CC BY
18
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2017, том 23, № 2 (71), с. 24-28
————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —==———
УДК 551.509.22 (470.67)
ЗАВИСИМОСТЬ УРОЖАЙНОСТИ ПАСТБИЩНЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ НА РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ПОЧВ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО ПРИКАСПИЯ ОТ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ФАКТОРА И ФАР
© 2017 г. Г.Н. Гасанов*'**, Т.А. Асварова*, К.М. Гаджиев*, З.Н. Ахмедова*, А.С. Абдулаева*, Р.Р. Баширов*
* Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ РАН Россия, 367000, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, д. 45. E-mail: [email protected] **Дагестанский государственный университет Россия, 367000, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, д. 43а
Поступила 10.08.2015
Приведены результаты исследований потенциала продуктивности светло-каштановой и лугово-каштановой почв полупустыни, видового состава пастбищного фитоценоза в условиях заповедного содержания, коэффициента использования фотосинтетически активной радиации (ФАР) в зависимости от гидротермических условий года и сезонов. Ключевые слова: видовой состав фитоценоза, коэффициент использования ФАР, почва светло-каштановая, почва лугово-каштановая, анионный состав, интеграл увлажненности и засушливости, зависимости урожайности от экологических факторов.
Полупустынные территории Северо-Западного Прикаспия отличаются жесткостью климатических условий. Испаряемость составляет, по данным разных авторов от 700-900 мм (Усманов и др., 2005) до 1350 мм (Гасанов, 2014), коэффициент увлажнения (КУ) - 0.11-0.14 (Гасанов и др., 2014). В почвенном покрове преобладают светло-каштановые (около 32%), лугово-каштановые, лугово-болотные и луговые (33.6 %) почвы и солончаки (12.3%) (Баламирзоев и др., 2008). Перечисленные типы почв характеризуются легким гранулометрическим составом, значительным распространением процессов вторичного засоления, которые, в сочетании с неблагоприятными климатическими факторами и нерациональным использованием пастбищ, способствуют усилению дефляции и процессов опустынивания. В настоящее время здесь насчитывается более 300 тыс. га открытых песчаных массивов (Баламирзоев и др., 2008).
В зависимости от экологических факторов, в первую очередь количества осадков, типа почвы, способа использования пастбищ урожайность воздушно-сухой надземной массы колеблется от 1-3 до 5-8 ц/га (Яруллина, 1983; Залибеков, 2000). В северной части этой территории (Ергенинская возвышенность Калмыкии), урожайность фитоценозов достигает 17.1 ц/га (Джапова, 2007). Значительный интерес представляет установление потенциала продуктивности основных типов почв полупустыни в различные по климатическим условиям периоды и годы в условиях заповедного содержания. Важно также определить видовой состав формируемого при этом фитоценоза и коэффициента использования им фотосинтетически активной радиации (ФАР).
Материалы и методы
Объект исследований - светло-каштановая и лугово-каштановая карбонатные солончаковые почвы Кочубейской биосферной станции Прикаспийского института биологических ресурсов Дагестанского научного центра РАН (ПИБР ДНЦ РАН). Географические координаты расположения экспериментального участка: 44.4° 72' с. ш., 46.24° 77' в. д. Испаряемость, коэффициент увлажнения, интегралы засушливости и увлажненности для рассматриваемой территории определены по сезонам 2011-2013 гг. (Гасанов и др., 2014), химические анализы почвы проведены по известным методикам (Аринушкина, 1962).
Степень увлажненности периодов вегетации полупустынного фитоценоза определяли по установленной методике (Гасанов и др., 2014). Экспериментальные участки, площадью 100 м2 на каждом типе почв, для соблюдения заповедного режима были обеспечены охраной и разбиты на 100 постоянных площадок по 1м2. Динамику урожайности и видового состава фитомассы определяли по
А.А. Титляновой (1988) в первой декаде каждого месяца с апреля по ноябрь включительно (всего восемь раз в год) в четырехкратной повторности. Образцы почвы отбирали весной во второй половине апреля и летом в наиболее жаркий период года - в конце июля - начале августа.
Названия растений даны по С.К. Черепанову (1981). Коэффициенты использования ФАР определяли, пользуясь формулой (Ничипорович, 1963): У=Кх109хК/102х4х103х102. Данная формула для расчета коэффициента использования ФАР имеет вид: К=Ух102х4х103х102/ Rx109, где К - коэффициент использования ФАР, %; У - биологический урожай абсолютно сухой надземной массы, ц/га; Rх109 - количество ФАР, поступающей на 1 га за период вегетации растений, ккал; 4х103 - количество энергии, выделяемой при сжигании 1 кг сухого вещества биомассы, ккал/кг; 102 -перевод кг в ц продукции.
Для оценки параметров уравнения множественной регрессии использован метод наименьших квадратов в матричном виде (Лакин, 1980). Достоверность данных по гидротермическим условиям, продуктивности фитоценозов оценивались по коэффициенту вариации (Cv), солеобразующих ионов в почве - по стандартному отклонению (5) и ошибке средней (m).
Результаты и обсуждение
В условиях Терско-Кумской низменности в течение года естественный фитоценоз формирует два урожая: первый к концу мая - началу июня и представлен эфемеровой синузией, второй - к концу сентября - началу октября и состоит преимущественно из разнотравья и солянок (Яруллина, 1983; Залибеков, 2000). В формировании продуктивности эфемеров наибольшее значение в условиях низменности имеют осадки за апрель и май. 2011 г. отличался благоприятными условиями для формирования высокой урожайности эфемеров и крайне неблагоприятными (во второй половине лета) для разнотравья и солянок. 2012 г. характеризовался высокой степенью засушливости в период вегетации эфемеров (интеграл засушливости 37.3) и редкой для рассматриваемых условий увлажненностью (интеграл увлажненности 203.8) во второй половине лета (табл. 1).
Таблица 1. Динамика экологических условий, содержания С1- и8042-(мг-экв./100 г) в светло -каштановой (горизонты А+АВ - 0-20 см), лугово-каштановой (горизонты А+В1 - 0-23 см) почвах и урожайности надземной фитомассы по периодам 2011-2013 гг.
20 И г. 20 12 г. 2013 г.
Показатели Весна Лето Весна Лето Весна Лето
(апрель) (июль) (апрель) (июль) (апрель) (июль)
Сумма осадков за период, мм 85 64 25 102 40 83
Средняя температура воздуха, °С 13.8 27.4 18.0 25.8 16.4 25.0
Относительная влажность воздуха, % 73 58 61 62 64 59
Испаряемость, мм 135 315 202 275 178 355
Коэффициент увлажнения 0.30 0.11 0.06 0.21 0.10 0.11
Интеграл увлажненности 29.8 - - 203.8 7.3 -
Интеграл засушливости - 63.4 37.3 - - 74.2
Содержание ионов, мг-экв./100 г: С1- 8042- 0.28 2.18 1.54 1.45 0.96 2.37
1.12 2.13 2.58 2.32 2.07 2.33
Соотношение ионов: С1-/8042- 0.25 1.02 0.60 0.62 0.46 1.00
Урожайность фитоценозов, т/га воздушно-сухой массы 1.57 0.89 0.17 6.95 0.90 3.63
За апрель - май 2012 г., по сравнению с соответствующим периодом 2011 г., испаряемость увеличилась на 67 мм, КУ уменьшился в 5 раз, что привело к подъему водорастворимых солей к верхнему горизонту почвы. В слое 0-20 см светло-каштановой почвы содержание С1- по сравнению с тем же периодом 2011 г. увеличилось в 5.5 раза, 8042-- в 2.3 раза, соотношение С1-: 8042- в 2.4 раза. Степень засоленности этого слоя почвы в 2011 г. характеризовалась как слабая, в 2012 г. - как
средняя. Тип засоления в обоих случаях остался хлоридно-сульфатным. Содержание тех же ионов и их соотношение в слое 0-23 см (гор. А+В1) лугово-каштановой почвы в 2011 г. при одинаковых гидротермических условиях были выше, чем в светло-каштановой: в 9.2, 1.5 и 6.0 раз соответственно. Наблюдается увеличение солеобразующих анионов весной 2012 г. по сравнению с тем же периодом
2011 г.: О" в 2.2, SO4 2-в 1.4 раза, соотношения их - в 1.6 раза.
Уменьшение количества осадков и вызванное этим увеличение ионов С1- и SO42- является причиной снижения урожайности эфемеров в 2012 г. по сравнению с 2011 г. в 9.2 раза на светло-каштановой и в 5.0 раз - на лугово-каштановой почве. Отмечено также резкое увеличение урожайности разнотравья и солянок во второй половине 2012 г., когда отмечались аномальные для этих условий количество осадков и интеграл увлажненности, по сравнению с предшествовавшим периодом 2011 г.: в 40.9 раз на светло-каштановой и 21.1 раз на лугово-каштановой почвах.
Гидротермические условия функционирования экосистем в 2013 г. занимают промежуточное положение между двумя предшествовавшими годами, что отразилось на динамике солеобразующих ионов в почве, и продуктивности фитоценозов. Суммарная урожайность фитомассы (эфемеры+разнотравье и солянки) на светло-каштановой почве составила (т/га): в 2011 г. - 2.46, в
2012 г. - 7.12, в 2013 г. - 4.53; на лугово-каштановой соответственно 1.39, 2.21 и 2.02. Средняя продуктивность фитоценозов за годы исследований на светло-каштановой почве (4.7 т/га) была выше, по сравнению с лугово-каштановой (1.87 т/га), в 2.5 раза.
В условиях заповедного содержания суммарная урожайность фитоценозов (эфемеры+разнотравье и солянки) на лугово-каштановой почве колеблется по годам от 14.9 до 22.1 ц/га на на светло-каштановой от 24.6 до 45.3 ц/га а в аномальные увлажненности годы может достигнуть и 71.2 ц/га, значительно превосходя показателей других авторов, проводивших свои исследования в прежние годы. Проявилось влияние более высокой увлажненности отдельных периодов за рассматриваемые годы (апрель-май 2011 г. и июль-август 2012 г.). Но основной причиной такого несоответствия является функционирование заповедных условий. Подтверждается это тем, что при самых жестких гидротермических условиях второй половины лета 2011 и 2013 гг., с интегралом засушливости 63.4 и 74.2, урожайность воздушно-сухой фитомассы разнотравья и солянок на лугово-каштановой почве составила в среднем 13.6 ц/га, на светло-каштановой почве -22.4 ц/га.
Лугово-каштановая почва отличается большей продуктивностью (Баламирзоев и др., 2008) на неэродированных или слабо эродированных и незасоленных разностях с близким залеганием пресных или слабо минерализованных грунтовых вод. Из-за высокой степени дефлированности этого типа почвы, содержание гумуса в горизонте А+В1 (0-23 см) оказалось меньше в 2.1 раза, плотность и НВ больше соответственно на 24.6% и 29.6%при сульфатно-хлоридном типе засоления. В летний период 2011-2012 гг. она характеризовалась как сильная, в 2013 г. как средняя. Высокая степень дефлированности и плотности почвы, близкое расположение к ее поверхности сильно минерализованных грунтовых вод, вызвавшее увеличение степени засоления корнеобитаемого слоя почвы, явились факторами, которые способствовали снижению продуктивности лугово-каштановой почвы, по сравнению со светло-каштановой.
Зависимости между урожайностью фитомассы (У, ц/га) и экологическими факторами в период вегетации фитоценозов (Х1 - осадки за вегетационный период, мм; Х2 - испаряемость, мм; Х3 - КУ; Х4 - содержание С1- в слое 0-20 см, мг-экв./100г почвы; Х5 - соотношение С1-^042- в слое 0-20 см) выражаются следующими уравнениями множественной регрессии.
На светло-каштановой почве:
для эфемеров: У=17.13+0.0425Х:+0.0087Х2-4.66Х3-20.65Х4+0.6Х5. Судя по коэффициенту детерминации (Я2=0.992=0.98), значениям Fф и Fт (219.8 и 3.11), связь между накоплением фитомассы и всеми исследуемыми факторами (осадки, испаряемость, коэффициент увлажнения, С1-, С1-^042-) характеризуется как сильная;
для разнотравья и солянок: У=9.65+0.18Х:-0.0147Х2-15.54Х3+45.78Х4-21.44Х5 - эта связь умеренная (Я2=0.592=0.35; значения Fф 3.22^т 2.53).
На лугово-каштановой почве:
для эфемеров: У=0.66 + 0.00268Х1-6.5Е-5Х2-0.18Х3-0.21Х4 + 0.27X5 , коэффициент детерминации (Я2=0.935) статистически значим, фактическое значение Fф > Fт, соответствует как 32.1 к 3.11. Связь
между накоплением фитомассы и всеми исследуемыми факторами сильная. Наибольшее влияние на результативный признак оказывает фактор Х4 и Х5- содержание d" (r=-0.92 и 0.S5)
для разнотравья и солянок: Y=4.i + 0.0006SXi-0.0003SiX2 + i.02X3-0.35X4-0.2X5. Коэффициент детерминации статистически значим (R2=0.87), фактическое значение Fф (iS.5)> Fт (3.ii). Наибольшее влияние на результативный признак здесь также оказывают факторы X4 и X5 (r=-0.93 и 0.S7), указывающие на тесноту связи с фитомассой как сильную.
Флористический состав растений на светло-каштановой почве в 2011-20i3 гг. представлен 42 видами, из них принадлежащими к семействам: сложноцветных (Asteraceae) - 4 вида, маревых (Chenopodiaceae) - 8 видов, мятликовых (Poaceae) - 16 видов. В растительных сообществах заметную роль в травостое играют мятликовые и в меньшей степени виды полыни. Доминантами из мятликовых на светло-каштановой почве являются: мятлик луковичный (Poa bulbosa L.), полевичка малая (Eragrostie minor Host.), мортук пшеничный (Eremopyrum triticeum), костер растопыренный (Bromus squarrosus L.), костер кровельный (Anisantha tectorum L.), костер японский (Bromus japonicas Thunb.j житняк пустынный (Agropyron desertorum Fisch. ех Lin Schul), из сложноцветных: полынь Лерха (Artemisia lercheana Web. ех Stechm), полынь таврическая (Artemisia taurica Willd.) из крестоцветных - бурачок пустынный (Alussum desertorum Stapf).
На лугово-каштановой почве преобладают, в основном, полынные сообщества. Встречается всего 34 вида растений: Asteraceae - 4, Chenopodiaceae - 6, Poaceae - S.
На 1см2 поверхности почвы Терско-Кумской низменности в течение года поступает 50.S7 ккал ФАР, подвергаясь изменению по месяцам и сезонам года (Гасанов, 2008). Урожайность фитомассы зависит и от других экологических факторов: гидротермических условий года или периода года, типа почвы, степени и химизма засоления. Этим объясняется различия в урожайности фитомассы по годам и периодам года при относительно стабильных показателях поступления ФАР на поверхность почвы. Соответственно, разными оказались и показатели его использования по годам и типам почв различными группами пастбищных фитоценозов (табл. 2).
Таблица 2. Урожайность абсолютно сухой надземной массы и коэффициент использования ФАР группами пастбищных фитоценозов на светло-каштановой и лугово-каштановой почвах за 20112013 гг.
Год Урожайность абсолютно сухой надземной массы, ц/га Коэффициент использования ФАР
эфемеров солянок и разнотравья всего эфемерами разнотравьем и солянками всей фитомассой
Светло-каштановая
20ii i3.i9 7.4S 20.67 0.25 0.i2 0.iS
20i2 i .43 5S.3S 59.Si 0.03 0.92 0.5i
20i3 7.56 30.49 3S.05 0.i4 0.4S 0.33
Средние 7.39 32.09 39.4S 0.i4 0.50 0.34
Лугово -каштановая
20ii 4.20 S.32 i2.52 0.0S 0.i3 0.ii
20i2 0.S4 i7.72 iS.56 0.02 0.2S 0.i6
20i3 i.6S i5.29 i6.97 0.03 0.24 0.i5
Средние 2.27 i3.7S i6.04 0.04 0.22 0.i4
В среднем за годы исследований коэффициент использования ФАР надземной фитомассой пастбищных угодий не достигает и 0.5% и только по разнотравью и солянкам он достиг этого уровня, в 2012 г. превзошёл этот уровень почти в два раза на светло-каштановой почве благодаря резкому увеличению урожайности солянки грузинской (курая). По урожайности фитомассы, показатель ФАР на лугово-каштановой почве оказался меньше, чем на светло-каштановой, в 2.4 раза, в том числе по эфемерам в 3.5 раза, разнотравью и солянкам - в 2.3 раза. Соотношение коэффициента использования ФАР эфемерами к аналогичному показателю по разнотравью и солянкам на этих же типах почв составляет соответственно 1:5.5 и 1:3.6, что является свидетельством того, что коэффициент
использования ФАР эфемерами на лугово-каштановой почве, из-за низкой их урожайности, имеет минимальный показатель (0.04).
Солянка грузинская (курай) - низкого качества в кормовом отношении. Учитывая толерантность его к засоленным почвам и большую вегетативную массу, создаваемую ею на таких почвах и, соответственно, большой вынос солеобразующих ионов из почвы, признается перспективным в изучении фитомелиорирующей роли.
Заключение
В условиях Северо-Западного Прикаспия суммарная урожайность фитоценозов (эфемеры+разнотравье и солянки) на лугово-каштановой почве при заповедном содержании колеблется, в зависимости от гидротермических условий, от 14.9 до 22.1 ц/га, на светло-каштановой почве - от 24.6 до 45.3 ц/га, а при аномально высоких интегралах увлажненности (203.8) может достигнуть 71.2 ц/га. Основной причиной снижения продуктивности фитоценозов на лугово-каштановой почве, по сравнению со светло-каштановой, является высокая степень дефлированности и плотности почвы.
Выявлены математические зависимости между основными экологическими факторами: суммой осадков, среднемесячной температурой и относительной влажностью воздуха, испаряемостью, КУ, а также типом и степенью засоленности светло-каштановой и лугово-каштановой почв по периодам года, и продуктивностью эфемеров и разнотравья.
Коэффициент использования ФАР эфемерами на лугово-каштановой почве, в зависимости от гидротермических условий периода формирования фитоценозов, колеблется от 0.02 до 0.08, разнотравьем и солянками - от 0.13 до 0.28, на светло-каштановой почве соответственно от 0.03 до 0.25 и от 0.12 до 0.48, а при интеграле увлажненности 203.8 во второй половины лета может достигнуть 0.92. Этот показатель на лугово-каштановой почве снижается по сравнению со светло-каштановой, в 2.4 раза, в том числе по эфемерам в 3.5 раза объясняя влияние различий в продолжительности вегетационного периода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Аринушкина Е.В. 1962. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ. 491 с.
Баламирзоев М.А., Аджиев А.М., Мирзоев Э.М.-Р., Муфараджев К.Г. 2008. Почвы Дагестана. Экологические
аспекты их рационального использования. Махачкала. 336 с. Гасанов Г.Н. 2008. Основы систем земледелия Западного Прикаспия. Махачкала. 263 с.
Гасанов Г.Н., М.Р. Мусаев, Г.М. Абдурахманов, С.А. Курбанов, А.М. Аджиев. 2004. Фитомелиорация
засоленных почв Западного Прикаспия. М.: Наука. 270 с. Гасанов Г.Н., Асварова Т.А., Гаджиев К.М. и др. 2014. Гидротермические условия формирования видового состава и продуктивности фитоценозов Северо-Западного Прикаспия (на примере Терско-Кумской низменности) //Аридные экосистемы. Т. 20. № 4 (61). С. 93-98. Джапова Р.Р. 2007. Динамика растительного покрова Ергененской возвышенности и Прикаспийской
низменности в пределах Республики Калмыкия. Авт. докт. дисс. ... М.: МГУ. 47 с. Залибеков З.Г. Процессы опустынивания и их влияние на почвенный покров. 2000. М. 219 с. Лакин Г.Ф. Биометрия. 1980. М.: Высшая школа. 293 с.
Ничипорович А.А. 1963. О путях повышения продуктивности фотосинтеза растений в посевах // Фотосинтез и
вопросы продуктивности растений. М.: Изд. АН ССР. С. 5-36. Титлянова А.А. 1988. Продуктивность травяных экосистем // Биологическая продуктивность травяных экосистем. Географические закономерности и экологические особенности / Ред. В.Б. Ильин. Новосибирск. Наука: Сиб. отд-е. С. 109-127. Усманов Р.З., Саидов А.К., Стасюк Н.В.,Федоров К.Н., Мирзоев Э.М-Р, Баламирзоев М.А. 2005. Экологический анализ земельных ресурсов регионов экологического бедствия юга России и методические рекомендации по их оценке и картографированию. Махачкала-Москва: МГУ- ПИБР ДНЦ РАН, ДГУ. 160 с. Черепанов С.К. 1981. Сосудистые растения СССР. Л.: Наука. 510 с.
Яруллина Н.А. 1983. Первичная биологическая продуктивность почв дельты Терека. М.: Наука. 90 с.
