Содержание к диссертации
Введение
1 Современные представления о долинах рек и о почвообразовании в степной зоне (обзор литературного материала) 8
2. Условия, объекты и методы исследования 44
3. Особенности почвы в зависимости от флористического и биоэкоморфного состава в различных растительных сообществах на арене реки Самары 59
4. Характеристика почвы растительных сообществ в пойме реки Самары 139
5. Влияние различных растительных сообществ на физико-химические свойства почв в красносамарском лесном массиве 211
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 226
ВЫВОДЫ 232
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 234
ПРИЛОЖЕНИЯ 271
- Современные представления о долинах рек и о почвообразовании в степной зоне (обзор литературного материала)
- Условия, объекты и методы исследования
- Особенности почвы в зависимости от флористического и биоэкоморфного состава в различных растительных сообществах на арене реки Самары
Введение к работе
Актуальность темы.
Общеизвестно, что тип почвы зависит от зонального климата и растительности. Так, подзолы связаны с зоной хвойных лесов, чернозёмы -со Степями, серозёмы - с зоной пустынь. В то же время, практически не исследовано влияние флористического и биоэкоморфного состава конкретных фитоценозов на физико-химические свойства почвы. Это и определяет актуальность темы данной работы.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями.
Представленная диссертация связана с планом основных научно-исследовательских работ Самарского госуниверситета по теме «Биомониторинг природных экосистем в условиях лесостепной и степной-зон» по приоритетному направлению фундаментальных исследований в области биологических наук «Биология популяций, биоценозы, биоразнообразие», включённой в тематический план Федерального агентства по образованию Российской Федерации.
Цель и задачи исследований. Целью данной работы является выяснение особенностей влияния флористического и биоэкоморфного состава конкретных растительных сообществ степного Заволжья на основные физико-химические свойства почв (на примере Красносамарского лесного массива).
При этом решались следующие задачи:
Исследовать физико-химические свойства почвообразующих (материнских) пород на террасах в долине р. Самары (Волжской).
Изучить флористический и биоэкоморфный состав типичных для степного Заволжья растительных сообществ и их влияние на почву.
Выявить особенности формирования перегнойно-аккумулятивного горизонта в различных фитоценозах.
Выяснить трансформирующее воздействие на исходные материнские породы конкретных по флористическому и биоэкоморфному составу фитоценозов.
Осуществить фитоиндикационную оценку трофотопа и гигротопа в типичных для долины р. Самары растительных сообществах.
Научная новизна работы.
Автором впервые на примере типичных для степного Заволжья сообществ изучено влияние их флористического и биоэкоморфного состава на основные физико-химические свойства почв, формирующихся на различных исходных почвообразующих (материнских) породах. Исследованы физико-химические свойства материнских пород в краткозаливаемой пойме и на надпойменной песчаной террасе (арене) р. Самары. Впервые изучено влияние флористического и биоэкоморфного состава луговых, остепнённо-луговых, лугово-степных и лесных фитоценозов на формирование гумуса, на трансформацию исходных материнских пород, на распределение биофильных химических элементов по генетическим горизонтам почвы. Выявлено влияние конкретных по составу древостоя лесных сообществ на физико-химические свойства почв. Осуществлена фитоиндикационная оценка содержания доступных для растений питательных элементов и влаги в различных почвах в условиях долины р. Самары.
Теоретическая значимость работы.
Материалы, изложенные в диссертации, могут быть использованы для развития теоретических основ экологии почв и экологии растительных сообществ применительно к условиям степной зоны.
Практическое значение работы.
Материалы диссертации, сформулированные в ней научные положения и выводы могут найти применение в работе природоохранных и лесохозяйственных организаций при оценке состояния растительных
сообществ, а также для организации многолетнего биомониторнига. Они могут также служить методологической основой при изучении растительных сообществ и почв другими научно-исследовательскими организациями и вузами.
Реализация результатов исследований.
Результаты проведённых исследований по диссертации используются в учебном процессе в Самарском государственном университете по специализации «Экология и охрана природы», на кафедре ботаники в Самарском государственном педагогическом университете, на кафедре экологии и охраны окружающей среды Самарского муниципального университета Наяновой. Они внедрены в Кинельском мехлесхозе Самарской области, а также в Жигулёвском государственном природном заповеднике имени И.И. Спрыгина.
Апробация работы.
Основные результаты и научные положения диссертации были представлены на международных конференциях «Татищевские чтения: Актуальные вопросы науки и практики» (Тольятти, 2004, 2006); «Биология-наука XXI века» (Пущино, 2005, 2006); «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2005, 2006); «Вопросы общей ботаники» (Казань, 2006), на ежегодных научных конференциях Самарского государственного университета (Самара, 2003-2006).
Публикация результатов исследований.
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна - в издании, включённом в список ВАК РФ.
Декларация личного участия автора.
Автором в период 2002...2006 гг лично осуществлены все полевые исследования, обследование растительных сообществ, закладка почвенных разрезов, отбор образцов для лабораторных анализов. Подготовка почвенных образцов, их физико-химический анализ, биоэкоморфный анализ
фитоценозов, обработка цифровых данных, написание текста диссертации осуществлены автором самостоятельно. В диссертации использованы работы, опубликованные в соавторстве. Доля личного участия автора в написании и подготовке этих публикаций составляет 50...80%. Основные положения, выносимые на защиту.
1. В условиях Красносамарского лесного массива (подзона
разнотравно-типчаково-ковыльных степей обыкновенного чернозёма)
материнскими почвообразующими породами выступают: на арене р. Самары
- пески, реже - супеси, а в краткозаливаемой пойме - аллювиальные пески,
супеси, лёгкие, средние и тяжёлые суглинки. Они насыщены основаниями на
85,3...99,9%, содержат фосфор (40...400 мг/кг), калий (20...140 мг/кг),
кальций (1,3...8,9 мг-экв/100г), магний (0,6...8,1 мг-экв/100г), натрий
(0,16...22,7 мг-экв/100г), обменный водород (0,05...3,19 мг-экв/100г).
Максимальная биогенная трансформация свойственна для перегнойно-аккумулятивного горизонта почвы, мощность которого колеблется на арене р. Самары от 7 до 38 см с содержанием гумуса 1,62...7,6%, а в пойме от 24 до 59 см с гумусированностью 3,85...7,62%. В составе гумуса остепнённо-луговых, лугово-степных и луговых фитоценозов превалируют гуминовые кислоты, а в почвах лесных сообществ -фульвокислоты, обеспечивающие образование и накопление глинистых частиц и перераспределение минеральных элементов по генетическим горизонтам. Содержание азота, фосфора, калия, кальция, магния, натрия, сумма поглощённых оснований, степень насыщенность почвенного поглощающего комплекса в перегноино-аккумулятивном и других генетических горизонтах почвы специфичны в каждом конкретном фитоценозе.
На примере луга и остепнённого луга, естественных дубняков с участием липы сердцевидной или берёзы повислой, а также разновозрастных искусственных лесонасаждений из сосны обыкновенной доказано, что
одинаковые исходные материнские породы претерпевают в процессе почвообразования существенные изменения под влиянием формирующихся на них растительных сообществ. Возникающие при этом различия в физико-химических свойствах почв зависят от флористического и биоэкоморфного состава конкретных фитоценозов.
Объём и структура диссертации.
Текст диссертации изложен 275 на страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка использованных источников и литературы на 37 страницах (331 источник, из них 20 на иностранных языках), 2 приложений. Работа иллюстрирована 129 таблицами (50 страниц) и 4 рисунками.
Современные представления о долинах рек и о почвообразовании в степной зоне (обзор литературного материала)
В своих работах В. В. Докучаев (1949, 1954), рассматривая географическое распространение типов почв, впервые отмечает, что эти типы ясно приурочены «к известным а) климатическим, б) растительным и в) грунтовым (материнские породы) полосам нашего отечества».
Согласно Г.В. Добровольскому (1968, 1998, 2001) в эволюции почв речных долин следует различать две стадии. На стадии морфологической молодости речной поток врезается в горные породы, образуя каньон (ущелье) в твердых породах или речную долину с крутыми склонами и V-образным поперечным профилем при наличии рыхлых отложений. Все дно такой долины практически занято руслом.
В стадии морфологической зрелости происходит расширение долины и образование поймы. Далее начинается «старение» речной долины, выражающееся в перегрузке русла наносами, обмелении и блуждании русла по пойме. Если водосборная площадь реки окажется вовлеченной в тектоническое поднятие или базис эрозии будет понижен в результате тектонического прогибания, то начнется омоложение реки, водный поток вновь станет энергично врезаться в поверхность поймы, а затем подмыв берегов и извилины реки будут вырабатывать новую пойму за счет разрушения старой, от которой останется уступ, называемый надпойменной террасой (Добровольский, 1968, 2001). Если территория испытывала несколько поднятий, то река столько же раз повторит цикл развития долины, а свидетелями этих циклов будут надпойменные террасы, самая молодая из которых нижняя, а наиболее древняя - самая верхняя (Добровольский, 2001).
Пойма реки является наиболее молодой частью речной долины, нижней ступенью в системе террас, слагающих долину. Поймы, в зависимости от характера излучин и меандр, образуемых руслом реки, примыкают либо к коренному берегу или древним высоким террасам, либо к первой надпойменной террасе (Монин, 1957; Ковда, 1973а).
Распределение аллювия в поймах происходит неравномерно, в соответствии со скоростью и направлением движения полых вод. По В.Р. Вильямсу (1949а) в пойме можно выделить три части (Рис. 1.1), отличающиеся по рельефу, механическому составу аллювия и типу почв: прирусловую, центральную и притеррасную.
Прирусловая часть поймы всегда более повышена по сравнению с остальными. В русле и крупных протоках перемещаются наиболее крупные частицы - щебень, галька, гравий и песок, которые имеют тенденцию оседать в виде прирусловых грив и валов. У крупных рек зона прирусловых песчаных отложений может достигать 15...20 км, у малых рек - 200...300 м (Монин, 1957; Ковда, 1973а).
На участке контакта поймы с более высокими террасами образуются вытянутые депрессии - так называемые притеррасовые понижения или староречья. Течение воды во время половодья здесь наиболее замедленное и тут оседают только наиболее тонкие взвешенные частицы. Староречье может быть занято мелкими озёрами, отложениями торфа или же солончаковыми почвами в зависимости от физико-географических условий. Заболоченность обусловлена несколькими причинами, главной из которых является высачивание грунтовых вод из пород, слагающих террасы или коренные берега. Кроме того, сюда стекают со склонов дождевые и талые воды. В условиях сухого климата в притеррасовых суглинистых и глинистых наносах аккумулируются легкорастворимые соли, карбонаты и гипс (Монин, 1957; Возбуцкая, 1964; Ковда, 1973а; Чернов, 1983). В общем случае притеррасная пойма делится на две резко отличные области. Высшую по течению реки часть занимают скопления бугристых песков поймы, которые изолируют поверхность почвы от влияния грунтовых вод, а нижняя по течению часть бывает занята отложениями торфа и топью или же солончаковыми почвами, в зависимости от физико-географических условий
Условия, объекты и методы исследования
Наши исследования осуществлялись в Красносамарском лесничестве Кинельского лесхоза Самарской области (в дальнейшем - Красносамарский лесной массив), на территории которого уже более 30 лет функционирует биомонторинговый стационар Самарского государственного университета. Работа осуществлялась в составе комплексной биогеоценотической экспедиции Самарского государственного университета в период с 2002 по 2006 год.
Красносамарский лесной массив представляет собой единственный относительно крупный (13,5 тысяч га) лесной массив в условиях зоны настоящих (типичных) степей не только на территории Самарской области, но и в пределах степного юго-востока европейской России в целом (Матвеев и др., 1976; Леса России: Карта ..., 2004). Он расположен в 40 км к юго-востоку от г. Кинеля у с. Малая Малышевка в долине среднего течения р. Самары (Волжской) в подзоне разнотравно-типчаково-ковыльных степей обыкновенного чернозёма (Матвеев и др., 1976; Матвеев, 2003; 2004). Граница между настоящими Степями и подзоной луговых степей и остепнённых лугов (Лесостепью), как показали исследования Н.М. Матвеева на основе всестороннего анализа материалов Л.С. Берга, Е.М. Лавренко, И.С. Сидорука, В.Е. Тимофеева, И.И. Спрыгина, В.Н. Высоцкого, С.С. Савиной, А.А. Сенкевича и др., проходит в Заволжье по линии «нижнее течение р. Самары - река Большой Кинель - река Малый Кинель» (Матвеев и др., 1976; Матвеев и др., 1990). Красносамарский лесной массив связан узкой полосой леса по долине р. Самары с массивом знаменитого в научных кругах «Бузулукского бора» (более 120 тыс. га), который расположен в подзоне луговых степей и остепнённых лугов (Лесостепи) (Берг, 1952; Растительность европейской ..., 1980). Других лесных массивов в степной зоне Заволжья в европейской России нет (Леса России: Карта ..., 2004). В связи с этим естественные экосистемы Красносамарского лесного массива (степные, луговые, солонцовые, кустарниковые, лесные, низинно-болотные, озёрные) отражают всё биоразнообразие природы степной зоны крайнего юго-востока европейской России (Матвеев, 2003; 2004).
Климат степного Заволжья формируется под влиянием континентального воздуха умеренных широт с характерными вторжениями арктических и тропических масс (Агроклиматические ..., 1968; Природа..., 1990). Он характеризуется резкими температурными контрастами, быстрым переходом от холодной зимы к жаркому лету, дефицитом влаги, сухостью воздуха, интенсивным испарением влаги и сравнительно большим числом ясных и малооблачных дней (Агроклиматические ..., 1968; Матвеев и др., 1976; Природа..., 1990).
Средняя годовая температура воздуха в Красносамарском лесном массиве составляет +3,8С, средняя температура января -13,8С, июля -+20,9С. С апреля по октябрь среднемесячная температура принимает положительные значения, с ноября по март - отрицательные (Агроклиматические ..., 1968). Период со среднесуточными температурами ниже 0С длится в Красносамарском лесном массиве около 5 месяцев. Снежный покров сохраняется 139 дней при средней мощности 30 см, средняя глубина промерзания почвы колеблется от 34 см в ноябре до 100 см в марте, период с температурой выше +10С, благоприятный для вегетации растений, продолжается 149 дней при сумме эффективных температур 2590С, число дней безморозного периода - 135 (Агроклиматические ..., 1968; Природа..., 1990). В зимний период в отдельные годы температура воздуха может опускаться до -40С, почва промерзает до глубины 189 см, а летом возможна жара до +40С (Природа..., 1990). Жаркий период с температурой воздуха выше +30С продолжается до 26 дней (Природа..., 1990). Он приходится на июль-август, сопровождается сильной засухой. Среднегодовая относительная влажность воздуха в Красносамарском лесном массиве составляет 61%, при этом с октября по март отмечается относительно высокая влажность воздуха (63...80%) с максимумом в декабре (81%) (Агроклиматические ..., 1968). В период с апреля по сентябрь средняя относительная влажность воздуха составляет 41...58%, наименьшие её показатели приходятся на май-июнь (41%) (Агроклиматические ..., 1968; Природа..., 1990). Сухость воздуха сопровождает атмосферную засуху, которая усугубляется ветрами - суховеями, повторяющимися на протяжении 23...25 дней в среднем за вегетационный период (Природа..., 1990).
По величине гидротермического коэффициента Красносамарский лесной массив находится в районе пониженного увлажнения с преобладанием расходной части баланса влаги над ее поступлением в виде осадков (Матвеев и др., 1976; Терентьев, 1983 ). По данным метеостанций "Тимашево", "Кротовка" и "Утёвка", ближайших к Красносамарскому лесному массиву, его территория характеризуется величиной гидротермического коэффициента от 0,7 до 0,8, однако в отдельные годы она варьирует от 0,2 до 1,4 (Агроклиматические ..., 1968; Природа..., 1990). Изолиния градаций дефицита испарения в 100 мм проходит в Самарской области несколько севернее г. Самары и значительно севернее р. Самары, примерно по р. Большой и Малый Кинель (Агроклиматические..., 1968), совпадая в основном с границей между Лесостепью и Степью (Матвеев и др., 1976,1990).
Особенности почвы в зависимости от флористического и биоэкоморфного состава в различных растительных сообществах на арене реки Самары
Известно, что первостепенную роль в превращении минеральной (материнской) породы в почву выполняют растения, так как они, поселяясь первыми и извлекая из кристаллических решёток минералов нужные им макро- и микроэлементы, вовлекают их в биотический круговорот, накапливая в первичной продукции (органической фитомассе), которая в живом состоянии привлекает и обеспечивает существование животных-фитофагов, а затем - и зоофагов, а после отмирания служит пищей для сапротрофов, в первую очередь, - почвенных грибов и бактерий, осуществляющих гумификацию и минерализацию органических остатков (Вильяме, 1949; Возбуцкая, 1964; Одум, 1975). Поэтому свойства почвы, прежде всего, определяются составом и средопреобразующим воздействием видовых ценопопуляций растений, из которых слагается соответствующий фитоценоз. Трансформация исходной материнской породы начинается с её поверхности, где сосредоточена живая надземная и подземная фитомасса, сопутствующая ей зоомасса, а также - мортмасса (отмершие части и трупы растений и животных) в сочетании с мико- и бактериомассой организмов -гумификаторов и минерализаторов, и постепенно распространяется в глубину, захватывая всё новые слои материнской породы, чему способствуют нисходящие токи гравитационной воды, переносящие в растворённом или коллоидном состоянии органические и свободные минеральные вещества (Роде, Смирнов, 1972), а также почвенная микро-, мезо- и макрофауна (Пахомов, 1998). В итоге возникает соответствующий почвенный профиль, в котором самый верхний (перегнойно-аккумулятивный) горизонт трансформирован в максимальной степени, а исходная материнская порода сохраняется внизу, под собственно почвой. Почвообразование - непрерывный, вековой процесс трансформации материнской породы, идущий параллельно и под влиянием сукцессионных смен биогеоценоза, основу которого образует соответствующий фитоценоз. Поэтому крайне важно исследовать формы и направленность взаимодействия между почвой и тем или иным свойственным для неё фитоценозом (Сукачёв, 1964; Бельгард, 1971; Номоконов, 1989; Голубець, 2000). При этом исключительно удобны для изучения простые по своей структуре сообщества и почвы, формирующиеся на песках. Они широко распространены в Красносамарском лесном массиве на надпойменной песчаной террасе (арене).
В условиях арены нами были выделены наиболее распространённые (типичные) травянистые и лесные сообщества, в которых с использованием соответствующих методов (раздел 2) осуществлено геоботаническое (фитоценологическое) обследование, заложен и описан почвенный разрез с отбором и последующим физико-химическим анализом образцов почвы.
Примером остепнённых лугов, развивающихся на безлесных обширных равнинных участках арены, может служить пробная площадь 0561. Основу травостоя (табл. 3.1) в исследованном сообществе составляют: Phleum phleoides (L.) Karst, Euphorbia virgata Waldst. et Kit., Achillea millefolium L., Salvia tesquicola Klok. et Pobed, Phlomoides tuberosa (L.) Moench, Melandrium album (Mill.) Garcke, Galium verum L. (суммарное покрытие - до 80%). Эти виды вносят существенный вклад в образование фитомассы как корма для фитофагов, так и материала в форме ежегодного опада, гумификация и минерализация которого во многом определяют протекание почвообразовательного процесса. Превалируют гемикриптофиты (96,0 % от общего проективного покрытия), у которых зимующие почки расположены на поверхности почвы и прикрыты опадом и снегом, что отражает достаточно высокую устойчивость данного сообщества к перенесению неблагоприятных условий зимнего периода. Расположение почек возобновления на уровне почвы объясняет отмирание и последующее разложение надземного побега, что обеспечивает непрерывный ежегодный привнос в верхние слои почвы углерода, азота и элементов минерального питания (Возбуцкая, 1964).
Похожие диссертации на Влияние флористического и биоэкоморфного состава растительных сообществ степного Заволжья на физико-химические свойства почв
