Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Роль природных сообществ в территориальной структуре агроландшафтов 10
1.1. Структура земельного фонда Белгородской области и пути ее рационализации
1.2. Степные сообщества в структуре агроландшафтов 13
1.3. Использование природных травянистых сообществ в сельском хозяйстве.. 17
1.4. Степные сообщества ЦЧР: разнообразие, подходы к изучению и охране... 23
1.5. Реставрационные методики и их использование в различных природных условиях 33
Глава 2. Район, объекты и методы исследования 39
2.1. Краткая характеристика района исследования 39
2.2. Метеорологический режим в годы исследований 40
2.3. Объекты исследований 43
2.4. Характеристика почв изучаемых стационаров 44
2.5. Методика проведения исследований 47
2.6. Статистическая обработка данных 53
Глава 3. Растительность кальцефильных сообществ ЦЧР 54
3.1. Растительность стационара «Меловая гора» 54
3.2. Растительность стационара «Варваровка» 58
3.3. Средообразующая роль кальцефильных сообществ 63
Глава 4. Растительность степных сообществ ЦЧР 71
4.1. Растительность луговых степных сообществ 71
4.1.1. Растительность стационара «Ямская степь» 71
4.1.2. Растительность стационара «Зеленая Поляна» 74
4.1.3. Растительность стационара «Острасьевы Яры» 77
4.2. Растительность разнотравно-дерновинно-злаковых степных сообществ 81
4.2.1. Растительность стационара «Клименки» 81
4.2.2. Растительность урочища «Каменья» 85
Глава 5. Восстановление нарушенных степных сообществ методом посева поликомпонентных травосмесей 90
5.1. Изучение влияния заповедного режима на восстановление растительности и почвенный покров 90
5.2. Реставрация сообществ с помощью посева поликомпонентной травосмеси 94
5.2.1. Подсев поликомпонентной травосмеси в степное сообщество 94
5.2.2. Изменение физических свойств почвы степного сообщества при применении реставрационных методик 104
5.2.3. Посев поликомпонентной травосмеси на меловые обнажения 104
Выводы 115
Предложения производству 117
Литература 118
Приложения
- Структура земельного фонда Белгородской области и пути ее рационализации
- Краткая характеристика района исследования
- Растительность стационара «Меловая гора»
Введение к работе
Актуальность темы. С интенсивным тотальным освоением лесостепной и степной природных зон и превращением их в единую пахотно-степную зону возникло две взаимосвязанные проблемы: усиление эрозионных процессов и снижение видового биоразнообразия растительности (Гладовский, 1991). Эти проблемы особенно актуальны для американских прерий, пампасов; африканских саван; степей Евразии (Canned, 1957; Skarpe, 1992; Lisetskiy и др., 2002; Fischer G., 2002; Тишков, 2003 и др.).
Перспективным способом восстановления нарушенных земель является экологическая реставрация. Под экологической реставрацией нами понимается - комплекс работ, направленный на создание нооценозов на деградированной территории, что предусматривает проведение ландшафтно-дизайнерского проектирования, очистку, стабилизацию гидрорежима, почвозащитные мероприятия и, как итог, создание устойчивого рукотворного флорофаунистического комплекса.
В России за последнее десятилетие площадь пахотных земель, выведенных из сельхозоборота, возросла на 10 %. Реальная площадь залежей возросла существенно больше, так как большинство фактически неиспользуемых земель продолжают числиться в пахотном фонде. В Белгородской области за последние 20 лет из сельхозоборота выведено более 300 тыс. га деградированных земель. Нерациональное использование таких земель приводит к нарушению устойчивости агроэкосистем, особенно в старопахотных регионах России, к которым относится и Белгородская область. В соответствии с федеральным законом «О порядке консервации земель с изъятием их из оборота» (2002) допускается консервация земель, подвергшихся водной и ветровой эрозии, пастбищ с сильно нарушенным почвенно-растительным покровом.
5 Белгородскую область с высокой степенью расчлененности территории
(0,5-1,1 км/км2 действующих оврагов), расположением более 40 % сельскохозяйственных земель на склонах разной крутизны отличает высокий потенциал эрозионной опасности. Удельный вес пашни на землях со средне- и сильносмы-тыми черноземными почвами составляет 11,5 %, на сенокосах и пастбищах их доля значительно выше - 37,4 %. Повышенной эрозионной опасностью обладают черноземно-меловые смытые почвы и меловые обнажения (1,3 % общей площади).
До 10 % нераспаханных земель степной зоны нуждаются в экологической реставрации (Тишков, 2003). Основным фактором, сдерживающим эрозию, является естественная растительность. Ее обеднение снижает буферность агро-экосистем, приводит к тривиализации сообществ, способствует развитию эрозионных процессов. В наибольшей степени страдают от деградации степные сообщества, находящиеся на склонах, с худшими условиями увлажнения.
Сохранившиеся на небольших участках уникальные степные комплексы юга Центрально-Черноземной зоны имеют тенденцию к дальнейшей деградации, поэтому нахождение в природе, изучение и охрана уцелевших фрагментов степей - острая насущная проблема.
При восстановлении агроэкосистем более полное и интенсивное использование ресурсов достигается в сообществах, которые смоделированы по типу зональных биогеоценозов (Шамсутдинов З.Ш., Шамсутдинов Н.З., 2002). Поэтому, наряду с обычными посевами смесей из высокоурожайных, но недолговечных (3-5 лет) сортовых трав, необходимо создание комбинированных агро-степей (степная травосмесь + хозяйственно-ценные бобовые и злаковые) (Дзы-бов, 2002). Восстановленные таким методом степные сообщества на бросовых землях это эффективный способ подавления водной эрозии и дефляции; сохранения биоразнообразия территории, редких и исчезающих видов в оптимальной для них экологической среде; обогащения фитоценозов дикорастущими лекар-
ственными растениями и их биологическая защита от внедрения чужеродных видов; создание мест обитания полезных насекомых и других животных.
Вопросы восстановления кормовых угодий с помощью посева 2-4-х компонентных травосмесей в условиях Центрального Черноземья (Колосова, 1950; Черкасов, 1986, 2004; Технологии создания..., 1991 и др.) хорошо изучены. Однако мало проведено исследований по реставрации степных сообществ и кальцефильных фитоценозов в нашей зоне. Выявление наиболее перспективных методов реставрации, создание поликомпонентных травосмесей позволяет повысить биоразнообразие и устойчивость территории.
Объект исследования - степные и кальцефильные фитоценозы Белгородской области; поликомпонентные травосмеси, составленные на основе видов природных сообществ.
Предмет исследования - состав, распространение степных сообществ в аг-роэкосистемах в различных природно-территориальных комплексах Белгородской области. Реставрация степных сообществ, рост, развитие и устойчивость растений поликомпонентных травосмесей в зависимости от экологических условий.
Цель исследования - выявить эффективные методы реставрации сообществ с высоким уровнем биоразнообразия, продуктивности и противоэрозионной устойчивости в условиях Белгородской области.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
Изучить биоразнообразие, экологическую, биоморфологическую, эколо-го-ценотическую структуры, распределение растений по хозяйственной ценности основных типов степных фитоценозов Белгородской области, их надземную продуктивность.
Изучить агрохимические и агрофизические свойства почвы в окружающем субстрате и ризосфере растений, доминирующих на разных этапах сукцес-
7 сии на сильноэродированных карбонатных черноземных почвах, и оценить их
средообразующую роль.
Изучить влияние заповедного режима на видовое разнообразие растительности и некоторые физические свойства почвы.
Разработать для реставрации естественных сообществ состав поликомпонентных травосмесей с высокой долей участия степных видов, обеспечивающих восстановление водно-физических свойств почвы и высокий уровень биоразнообразия в различных экологических условиях.
Дать оценку элементам технологий возделывания поликомпонентных травосмесей.
В основу диссертации положены результаты полевых маршрутных исследований автора и стационарных полевых опытов, проведенных в период 2002-2005 гг.
Научная новизна. Впервые в агроландшафтных комплексах Белгородской области выявлены участки, которые при уменьшении антропогенного воздействия могут служить экологическими резерватами биоразнообразия степных сообществ. На основе анализа их структуры подобран состав поликомпонентных травосмесей, обеспечивающий эффективную реставрацию степных фитоцено-зов в разных почвенно-экологических условиях.
Защищаемые положения'.
Интеграция в территориальную структуру агроландшафтов реставрируемых степных сообществ позволяет использовать средообразующий потенциал биологического и ландшафтного разнообразия для формирования экологически сбалансированных и устойчивых агроландшафтных систем.
Наилучшей средообразующей способностью обладают эндемичные, узкоспециализированные кальцефильные виды растений, находящихся на пионерных стадиях сукцессии.
3. Введение заповедного режима на деградированных пастбищах с сильно
нарушенным почвенно-растительным покровом не обеспечивает значительного повышения биоразнообразия растительных сообществ.
Использование поликомпонентных травосмесей в системе коренного улучшения угодий увеличивает биоразнообразие, урожайность сообществ; оптимизирует плотность почвы, водопрочность структуры; повышает экологическую и противоэрозионную устойчивость агроландшафта.
Посев поликомпонентных травосмесей с преобладанием кальцефильных видов на меловые обнажения способствует увеличению проективного покрытия, видового разнообразия растительного сообщества и общему оздоровлению экологической обстановки.
Практическая значимость работы. Материалы диссертационной работы могут быть использованы при изучении растительных ресурсов, составлении конспектов флоры Белгородской области. Полученные автором сведения о структуре и распространении видов растений являются основой для составления планов рационального использования степных сообществ, как генетических резерватов редких и эндемичных, хозяйственно полезных видов, при разработке проектов землеустройства и рекультивации нарушенных земель, расширении сети особо охраняемых природных территорий регионального и местного значения. Разработанные нами составы поликомпонентных травосмесей могут быть применены для залуження меловых обнажений и эродированных склонов со средне- и сильноэродированными черноземными почвами.
Сведения о нахождении новых местообитаний редких видов использованы при составлении «Красной книги Белгородской области»; подготовке проекта постановления губернатора области «О расширении сети особо охраняемых территорий Белгородской области»; при закладке коллекций «Редкие и исчезающие виды растений», «Лекарственные растения» в Ботаническом саду Бел-ГУ.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на
научно-практической конференции «География и окружающая среда» в г. Белгороде (2002); «Актуальные проблемы ботаники и экологии» в г. Одессе (2003); конференций профессорско-преподавательского состава БелГУ в г. Белгороде (2003-2005).
По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка, 4 приложений. Объем работы: 150 страниц (основной текст изложен на 117 страницах), 13 рисунков, 40 таблиц. Библиографический список включает 258 источников.
Автор выражает особую благодарность своему научному руководителю д-ру геогр. наук, проф., Ф.Н. Лисецкому, а также директору Ботанического сада БелГУ канд. с.-х. наук В.И. Чернявских, зам. директора, д-ру с.-х. наук, проф. В.Н. Сорокопудову, сотрудникам Е.В. Зубковой, Т.Н. Чайкиной, В.Н. Семико-пенко, И.В. Остапенко, Н.Д. Мазняк за помощь и ценные советы.
Структура земельного фонда Белгородской области и пути ее рационализации
В пределах Среднерусской возвышенности на правобережье р. Дон расположена равнина с сильно рассеченными балками долиной, изрезанная оврагами, с отметками водоразделов 200-220 м над уровнем моря, с наивысшей отметкой 286 м. Густота овражно-балочной сети достигает 0,9-2,5 км /км .
Особенности рельефа в значительной части определяют развитие эрозионных процессов. Усиление эрозии почвы в областях Центрально-Черноземной зоны (ЦЧЗ) связано с тем, что 56,5 % земель, находящихся в обработке, размещаются на склонах различной крутизны. Следовательно, больше половины пашни в ЦЧЗ находится в эрозионно-опасных условиях и постоянно нуждается в проведении мер по защите почв от эрозии.
Белгородская область входит в состав наиболее опасных в эрозионном отношении почвенно-климатических районов: это - Белгородско-Касторненский район типичных, мощных, среднемощных и выщелочных черноземов и Алексе-евский район обыкновенных черноземов, имеющие густоту эрозионного рас-членения территории от 0,5-1,0 и 0,7-1,5 км/км соответственно и глубину местных базисов эрозии от 50 до 100 м (Санталов, 1970).
Одним из определяющих факторов нарушения энергетического баланса в условиях сложного рельефа является водная эрозия и дефляция. До последнего времени земледелие развивалось в условиях явно недостаточного учета всего комплекса природных условий местности: морфоструктуры, особенностей растительного покрова, режимов функционирования почв, процессов миграции и концентрации элементов, скорости, мощности и направленности последних (Володин, 2000).
Интенсивность формирования гумусового горизонта (с учетом нормальной эрозии) слабосмытых черноземов лесостепи обеспечивает им двойной уровень противоэрозионной устойчивости. Однако в ходе хозяйственного использования преодолевается естественный запас «почвенной прочности» почвенной системы (Лисецкий, 1987,2000; Голеусов, Лисецкий, 2005).
В Центрально-Черноземных областях процессы ускоренной эрозии почв начали отмечать в начале XIX века, особенно после реформы 1861 года. К 1887 году распашка территории достигла 66,7 % (Брауде, 1965). Главные причины потери верхнего слоя, роста оврагов и падения плодородия почв на склонах -сведение лесов, распашка лугов и неудобий без каких-либо дальнейших мероприятий по защите почв (Рожков, 1981; Каштанов, 1990, 1993; Дощечкина, 1994).
В результате в ЦЧЗ по данным различных авторов эродировано от 25 до 28,3 % сельскохозяйственных угодий, а в Белгородской области - 53,6 % (Ру-дай, 1985; Котлярова, 1995,2004, 1990; Акулов, 1992). Особенности сельскохозяйственного производства в таких ландшафтных условиях потребовали разработки комплекса специальных систем земледелия (Вильяме, 1930; Котлярова, 1995; Каштанов и др., 1996; Лисецкий и др., 1990; Ландшафтное земледелие..., 1993 и др.). Разработанная Г.И. Швебсом (1985) почвозащитная система контурно-мелиоративного земледелия (ПЗСК-МЗ) основана на контурной организации территории, включающей водорегулирующие устройства в виде валов, валов-канав, канав с мульчей, водонакопителей, водосборов и других способов регулирования поверхностного стока.
Наиболее эффективной стала система ландшафтного земледелия, включающая комплекс почвозащитных мероприятий: организация территорий, луго-лесомелиоративные мероприятия, почвозащитные севообороты, способы обработки почвы, гидротехнические сооружения, дифференцируемых в зависимости от степени развития эрозионных процессов (Здоровцов, 1976; Шелякин, 1990; Каштанов и др., 1993, 1996; Лопырев, 1993, 2004; Каштанов и др., 1994; Котлярова, 1995,2004).
На основе классификации земель по эродированности и интенсивности хозяйственного использования разработано 17 агрокомплексов (Котлярова, 1995). Введение контурной системы земледелия позволяет повысить продуктивность земель на 4,6-10,6 %. Уже на второй год рубежи I порядка начинают оказывать стабилизирующее воздействие в агроэкосистемы.
Краткая характеристика района исследования
Белгородская область расположена на юго-западных склонах Средне-Русской возвышенности и представляет собой повышенную равнину.
Исследования проводились в 2002-2005 гг. на территории Белгородской области в 3-х природных районах: подзоны типичной лесостепи, южной лесостепи, северной степи.
Изучаемые стационары расположены в 3-х природно-территориальных комплексах (ПТК): Калитвенско-Ураевском («Меловая гора», «Варваровка»), Осколо-Северскодонецком («Ямская степь», «Ботанический сад», «Зеленая поляна»), Ворсклинском («Острасьевы яры»), Айдарском («Клименки», «Каменья») (рис.2.1).
На склонах крутизной более 3 располагается 30 % земель. Расчлененный рельеф, пестрота условий почвообразования, развитие эрозии обуславливает сложность почвенного покрова на склоновом типе местности. На плато и выровненных участках водоразделов залегают неэродированные почвы; на склонах по мере увеличения крутизны - слабо-, средне-, сильносмытые, как правило, карбонатные; в понижениях сформировались выщелочные, осолоделые и переувлажненные почвы (Соловиченко, 2005).
Растительный покров лесостепной и степной природных зон области разнообразен и представлен травяными и лесными сообществами. Из 38 % земель занятых естественной растительностью разной степени нарушенности на долю травянистых (степей и лугов) сообществ приходится 21 %. Луга формируются в пониженных участках рельефа на местах имеющих достаточное увлажнение. Степные сообщества занимают склоны балок, оврагов и другие неудобья, играя важную роль в предотвращении эрозионных процессов.
Основными метеорологическими факторами, определяю/дими формирование степных сообществ различных типов, являются свет, тепло и влага.
Климат изучаемой территории умеренно-континентальный. Главные его особенности: большая годовая амплитуда температур, сравнительно мягкая зима с частыми оттепелями и снегопадами; солнечное, продолжительное лето; умеренное и не вполне устойчивое увлажнение с преобладанием летних осадков. Наличие сухих периодов промерзания почвы, умеренное увлажнение способствуют частичной консервации органического вещества, гумификации и как результат, образованию плодородных черноземов.
Продолжительность солнечного сияния - около 1800 часов, величина солнечной радиации - в среднем, около 4000 МДж/м .
Растительность стационара «Меловая гора»
Исследовательский стационар расположен в восточной части Белгородской области в подзоне южной лесостепи, в Калитвенско-Ураевском природно-территориальном комплексе (ПТК). Климатические условия здесь характеризуются большей, чем у других ПТК континентальностью. Стационар площадью 1 га расположен на выходах мела ООПТ «Меловая гора», каждая учетная пло-щадка (100 м) ограничена колышками. Здесь нами на протяжении 2002-2004 гг. проводились ежегодные сезонные наблюдения.
По ландшафтным условиям выбранный участок является типичным для меловых обнажений юго-востока Белгородской области. На этих участках встречаются популяции эндемичных видов, что и определило наш выбор.
Растительность участка представлена пятью основными типами степных группировок: тимьяннико-проломниковые, кальцефильно-петрофитные, низкоосоковые степи, иссопники и белополынники.
Низкоосоковые степи включают в свой состав, как злаковые низкоосочни-ки, так и разнотравные и полукустарниковые низкоосочники. Проективное покрытие колеблется в зависимости от ассоциации от 60 % в полукустарниковых низкоосочниках до 80 % - в разнотравных.
Тимьяннико-проломниковые степи расположены на бровках склона по всем экспозициям. Произрастают на слаборазвитых щебнистых почвах черноземного типа. Имеют высокое проективное покрытие - 70-75 %. Часто сопутствуют низкоосоковым степям. Между ними существуют взаимосвязь и взаимопереходы.
Кальцефильно-петрофитные луговые степи («сниженные альпы») произрастают на слаборазвитом черноземе с меловыми обнажениями. Состоят из разнотравно-осоковых, разнотравно-злаково-осоковых ассоциаций и лугово-степного разнотравья. Меловые иссопники приуроченные только к оголенным меловым субстратам. Доминирующее растение здесь полукустарник: Hyssopus cretaceus. Такие сообщества имеют низкое проективное покрытие - 15-30 %.
Своеобразными кальцефильными группировками являются белополынни-ки с доминантом Artemisia hololeuca. Они, как и иссопники, расположены на обнаженных меловых склонах с низким проективным покрытием (10-30 %) и часто образуют монодоминантные заросли. Только на границах ассоциаций в их состав входят другие виды.
Жизненная форма - это облик растений, отражающий их приспособленность к условиям среды. В климатической зоне лесостепи наиболее характерны такие жизненные формы (ЖФ), как многолетние растения, деревья и кустарники. В степных сообществах преобладают многолетники, а кустарники и деревья играют подчиненную роль. При снижении степени выпаса, интенсивности се 57 нокошения и рекреационной нагрузки доля древесно-кустарниковой растительности возрастает.
На территории стационара преобладают многолетние травянистые растения - 75,4 % от общего числа видов. Однолетние и двулетние виды составляют 6,86 % и 9,71 % соответственно. Кустарнички, полукустарнички и полукустарники составляют около 4 %. Эти жизненные формы более характерны для горных областей и свидетельствуют о горном происхождение таких наших видов, как Hyssopus cretaceus, Artemisia hololeuca, Thymus cretaceus, Onosma simplicis-sima и др. (Виноградов, 1954; Голицын, 1966; Бережной, 1994).
