Современный этап эволюции и трансформация почв полупустыни Северного Прикаспия при лесомелиоративном воздействии Сиземская, Марина Львовна

Введение к работе

Актуальность темы. Изучение современных процессов эволюции почв как важнейшего компонента экосистем дает возможность более глубокого понимания их функционирования и составления научно обоснованных прогнозов их дальнейшего развития. Для почв аридных регионов одной из важнейших характеристик является их солевое состояние, которое, в отличие от многих других почвенных свойств, может изменяться во времени сравнительно быстро и поэтому быть доступным для непосредственных натурных наблюдений. В этом отношении целинные ландшафты глинистой полупустыни Северного Прикас- пия являются прекрасной природной моделью территории, где на протяжении коротких исторических промежутков времени в связи с цикличностью климатических условий и, возможно, другими причинами, почвы неоднократно подвергались процессам засоления и рассоления. Существующая литература по этой проблеме (Ковда, 1950; Динесман, 1960, 1977; Демкин, Иванов, 1985; Геннадиев, 1990; Демкин и др., 2003, 2006) относится преимущественно к изменению солевого состояния почв на протяжении всего голоцена или крупных его отрезков, исчисляемых веками и тысячелетиями. Проявление процессов современной эволюции почв этой территории практически не изучены.

Существенное влияние на трансформацию почв оказало антропогенное воздействие. Для аридных регионов страны с природными условиями, признанными в мировой практике нелесопригодными, на Джаныбекском стационаре Института лесоведения РАН в середине прошлого века был разработан и осуществлен в натуре особый вариант природопользования на богаре. Он обеспечивает мелиорацию почв, повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий, сохранение биоразнообразия, оптимизацию ландшафта с использованием жизнестойких лесных насаждений разного строения и назначения и, как следствие, улучшает условия жизни людей (Биогеоценотические основы..., 1974; Большаков и др., 1983; Рекомендации., 1988; Повышение продуктивности., 1989). Этот вариант включает в себя, в частности, оригинальную эффективную систему агролесомелиоративных (АЛМ) мероприятий, способствующую достаточно быстрому рассолению и рассолонцеванию солонцов. Анализ данных по динамике и функционированию почв в АЛМ системах дает возможность оценить их изменение при антропогенном воздействии на фоне эволюции почв целинных участков. Последнее обобщение было выполнено в начале 70-х годов ХХ века (Биогеоценотические основы., 1974). В дальнейшем за прошедшие десятилетия в природных условиях, в том числе, в почвах и в состоянии АЛМ систем произошли существенные изменения, которые требуют анализа, осмысления и оценки.

Состояние вопроса. В работах А.А. Роде, А.Ф. Большакова, М.Н. Польского и других исследователей дана характеристика природных условий, почв и почвенного покрова на период организации Джаныбекского стационара. В более поздних публикациях Г.П. Максимюк, И.Н. Оловянниковой, Г.С. Базы- киной, Т. А. Соколовой и других авторов были представлены результаты изучения водного и солевого режимов почв и дана оценка изменения их физико- химических характеристик в результате АЛМ воздействий. Были показаны особенности профильного распределения и содержания легкорастворимых солей (Роде, Польский, 1961), их изменения при мелиорации (Максимюк, 1961, 1974); количественно охарактеризованы особенности рассоления солонцов на участках с различной длительностью мелиорации, выявлено образование элювиально-солевого и иллювиально-солевого горизонтов, описан характер перераспределения и миграции солей во всей почвенно-грунтовой толще (Максимюк, 1989); изучено мелиоративное влияние системы лесных полос на разных этапах ее функционирования (Базыкина, Оловянникова, 1996), дана экологическая оценка антропогенно-измененных почв (Базыкина, 2000, 2005).

Исследовали также изменения при мелиорации аккумуляций карбонатов (Романенкова, 1990), состава почвенного поглощающего комплекса (Романен- ков, 1990) как при богарном освоении почв, так и при орошении (Толпешта, 1993). Работы последних лет связаны с изучением влияния подъема уровня грунтовых вод на различные процессы почвообразования. В частности, показано изменение солевого состояния солонцов (Топунова, 2003), лугово- каштановых почв (Бычков, 2007), в том числе, в модельном эксперименте (Володина, 2005); почвенного поглощающего комплекса (Колесников, 2004); направленности водно-солевого процесса (Сотнева, 2004; Голованов, Сотнева, 2009) и некоторых других эволюционных аспектов (Базыкина, 2005; Хитров, 2005).

Однако, несмотря на относительную изученность механизмов многих почвообразовательных процессов, не существует общей концепции современной эволюции почв Северного Прикаспия, которая не только охватывала бы длительный временной ряд исследования почвенной составляющей при естественном развитии ландшафта и при различных антропогенных воздействиях в аридных регионах, но и характеризовала бы тренд, динамику и скорость почвообразования.

Основная цель работы - исследование направления и скорости процессов современного этапа эволюции и динамики почв под влиянием природных и антропогенных факторов в естественных полупустынных и искусственных лесных экосистемах Северного Прикаспия. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Дать анализ динамики уровня и минерализации грунтовых вод и охарактеризовать современную почвенно-гидрологическую обстановку, определяющую направленность процессов эволюции почв.

2. Исследовать основные процессы почвообразования в условиях целинных ландшафтов.

3. Изучить современное состояние почв в системе агролесомелиорации и выявить тенденции их антропогенной трансформации.

4. Оценить эффективность агролесомелиоративных мероприятий в связи с изменениями природной обстановки и длительной (40-60 лет) мелиорацией.

5. Изучить результаты воздействия искусственных лесных насаждений на свойства почв.

Научная новизна работы заключается во всесторонней характеристике направления современного почвообразования и впервые выделенного особого этапа эволюции почв глинистой полупустыни Северного Прикаспия, происходящего под воздействием природных и антропогенных факторов, среди которых наиболее важная роль отводится подъему уровня грунтовых вод и влиянию искусственных лесных экосистем. Обобщены результаты длительных экспериментальных почвенных исследований в условиях целинных и антропогенных ландшафтов.

Выявлены и охарактеризованы ведущие почвообразовательные процессы, формирующие современный облик почв. В условиях целинных ландшафтов такими процессами, прежде всего, являются: засоление почвенно-грунтовой толщи за счет подъема уровня грунтовых вод, охватывающее все компоненты почвенного покрова, возрастание доли хлора и щелочноземельных катионов в составе легкорастворимых солей, а также увеличение доли обменного Na⁺ в составе ППК. В условиях АЛМ систем ведущими процессами трансформации почв являются рассоление-засоление, выщелачивание гипса, окарбоначивание, замещение натрия кальцием в составе ППК. Именно эти процессы определяют формирование солевого состояния почв полупустыни Северного Прикаспия, которое отнесено к наиболее важной интегральной характеристике, отражающей и результирующей проявление тех динамических процессов, которые происходили как в прежние эпохи эволюции почв, так и наблюдаемые на ее современном этапе. На макро-, мезо-, микроуровнях изучены особенности строения новообразований легкорастворимых солей, карбонатов и гипса. Во временном ряду дана оценка скорости изменения показателей солевого состояния почв в АЛМ системах, разработана диагностика их постмелиоративного состояния. Выявлено формирование антропогенных почв, не имеющих аналогов в природе, и определено их классификационное положение. Дано обоснование выделения особого антропогенного этапа развития почв, который по скорости, интенсивности протекания процессов, результатам несопоставим с предыдущими периодами эволюции. Проведена сравнительная оценка различных видов использования почв. Показано, что по сравнению с другими приемами освоения территории, например, орошением, агролесомелиорация характеризуется более щадящими экологическими последствиями воздействия на природные ландшафты полупустыни.

На защиту выносятся следующие положения:

5. 1. Современный этап эволюции почв глинистой полупустыни Северного Прикаспия определяется увеличением общей увлажненности территории в конце ХХ века и возрастанием влияния подъема грунтовых вод на процессы почвообразования. Основной тренд этого этапа проявляется в интенсификации процессов миграции солей в почвенно-грунтовой толще.

   2. Создание функционально необходимых и социально значимых искусственных лесных насаждений в условиях полупустыни оказывает существенное влияние на природные ландшафты и становится важным фактором антропогенной трансформации почв, предопределяющим направление и скорость ведущих почвообразовательных процессов.

   3. Агролесомелиоративное воздействие приводит к созданию антропогенных почв с новой системой генетически взаимосвязанных горизонтов. Предложено называть эти мелиорируемые почвы элювиально-солевыми агро- земами.

   4. Постмелиоративное состояние солонцов характеризуется замедлением скорости их трансформации при продолжающемся мелиоративном воздействии. Разработаны качественные и количественные показатели постмелиоративного состояния солонцов, отражающие диагностические, динамические, генетические, классификационные, экологические признаки его проявления.

   Практическая значимость. Охарактеризованы результаты и дана экологическая оценка различных видов использования земель: при АЛМ воздействии, орошении, в состоянии залежи, при выращивании массивных лесных насаждений, - что должно быть учтено при проведении мелиоративных и сельскохозяйственных мероприятий на почвах солонцового комплекса в современных условиях. Выявлен и описан этап постмелиорации солонцов, дана его характеристика, разработаны диагностические показатели и предложены критерии его выделения. Изученные закономерности важны для прогноза и предотвращения нежелательных последствий различных видов антропогенного воздействия, а также для оптимизации природопользования в регионе.

   Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы были представлены на научных совещания и конференциях отечественного и международного уровня: «Влияние гидрологического режима на структуру и функционирование биогеоценозов» (Сыктывкар, 1987); 10^th International Soil Zoology Colloquium (Bangalore, India, 1988); VIII Всесоюзный Съезд почвоведов (Новосибирск, 1989); «Почвенные ресурсы Прикаспийского региона и их рациональное использование в современных социально-экономических условиях» (Астрахань, 1994); «Биологическое разнообразие лесных экосистем» (Москва, 1995); 10^th International Working Meeting Soil micromorphology (Москва, 1996); «Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения» (Москва, 1998); «Экологический мониторинг лесных экосистем» (Петрозаводск, 1999); «Combating desertification with plants» (Beer Sheva, Israel, 1999); «Проблемы природопользования и сохранения биоразнообразия в условиях опустынивания» (Волгоград, 2000); Х1Х Чтения памяти В.Н.Сукачева «Экологические процессы в аридных биогеоценозах» (Москва, 2001); «Лесные стационарные исследования: методы, результаты, перспективы» (Москва, 2001); «Функции почв в биосферно-геосферных системах» (Москва, 2001); 12^th International Soil Conservation Organization Conference (Beijing, China, 2002); «Степи Северной Евразии. Эталонные степные ландшафты: проблемы охраны, экологической реставрации и использования» (Оренбург, 2003); «Защитные лесные насаждения и сельскохозяйственное производство. Проблемы опустынивания» (Барнаул, 2003); «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2004); «Природное наследие России: изучение, мониторинг, охрана» (Тольятти, 2004); 2^nd International Seabuckthorn Association Conference (Beijing, China, 2005); «Биосферные функции почвенного покрова» (Пущино, 2005); «Биоресурсы и биоразнообразие экосистем Поволжья» (Саратов, 2005); «Актуальные вопросы лесного хозяйства и озеленения в Казахстане» (Щучинск, Республика Казахстан, 2005); 2^nd International Symposium on Soil Erosion and Dryland Farming (Yangling, China, 2006); International Conference on Water, Ecosystems and Sustainable Development in Arid and Semi-arid Zones (Urumqi, China, 2006; Tehran- Yazd, Iran, 2009); «Актуальные проблемы рекреационного лесопользования» (Москва, 2007); «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007, 2009); «Организация почвенных систем. Методология и история почвоведения» (Пущино, 2007); 6^th European Conference on Ecological Modeling ECEM07 (Trieste, Italy, 2007); «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря и водоемов внутреннего стока Евразии» (Астрахань, 2008); «Ecology@Safety» (Bourgas, Bulgaria, 2008, 2009, 2010); «Land Degradation in Dry Environments» (El-Kuwait, Kuwait, 2009); International Conference of ESSC on Protection of the Ecological and Productivity Functions of Soil in a PAN European Context (Pruhonice, Czech Republic, 2009). Один из разделов работы «Экологические аспекты агролесомелиоративного освоения глинистой полупустыни Северного Прикаспия» экспонировался в 1988 г. на ВДНХ СССР на выставке «Экология - охране природы» и награжден серебряной медалью.

   Личный вклад автора заключается в постановке проблемы, разработке программы и методики исследований, критическом анализе и обобщении литературного материала, подборе объектов исследования, сборе, обработке и анализе экспериментального материала, формулировании научных положений и выводов. Соавторство всех участников работы, все случаи использования данных других авторов и совместных исследований оговорены в соответствующих разделах работы.

   Сведения об использовании полученных результатов. Материалы работы включены в «Рекомендации по защитному лесоразведению и лесной мелиорации в глинистой полупустыне Северного Прикаспия», М.: Госкомиздат СССР по лесному хозяйству, 1988. 68 с. Получен патент на изобретение «Способ лесомелиоративной рекультивации земель» № 2406285.

   Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 102 работах, в том числе - в 35 статьях в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций, и в одной коллективной монографии издательства «Наука».

   Организация исследований. Исследования проведены в Учреждении Российской академии наук Институте лесоведения РАН (ИЛАН) в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ 1981-2010 гг. лаборатории аридного лесоразведения и лесной зоологии, которой автор руководит с 1998 г., а также при непосредственном руководстве грантами Российского Фонда фундаментальных исследований (Проекты № 00-04-48637, 03-04-48076, 06-04-48076, 09-04-00030, совместного проекта РФФИ и ГФЕН Китая № 07-0492102), Федеральной целевой программы «Интеграция» (Проект М0063), Программ ОБН РАН «Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами» и «Биологические ресурсы России».

   Основной материал был собран на Джаныбекском стационаре ИЛАН, который расположен в глинистой полупустыне Прикаспийской низменности в междуречье Волги и Урала. Стационар был создан в 1950 г. и, являясь крупномасштабным экспериментом по полупустынному защитному лесоразведению, представляет собой натурную модель лесоаграрного комплекса. Территория стационара признана уникальным рукотворным оазисом, которому Правительством Российской Федерации присвоен статус Памятника природы федерального значения (Постановление № 719 от 16 июня 1997 г.). Стационарные исследования были дополнены маршрутными экспедициями по Северному При- каспию.

   Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы, включающего 469 названий, из которых 44 - на иностранных языках. Работа изложена на 355 стр. машинописного текста, содержит 61 таблицу и 56 рисунков.

   Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему учителю - профессору Т. А. Соколовой; всем сотрудникам Джаныбекского стационара и других учреждений, с которыми автору посчастливилось работать на стационаре: Б.Д. Абатурову, Г.С. Базыкиной, А.В. Быкову, С.Э. Вомперскому, Т.С. Всеволодовой-Перель, Л.А. Князевой, А.В. Колесникову, И.В. Копыл, Н.Ю. Кулаковой, М.П. Лебедевой (Вербе), Г.В. Линдеману, Г.П. Максимюк, И.Н. Оловянниковой, В.А. Романенкову, М.К. Сапанову, Н.Г. Сенкевич, И.И. Толпешта; бывшим студентам и аспирантам: С.Г. Борзенко, Н.Н. Бычкову, И.В. Володиной, Н.И. Сотневой, И.В. Топуновой.

   Похожие диссертации на Современный этап эволюции и трансформация почв полупустыни Северного Прикаспия при лесомелиоративном воздействии

   

   Имитационное моделирование воздействий на импактную экосистему на всех этапах жизненного цикла ТЭСШагов Константин Евгеньевич

   

   Трансформация почв большеземельской тундры под влиянием техногенных воздействийДенева Светлана Валентиновна

   

   Трансформация почвы и травяного покрова под влиянием пластовых минерализованных вод при нефтедобыче в условиях УдмуртииКозловская Наталья Викторовна

   

   Содержание органического вещества и некоторые аспекты его трансформации в почвах агроландшафтаМельник Ольга Александровна

   Запас и трансформация органического вещества почвы под лесными культурамиМухортова Людмила Владимировна

   

   Трансформация углеводородов нефти в почвах гумидной зоныИларионов Сергей Александрович

   

   Лесообразующие виды и микробная трансформация парниковых газов в почвеМеняйло Олег Владимирович

   

   Агроэкологическая оценка применения удобрений, содержания и трансформации тяжелых металлов в почве и растениях различных таксонов агроландшафта Ставропольской возвышенностиПодколзин Олег Анатольевич

   Трансформация углеводородного загрязнения в почве под действием биодеструкторовМатвеева Ольга Николаевна

   

   Миграция и трансформация тяжёлых металлов из гальваношламов в почвахШиркин Леонид Алексеевич