирск : Издательство «Наука». Сибирское отделение, 1982. 185 с.
14. Родин Л. Е., Базилевич Н. И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности : монография. М.-Л. : Наука, 1965. 254 с.
15. Родин Л. Е., Ремезов Н. П., Базилевич Н. И. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах : монография. Л. : Наука, 1967. 143 с.
in agrocenosis: monogr. / Novosibirsk: «Science» publ.; Siberian branch, 1982. 185 P.
14. Rodin L. E., Bazilevich N. I. Dynamics of organic matter and biological turnover of ash elements and nitrogen in main types of vegetation: monogr. M.-L.: Science, 1965. 254 p.
15. Rodin L. E., Remezov N. P., Bazilevich N. I. Methodical instructions to study the dynamics and biological cycles in the plant communities: monogr. L.: Science, 1967. 143 p.
