Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Развитие современного гидроморфизма на плакорах в степной зоне
1.1. Понятие гидроморфизма в ландшафтоведении и почвоведении: гидроморфные природные комплексы, почвы 11
1.2 Развитие современного гидроморфизма на юге России 19
1.3 Причины и особенности проявления современного гидроморфизма в условиях богарных агроландшафтов на плакорах 23
Глава 2. Район работ, материалы и методы исследований
2.1 Физико-географическая характеристика района работ и развитие современного гидроморфизма на его территории 41
2.2 Объекты и методы исследований 57
2.2.1 Методы исследований 57
2.2.2 Краткая характеристика участков экспериментальных исследваний 62
Глава 3. Компонентный состав, пространственная структура и типология природно - территориальных комплексов современного гидроморфизма
3.1 Типология НТК современного гидроморфизма 73
3.2 Комплексная характеристика типов НТК современного гидроморфизма 80
Глава 4 Ботаническое разнообразие природно-территориальных комплексов современного гидроморфизма
4.1 Значение фиторазнообразия для геоэкологической характеристики ПТК современного гидроморфизма 103
4.2 Флористическое и фитоценотическое разнообразие Персиановского степного заповедного участка 107
4.3 Флористическое разнообразие ПТК современного гидроморфизма и его сопоставление с флористическим разнообразием основных степных плакорных биотопов 112
4.4 Фитоценотическое разнообразие ПТК современного гидроморфизма 120
Глава 5. Межкомпонентные связи и изменение структуры природно-территориальных комплексов современного гидроморфизма во времени 147
5.1 Связи растительности ПТК современного гидроморфизма с засолением почв 147
5.2 Связи растительности ПТК современного гидроморфизма с переувлажнением почв 158
Пространственная структура и динамика растительности ПТК современного гидроморфизма 172
Рекомендации по хозяйственному использованию растительности и мониторинг современного гидроморфизма 184
Анализ имеющегося опыта решения проблемы переувлаж-нения 184
Предложения по использованию растительности на участках локального переувлажнения 188
Организационная структура мониторинга современного переувлажнения и использование растительных индикаторов 189
Выводы 196
Литература 199
Приложение 220
- Понятие гидроморфизма в ландшафтоведении и почвоведении: гидроморфные природные комплексы, почвы
- Физико-географическая характеристика района работ и развитие современного гидроморфизма на его территории
- Типология НТК современного гидроморфизма
- Значение фиторазнообразия для геоэкологической характеристики ПТК современного гидроморфизма
Введение к работе
Актуальность исследования. Степи России - яркий пример
трансформации природных комплексов целой природной зоны в природно-
антропогенные. Сформировавшийся на их месте за 200- летний период
полевой биом характеризуется высокой степенью распашки - до 75-90%
площади отдельных регионов. Глубокие изменения претерпели
растительность, животный мир, почвы. Природная биота сохраняется только
на 0,4 % площади охраняемых территорий (Тишков, 1996) и на неудобях. Это
привело к существенному обеднению степного биоразнообразия на всех его
уровнях. Значительные изменения произошли и в водном режиме этих
территорий как из- за изменения природопользования, так и в связи с
современными климатическими флуктуациями (Антропогенное
воздействие..., 2003). В итоге степные пространства превратились в экологически дестабилизированную среду с характерными для нее свойствами (Залетаев, 1989) - повышенной реактивностью на внешние воздействия и проявлением короткоживущих и микроочаговых процессов, свидетельствующих о неустойчивости и скрытых тенденциях развития.
В условиях экологической дестабилизации среды в лесостепных и степных районах на водораздельных территориях (плакорах и их склонах), занятых агроландшафтами, получило развитие явление локального переувлажнения. На переувлажненных землях формируются природно-территориальные комплексы (ПТК) современного гидроморфизма. Переувлажнение и часто сопутствующее ему засоление почв становится причиной деградации высокопродуктивных черноземных почв и вывода земель из сельскохозяйственного оборота, снижает эффективность хозяйственной деятельности человека. Устойчивая тенденция роста площадей ПТК, обусловленных переувлажнением в отдельные периоды может создать ситуацию экологической напряженности (Зайдельман и др., 1998).
Просмотр и анализ опубликованной научной литературы по этой проблеме (Сувак, 1975а, б, 1977, 1980; Полупан,1983; Яровенко, 1989; Хитров и др., 2000; Назаренко, 2002 и др.) обращает внимание на то, что основной упор в исследованиях был сделан на изучение изменений в почвенном покрове. Одновременно рассматривались литологические комплексы, рельеф, климат и хозяйственная деятельность человека. Однако изучению межкомпонентных связей и оценке роли формирующихся растительных сообществ в степном биоме и хозяйственной жизни человека в этих новых экологических условиях уделялось недостаточно внимания.
Цель исследования. Цель работы - изучить новые для степной зоны природные территориальные комплексы (ПТК), сформировавшиеся в условиях проявления современного переувлажнения в богарных агроландшафтах плакоров юго-восточных отрогов Донецкого кряжа, охарактеризовать их с ландшафтно-экологических позиций и предложить пути рационального использования.
В связи с поставленной целью были решены следующие задачи:
Охарактеризовать компонентный состав ПТК современного гидроморфизма и разработать типологию, отражающую разнообразие условий их формирования.
Выявить разнообразие ботанического компонента ПТК современного гидроморфизма и оценить возможность поддержания на их основе разнообразия растительности зонального типа.
Изучить экологические связи видов и сообществ растений с характеристиками увлажнения и засоления почв ПТК современного гидроморфизма.
Разработать методику проведения мониторинга ПТК современного гидроморфизма.
Обобщить имеющийся опыт по снижению негативных последствий современного гидроморфизма в агроландшафтах на плакорах и
предложить рекомендации по оптимизации их хозяйственного
использования.
Объект, материалы и методы исследования. Объектом исследований являются природно-территориальные комплексы современного гидроморфизма, соответствующие рангу фаций и простых урочищ. Предметом изучения избран их компонентный состав, закономерности его формирования, пространственно- временная динамика, межкомпонентные связи, возможности хозяйственного использования.
Диссертация основана на собственных экспериментальных данных автора, полученных в процессе полевых исследований в составе экспедиционного отряда Института водных проблем РАН, Донского государственного аграрного университета (ДонГАУ) и Почвенного института им. В.В. Докучаева РАСХН в период с 2000 по 2004 гг. В работе использованы фондовые материалы ДонГАУ, планы землеустройства (М 1:25000 и 1:10000), данные комплексных режимных наблюдений на ключевом участке за 7 лет работ и 58 очагах переувлажнения за 3 периода повторных наблюдений.
Применялись современные традиционные методы экспериментальных эколого-географических маршрутных и стационарных наблюдений, сбора, обработки и анализа данных; крупномасштабное геоботаническое и почвенное картографирование.
Научная новизна результатов исследования:
- выполнена типология ПТК современного гидроморфизма на основании
условий их формирования и дана комплексная характеристика
компонентного состава и изменения структурной организации по годам;
- полно изучен ботанический компонент локальных природно-
территориальных комплексов современного гидроморфизма,
формирующихся в условиях исходно автоморфных ландшафтов юго-
восточных отрогов Донецкого кряжа, на основании чего получена сводка о
7 ботаническом разнообразии одного из важных степных биотопов природно-антропогенного происхождения;
- выявлено флористическое разнообразие различных ПТК современного
гидроморфизма, их сходство и различие с локальными флорами других
степных биотопов (пойм, лесополос, агроценозов, залежей, целинного
степного участка);
- сделано заключение о том, что видовой состав растительности
гидроморфных комплексов не поддерживает ботаническое разнообразие
зональной степной растительности, а массовое скопление сорных видов
является источником постоянного биологического загрязнения агроценозов;
- впервые разработана классификация растительных сообществ,
формирующихся в очагах переувлажнения на плакорах, рассмотрены
сукцессионная динамика растительности и экологическая приуроченность
синтаксонов;
на основе установленных в работе индикационных связей видов и сообществ с характером увлажнения и засоления почв, разработана система мониторинга за степенью и площадью развития переувлажнения;
предложены пути хозяйственного использования растительности, формирующейся в очагах современного гидроморфизма.
Практическая значимость. Диссертационная работа вносит вклад в раздел наук о Земле, в геоэкологию, развивая представление о закономерностях саморегуляции гидрогенно трансформированного ландшафта и возможных путях управления этим процессом на основе адаптации природопользования. Особенностью диссертационной работы является усиленное внимание к ботаническому компоненту очагов современного переувлажнения. Полученные данные о ботаническом разнообразии новых локальных гидроморфных комплексов пополняют знания о степном биоме и его актуальной биогеографии.
Практическое значение работы связано с проведенной инвентаризацией и типологией гидроморфных комплексов, установлением направления их
Практическое значение работы связано с проведенной инвентаризацией и типологией гидроморфных комплексов, установлением направления их хозяйственного использования и разработкой системы мониторинга этого явления на основе индикационных связей видов и экологических факторов. Полученные данные, характеризующие ландшафтное и ботаническое разнообразие ПТК современного гидроморфизма, взаимосвязи их компонентов, используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении полевой практики по экологии агроландшафтов в ДонГАУ. Материалы диссертации вошли в научный отчет ИВП РАН за 2000-2003 гг. по теме "Оценка влияния изменения режима вод суши на наземные экосистемы", сводный отчет за 2001 г. по экспедиционному проекту 116-5.1 ФЦП "Интеграция" "Естественные и антропогенные процессы и факторы формирования, функционирования и эволюции агроландшафтов юга России", в отчет ИВП РАН по проекту Отделения наук о Земле РАН (№9) "Оценка трансформации природных комплексов под влиянием природных и антропогенных изменений вод суши", 2005 г.
Защищаемые положения:
все компоненты очагов переувлажнения на плакорах юго-восточных отрогов Донецкого кряжа несут следы гидроморфизма: формируются почвы полугидроморфного и гидроморфного ряда с признаками вторичного засоления; произрастает гидрогалофильная растительность; минерализованные грунтовые воды присутствуют в почвенном профиле;
типология ПТК современного гидроморфизма, формирующихся в исходно автоморфных ландшафтах плакоров юго-восточных отрогов Донецкого кряжа, основанная на учете условий их формирования и использующая пространственную структуру, обусловленную степенью переувлажнения почв, глубиной залегания, минерализацией почвенно-грунтовых вод, характером использования;
- растительный компонент локальных гидроморфных комплексов не поддерживает флористическое разнообразие зональной степной
9 растительности и представляет опасность для агроценозов как источник биологического загрязнения;
предложения по использованию растительности вторично-гидроморфных природных комплексов для целей мониторинга и рационального ведения сельского хозяйства.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на VIII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2001", школе-семинаре молодых ученых "Современные динамические компоненты экосистем пустынно-степных районов России" в 2001 г., конференции молодых ученых ИВП РАН- 2002 и 2004, заседании Комиссии биогеографии МЦРГО, 2002, а также на заседаниях научного семинара Лаборатории динамики наземных экосистем под влиянием водного фактора ИВП РАН. Работа выполнялась в рамках плана НИР ИВП РАН 2000-2003 гг. "Оценка воздействия изменения вод суши на наземные экосистемы", ФЦП "Интеграция" экспедиционного проекта 116-5.1 (1999-2001 гг.) и государственного контракта № Б 0103/1628, проекта РФФИ № 99-05-64027 "Развитие теории микроочаговых процессов как индикаторов экологически дестабилизированной среды"; и Программы №9 фундаментальных исследований Отделения наук о Земле РАН 2003-2004гг. "Оценка трансформации природных комплексов под влиянием природных и антропогенных изменений вод суши".
Публикации. Основные результаты и теоретические положения диссертации изложены в 14 опубликованных работах.
Личный вклад автора. Исследования автора проводились в составе творческого коллектива, представленного сотрудниками, аспирантами и студентами Института водных проблем РАН, Донского государственного аграрного университета и Почвенного института им В.В. Докучаева. Все геоботанические исследования выполнены автором: собраны, обработаны и проанализированы экспериментальные данные, на основании этого созданы списки видов, характерных для различных биотопов плакоров исследуемой
10 территории; выполнена классификация растительных сообществ участка заповедной степи и ПТК современного гидроморфизма; выполнена оценка ботанического разнообразия, формирующегося в очагах переувлажнения и сделано сопоставление с ботаническим разнообразием других биотопов степных плакоров, включая заповедный участок; создана ГИС на ключевой участок и осуществлен картографический мониторинг растительности за ряд лет; разработаны предложения по хозяйственному использованию растительности переувлажненных участков. Автор участвовала в отдельные сроки в работах по сбору данных по влажности и засолению почв, описывала структуру ПТК. Собранный гербарий, представляющий 90 наиболее массовых видов, был определен и проверен по образцам гербария географического факультета МГУ. Данные, характеризующие солевой состав и влагосодержание почв для установления тесноты их связи с растительностью, получены от почвенной исследовательской группы и частично выполнены самостоятельно. Концепция типологии ПТК современного гидроморфизма по ведущим факторам их формирования принадлежит автору, но характеристика компонентного состава осуществлялась совместно с О.Г. Назаренко.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 198 страницах, состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, содержащего 222 наименования и 6 приложений.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю доктору географических наук Н.М. Новиковой за ценные советы и содействие в написании работы, а также доктору биологических наук О.Г. Назаренко за предоставленные данные почвенных режимных наблюдений и постоянную помощь во время проведения полевых работ и подготовки к диссертации, доктору сельскохозяйственных наук Н.Б. Хитрову, немало способствовавшему ее завершению.
Понятие гидроморфизма в ландшафтоведении и почвоведении: гидроморфные природные комплексы, почвы
Явление гидроморфизма широко распространено во всех природно-климатических зонах. Оно возникает в особых гидрологических условиях при переувлажнении почвенно-грунтовой толщи. Гидроморфные ПТК отличаются от автоморфных тем, что помимо атмосферной влаги в их водном режиме участвует дополнительная влага, поступающая с поверхностными или подземными водами. Природно-территориальные комплексы, формирующиеся в этих условиях - гидроморфные ПТК отличаются наличием полугидроморфных и гидроморфных почв, гидрофильной растительностью, особым рельефом, специфическими гидрогеологическими и гидрохимическими условиями. В степной зоне подобные гидроморфные ПТК принято называть "мочарами", а почвы — "мочарными".
В почвоведении представление о гидроморфизме и гидроморфных почвах отличается большей разработанностью, чем в ландшафтоведении (Докучаев, 1900; Высоцкий, 1906; Неуструев, 1930; Роде, 1959; Ковда, 1934 и другие). Некоторые представления, в частности о полугидроморфных ПТК, по-видимому, пришли в ландшафтоведение из почвоведения. В связи с этим при изучении явления современного гидроморфизма одним из основных диагностических признаков при его определении рассматривались гидроморфные почвы.
По определению А.А. Роде (1959) гидроморфная почва - почва, формирующаяся в условиях временного или постоянного пересыщения влагой всего почвенного профиля или его части, часто сопровож дающаяся возникновением восходящих потоков, приводящих к выпоту солей на поверхность. Избыток воды стимулирует развитие анаэробных микроорганизмов, способствующих кислотному гидролизу ми 12 неральных компонентов и восстановлению железа и марганца. В условиях временного гидроморфизма происходит лишь частичное восстановление железа и марганца и образование в профиле ржавых пятен. В условиях постоянного гидроморфизма железо находится в восстановленной миграционно-способной форме, вследствие чего часть профиля с полным анаэробиозом приобретает зеленовато-голубую окраску. Гидроморфизм диагностируется по окраске почвы или характеру перераспределения растворимых компонентов: оксидов железа и марганца, карбонатов в верхнем метровом профиле при восстановительных условиях среды (Лозе Ж. и др., 1998).
В степной зоне переувлажнение получило достаточно широкое распространение. В естественных условиях оно представлено обширными массивами лугово-черноземных почв в Центральной черноземной области; подами, солодями и лиманными почвами, развитыми на юге сухой степи Украины; солодями в Западной Сибири; слитыми почвами - на Западном Кавказе.
В.В. Докучаев уже в первых своих классификациях 1900 г. разделял почвы избыточного и нормального увлажнения и отмечал присутствие почв избыточного увлажнения в степной зоне. Многие его последователи в той или иной форме считали определяющими гидрологические условия почвообразования. Примером могут служить: классификация Н.М. Сибирцева (1985), в которой он выделил почвы избыточного увлажнения на одном из первых таксономических уровней - в группу интразональных почв; классификация Г.Н. Высоцкого (1906), основанная на гидрологическом режиме почв. В ней он выделил класс "абсолютно интразональных почв", которые нигде не встречаются как зональные.
Впервые термин "гидроморфные почвы " ввел С.С. Неуструев (1930), понимая под ним почвы избыточного (для данной зоны) увлажнения. С.С. Неуструев с термином "гидроморфный" связывал, в сущности, представление о повышенной влажности почвы, полагая, что "гидроморфный процесс" обусловлен "сезонным или постоянным избыточным увлажнением". По С.С. Неуструеву гидроморфные почвы отличаются постоянным или временным переувлажнением, анаэробиозом, нередко гидрогенной аккумуляцией в верхних горизонтах привнесенных веществ.
А.А. Роде (1959, 1978, 1984) разработал представление о «нормальном» и «повышенном» увлажнении: увлажнение почвы - процесс поступления в почву влаги независимо от источника последней; нормальное увлажнение — в почву влага поступает только в виде атмосферных осадков и при этом в количестве, не превышающем их суммы, характерной для климата данной местности; повышенное увлажнение — случай, когда почва получает какое-то количество влаги сверх указанной нормы. А.А. Роде выделили также различных категории влажности почвы: нормальная - влажность, не превышающая наименьшую влагоемкость (НВ); и повышенная - влажность, превышающая НВ.
Выбор наименьшей влагоемкости (НВ), как экологического рубежа, разграничивающего нормальную влажность и повышенную, А.А. Роде обосновывает в основном строением почвенно-грунтовой толщи. Он подробно разбирает случаи возникновения повышенной влажности, как при дополнительном увлажнении, так и без него. При этом каждому фитоценозу на данной почве соответствует определенный режим иссушения и уровень грунтовых вод, поэтому при смене растительного покрова существенно меняется режим увлажнения и иссушения, а, следовательно, - объем и долговечность автохтонных грунтовых вод.
Степень гидроморфности почв А.А. Роде предлагает определять, исходя из мощности той части почвенного профиля, которая обладает режимом повышенной влажности. Если этот режим охватывает весь профиль, то почвы следует назвать собственно гидроморфными, а если он охватывает только половину профиля, то такие почвы относятся к полугидроморфным.
Согласно А.А. Роде можно выделить три случая возникновения переувлажнения в степной зоне при нормальном увлажнении в зависимости от строения почвенно-грунтовой толщи. Первый случай - при однородной почвенно влаги - это водный режим степных черноземов, каштановых почв, сероземов. Второй случай - при неоднородной почвенно-грунтовои толще, когда верхний горизонт более тяжелого состава сменяется более легким, образуется капиллярно подперто-подвешенная влага, объем которой тем больше, чем больше различия в гранулометрическом составе слагающих толщ и мощность самой верхней толщи. Третий случай - при неоднородной почвенно-грунтовои толще, когда под легким наносом залегает более тяжелый водонепроницаемый слой, в результате инфильтрации и накопления влаги атмосферных осадков образуется водоносный горизонт автохтонных почвенно-грунтовых вод. Период существования автохтонных почвенно-грунтовых вод при нормальном увлажнении зависит от растительного покрова. Это связано с тем, что как только между верхней границей капиллярной каймы и нижней границей корнеобитаемого слоя появляется слой с влажностью ниже наименьшей влагоемкости или если влажность в этом слое понизится до величины влажности разрыва капиллярной связи, то расход грунтовых вод падает практически до нуля.
Но для проявления гидроморфизма не менее важны микроформы рельефа. Во-первых, наличие понижений, замкнутых депрессий, через которые идет поступление атмосферных осадков и пополнение грунтовых вод, создает так называемый "потускулярный" водный режим. Во вторых, расчлененность рельефа обуславливает существование автохтонных грунтовых вод, так как, чем сильнее рассечен рельеф, тем ближе к поверхности должен залегать водоупор для создания условий избыточного увлажнения.
Физико-географическая характеристика района работ и развитие современного гидроморфизма на его территории
Хозяйственная деятельность имеет целенаправленный характер и проявляется в первую очередь в противоэрозионной организации территории землепользования, цель которой состоит в уменьшении или исключении поверхностного стока и переводе его во внутрипочвенный и грунтовый. Косвенно этому также способствуют разнообразные искусственные препятствия на пути естественных потоков воды в ландшафте в виде насыпей дорог, противодефляцион-ных лесных полос, грунтовых дорог и т.п. Этому способствуют агротехнические и мелиоративные приемы земледелия, широкомасштабная трансформация растительного покрова, использование тяжелой техники и т.д.
Сельскохозяйственное освоение территорий сопровождалось распашкой степных черноземов и заменой естественной ксерофильно-степной растительности культурной мезофильной, физиологически не приспособленной к функционированию в этих условиях. Если многолетние травы иссушают почвогрун-ты до влажности завядания на глубину 2,5-5,0 м, то транспирационная способность сельскохозяйственных культур значительно ниже естественной растительности. К тому же корневая система культурных растений проникает на меньшую глубину, чем многолетних трав (Макарова, 1948; Станков, 1969). В результате изменяется водный баланс почвенной влаги. Уменьшение мощности корнеобитаемого слоя при замене естественной растительности на культурную приводит к сокращению расхода почвенной влаги.
Это подтверждается также исследованиями украинских ученых (Полупан, 1979; Полупан и др., 1983; Яровенко, 1989). Под культурной растительностью в условиях отсутствия дополнительного обводнения многие годы складывается положительный годовой водный баланс, достигающей 28 - 157 мм в год. Этому способствуют применяемые комплексы агротехнических мероприятий, изменение структуры посевных площадей в сторону уменьшения площадей зерновых колосовых и увеличения зернобобовых пропашных, со значительным сокращением площадей многолетних трав в севооборотах богарного земледелия.
Анализируя изменение водного баланса пахотных земель как результат применения комплекса агротехнических и мелиоративных мероприятий, можно сказать, что приходную часть водного баланса существенно улучшает зяблевая пахота вследствие уменьшения стока в 2-20 раз по сравнению со стерневой поверхностью, залежью или озимью (Миронченко, Грызлов, 1970; Львович, 1974; Бялый, 1962, 1974; Калиниченко, 1978; Агеев и др., 1996). Применение глубокой зяблевой вспашки поперек склона позволяет накопить в почве 10-26 мм влаги (Мильчевская, 1967). Гребни и борозды, образующиеся при гребнистой вспашке, способны задержать на односторонних склонах около 20 мм осадков (Миронченко, Грызлов, 1970). Такие способы, как прерывистое бороздование, ячеистое обвалование, поперечная зяблевая вспашка с одновременным образованием валков позволяют накопить в почве до 40-80 мм влаги. Применение таких мероприятий, как щелевание и кротование обеспечивают дополнительное накопление влаги от 10 до 30 мм (Агеев и др., 1996).
Второй путь оценки изменения водного режима - это анализ глубины про-мачивания почвенно-грунтовой толщи и запасов влаги в длительном ряду наблюдений. Так, например, в работе И.В. Свисюк и др. (1992) были оценены запасы влаги в почвенно-грунтовой толще за 30 - летний период. Использовались данные на начало весны, которые определяются накоплением влаги в промоченном слое за счет проникновения дождевой и талой воды в осенне-зимний период, остаточными запасами влаги после вегетации предшествующей культуры и парообразного передвижения влаги из нижележащих слоев. Результаты анализа показателей промачивания почвенно-грунтовой толщи под различными культурами свидетельствуют, что существует ярко выраженная цикличность, во многом совпадающая с цикличностью атмосферных осадков. Было установлено, что глубина промачивания на начало весны в большей степени определяется зимними осадками, коэффициенты корреляции между глубиной промачивания и суммой осадков за зимний период (ноябрь-март) составили 0,68-0,80. Явный цикличный характер имеет также динамика превышения запасов влаги в промоченном слое над наименьшей влагоемкостью. Таким образом, степень воздействия агротехнического фактора на гидрологический режим в степной зоне напрямую зависит от распаханности территории. В зоне недостаточного увлажнения накоплению влаги способствуют зональные севообороты, обработка почвы, черные пары (Бялый, 1962; 1974).
Согласно имеющимся данным О.Г. Назаренко (2002) можно сказать, что, начиная с середины 60-х годов, в одном из районов Ростовской области насыщенность влагой промачиваемого слоя превосходила наименьшую влагоем-кость и была устойчивой в течение длительного времени вплоть до 1984 года. В последующие за 1984 годы отклонения составляли ± 20мм, поэтому насыщенность почвы влагой находится на уровне наименьшей влагоемкости до настоящего времени. В весенний период это создает условия для свободного стекания влаги в нижележащие горизонты и пополнения их запасов в почвенно-грунтовой толще. Таким образом, на территории одного из районов Ростовской области за последние 20 лет сложился благоприятный водный режим для пополнения влагой почвенно-грунтовой толщи (рис. 1.4).
Накоплению и сохранению влаги в почве также благоприятствуют и лесные полосы. По данным М.И. Львовича (1974, 1978), комплекс агротехнических и лесомелиоративных мероприятий позволил увеличить ресурсы почвен-ной влаги в зоне степи и лесостепи на 15-20 км /год.Поэтому, в настоящее время при некотором увеличении количества осадков, эффективном сокращении поверхностного стока с помощью современных агроприемов и мелиоративных
Существует еще ряд факторов, играющих немаловажную роль в расширении ареалов локального переувлажнения: создание человеком противодефля-ционных лесных полос и иных объектов, выступающих в роли линейных преград на пути водотока (шоссейные, грунтовые дороги и т.п.). Причем, при строительстве шоссейных дорог проектирование и закладка водоотводных сооружений в местах сосредоточения поверхностного стока не решает проблемы переувлажнения сопряженной территории. Это происходит потому, что проектирование водоотводных сооружений проводилось с учетом лишь поверхностного стока. Внутрипочвенный сток при этом игнорировался, что при существующем в районе исследований (юго-восточные отроги Донецкого кряжа) строении почвенно-грунтовой толщи (близкое залегание к поверхности водо-упора) и привело к переувлажнению вышележащих горизонтов (Паракшин и др., 1997; Ачканов, Николаева, 1999).
Защитные лесополосы, располагаясь на склонах, перехватывают поверхностный водный поток, переводя его во внутрипочвенный, при этом задерживая и ухудшая последний. Близкое залегание водоупорных горизонтов способствует быстрому насыщению влагой вышележащих горизонтов и переувлажнению. В условиях расчлененного рельефа, каким характеризуется ландшафт территории исследований, роль линейных преград в образовании локально-переувлажненных почв становится особенно значимой (Хитров и др., 2002) и лесополосы часто становятся непосредственной причиной формирования переувлажненных комплексов (рис. 1.5). При этом, если в составе древостоя присутствует робиния (Robinia pseudoacacia), она гибнет, так как не переносит поверхностного заливания и подтопления.
Типология НТК современного гидроморфизма
Геоэкологическая (ландшафтно-экологическая) характеристика ПТК современного гидроморфизма подразумевает определение и оценку компонентного состава и пространственно-временных изменений структурной организации природно-территориальных комплексов.
Исследования проводились в пределах Октябрьского района Ростовской области. Полевые наблюдения выполнялись в период с 2000 по 2004 гг. в составе экспедиционного отряда, объединившего специалистов - почвоведов, геоботаников, гидрологов и аспирантов Института водных проблем РАН и Почвенного Института им. В.В. Докучаева РАСХН, студентов и аспирантов Донского Государственного Аграрного Университета.
В работе использованы планы землеустройства (масштаб 1:25000), почвенные карты хозяйств (масштаб 1:10000 и 1:25000), фондовые материалы Дон-ГАУ, данные совместных комплексных наблюдений указанных коллективов на ключевом участке (рис. 2.6) за 8 лет работ , на 58 очагах переувлажнения (рис. 2.8) за 3 периода повторных наблюдений и данные 2-х лет наблюдений на эталонном степном участке. Для анализа также привлекались материалы, полученные другими авторами с их согласия, о чем даны ссылки в работе.
Исследования выполнялись с использованием картографических, экспедиционных, стационарных, полевых почвенных, геоморфологических, гидрогеологических и геоботанических методов. Географические координаты точек стационарных и маршрутных наблюдений и съемка площадей переувлажнения фиксировались методом дистанционного позиционирования с помощью прибора GPS Garmin-12. Для удобства хранения и обработки экспериментальные данные сосредоточены в тематических связанных между со 58 бой таблицах, созданных в прикладной программе EXCEL. Для обработки и анализа данных использовались специальные прикладные программы ECOL, STATISTICA, SPSS, ARCVIEW и др.
Для решения задачи по выявлению причин возникновения очагов переувлажнения, сезонной и разногодичной изменчивости компонентов, их развития в условии залежи был выбран ключевой участок, расположенный на территории Октябрьского района. На ключевом участке проводились режимные наблюдения. Работы включали крупномасштабные съемки- топографическую, почвенную и геоботаничекую, исследования водного режима почв, а также изучение литологического строения до грунтовых вод и ниже расположенного водоупора.
Во время работ на ключевом участке (раздел 2.2.2) фиксировались -пространственная структура растительности гидроморфных ПТК на основании площадей, занятых участками различной степени гидроморфизма; в каждом из выделенных контуров на стационарных скважинах описывались почвенные профили, фиксировалась глубина залегания почвенно- грунтовых вод, описывался видовой состав растительности, проективное покрытие, обилие видов, учитывалась хозяйственная урожайность видов и сообществ.
На ключевом участке проводилось крупномасштабное (1:1000) картографирование почв с повторностью раз в 3-4 года и ежегодное картографирование растительности методом кипрегельной съемки.
Отбор образцов почв на засоление проводился послойно (0 - 10, 10 -30, 30 - 50, 50 - 70, 70 - 100 см). В сентябре 1998 года солевая съемка проводилась по 60- ти точкам. В сентябре 2002 года была проведена повторная солевая съемка по тем же точкам. Почвенные растворы с легкорастворимыми солями подтягивались к поверхности черноземов, где происходило их выпаривание и оседание солей на поверхности почвенных частиц.
Засоленность почв и пород оценивали на основе краткой характеристики ионно-солевого состава (Руководство по лабораторным методам исследованиям..., 1990). Характеристика включала, во-первых, измерение активности ионов натрия в состоянии пасты с постоянной влажностью 60% при температуре 25С и, во-вторых, последующий расчет удельной электропроводности раствора по эмпирическим уравнениям регрессии, составленным по результатам полного анализа засоления для каждого ключевого участка отдельно: ЕС (дСм/м) = 0,409207+0,215224 aNa (ммоль/л) , где aNa- активность ионов натрия.
Использовались регистрирующий прибор "Экотест рН-120", ионоселек-тивный электрод pNa фирмы "Эконикс", хлор- серебряный вспомогательный электрод ЭВЛ-1МЗ. Пространственное распределение солей на ключевых точках оценивали по результатам измерения активности ионов натрия в пастах большого числа образцов. На основании изучения распределения корней растений, выполненного О.Г. Назаренко, основная масса корней (до 95%) большинства видов, встреченных на участке, располагается в слое 0-50 см. Это дало основание рассматривать показатели засоления почв преимущественно в этом слое.
Отбор образцов для определения влажности почв проводился на динамических площадках ключевого участка в течение всего года с частотой 1 раз в 2 недели в теплое время года и 1 раз в месяц в холодный период. Образцы отбирались в трехкратной повторности по 10- см слоям почвенной толщи до грунтовой воды.
Важной частью работы стали маршрутные исследования, проведенные в 2002-2004 гг. на участках, расположение которых показано на схеме (рис. 2.8). Исследования были направлены на уточнение причин возникновения очагов переувлажнения, характеристик компонентов ПТК современного гид-роморфизма. Для изучения внутренней структуры ПТК и выявления тенденций их развития, отдельные участки в ранге фаций рассматривались с позиций степени переувлажнения и его режима как внутри года, так и в многолетнем аспекте. Для диагностики использовались признаки растительности, характеристика грунтовых вод и особенности морфологической структуры почв. Диагностика почв переувлажненных ПТК, обеспечивающая оценку степени их гидрогенной трансформации, проводилась согласно подходу, предложенному для территории юго- восточных отрогов Донецкого кряжа О.Г. Назаренко (2002), и общепринятой классификации почв ("Классификация почв СССР", 1977). Основными диагностическими признаками исходно гид-роморфных почв являются специфические морфологические характеристики:
Значение фиторазнообразия для геоэкологической характеристики ПТК современного гидроморфизма
Концепция разнообразия растительности ландшафта, как отмечает В.И. Василевич (1992), пока разработана слабо. Одной из причин может быть отсутствие апробированных методов получения количественных оценок, которые бы стимулировали исследователей на сбор статистически сравнимых экспериментальных данных. В свою очередь, отсутствие подобных данных является причиной невозможности проведения работ по сравнительной оценке разнообразия растительности как внутри единого ландшафта, так и ландшафтов одного типа, располагающихся в разных ботанико-географических районах или биомах.
Ботаническое разнообразие - ведущий элемент биоразнообразия, свойственного конкретному участку территории, и как объект охраны. Согласно определению, данному Н.М. Новиковой (1995), фиторазнообразие представляет собой сложную интегрированную систему, объединенную единством флорогенеза и филогенеза и обладающую определенным составом таксонов на уровне вида и синтаксонов на уровне сообществ, и топологических единиц, поддерживаемых системой сукцессии. Эта система в наибольшей степени отражает взаимосвязь растительности со средообразующими процессами и позволяет дать оценку величины ее разнообразия.
Понятие ботанического разнообразия введено в качестве методологической основы для индикации уровня биоразнообразия растительного покрова, оценки его современного состояния и места в его сложении, а также для установления тенденций современных трансформаций растительности под воздействием природных и антропогенных факторов. Оно также служит осно 104 вой для разработки научного обоснования организации системы мероприятий по сохранению флоры и растительности природных комплексов при разномасштабных исследованиях: от региональных до локальных.
В понятие "ботаническое разнообразие" включается несколько различных аспектов (Новикова, 1997). Во-первых, вводится понятие "флористическое разнообразие". Оно включает рассмотрение разнообразия видов и других таксонов систематики растений. Часто при рассмотрении фиторазнообразия анализируется только флористическое разнообразие, что является недостаточным при характеристике определенных регионов, особенно при рассмотрении их в динамике. Поэтому ботаническое разнообразие включает еще один аспект - рассмотрение разнообразия фитоценозов. Это представление о фитоценотическом или синтаксо-номическом разнообразии необходимо для его инвентаризации и мониторинга. В свою очередь оно является основой для оценки еще одного аспекта ботанического разнообразия- выявления пространственной организации растительности- инвентаризации и мониторинга хорологических единиц растительности - типов пространственных структур, образуемых растительными сообществами или их комбинациями - сочетаний и комплексов, нуждающихся в охране, для выявления тенденций динамических смен растительности, обусловленных, главным образом, антропогенными факторами. В этом, отчасти, заключается значение изучения фиторазнообразия для геоэкологических исследований, в том числе для характеристика НТК современного гидроморфизма.
Изучение и анализ флористического разнообразия позволяет установить не только видовую насыщенность или богатство растительного покрова ландшафта, но и оценить флористическое богатство отдельных фитоценозов, установить характер распределения отдельных видов, выявить среди них различные группы по встречаемости, генетическим связям, происхождению, экологии, хозяйственной ценности и т.п. Все это имеет большое значение при разработке научно обоснованной системы мероприятий по сохранению генетического разнообразия эндемичных, реликтовых, предков культурных ви 105 дов, декоративных, лекарственных и других полезных растений дикой флоры.
Рассмотрение фитоценотического разнообразия включает анализ представленности таксонов разного ранга, их функционального значения, пространственного распределения и др., что чрезвычайно важно для установления стадий динамического состояния изучаемой территории, оценки хозяйственной ценности сообществ, путей их использования и для разработки обоснованных предложений по организации особо охраняемых участков, т.е. для полной геоэкологической характеристики территории.
Таким образом, можно считать, что большая область научных исследований биоразнообразия включает, как самостоятельный раздел, разнообразие ботаническое. В свою очередь, ботаническое разнообразие состоит из флористического (разнообразие видов), фитоценотического, или синтаксономиче-ского (разнообразие растительных сообществ), хорологического (разнообразие пространственных структур растительных сообществ). Как флористическое, так фитоценотическое и хорологическое разнообразие может рассматриваться на различных уровнях, начиная от вида или конкретного участка ассоциации и кончая флорами определенных регионов и фитоценотипами био-мов. Безусловно, это в значительной степени зависит от конкретных задач анализа ботанического разнообразия, детальности исследований и их практической направленности.
Ботаническое разнообразие является одной из главных составляющих биоразнообразия и именно его изменения в наибольшей мере отражают актуальные процессы и тенденции природных и антропогенных изменений биотического покрова. Поэтому исследования ботанического разнообразия в естественных и антропогенно измененных условиях, установление особенностей его структуры и разработка принципов сохранения представляются весьма актуальными с геоэкологических позиций. Это особенно важно в связи с тем, что, несмотря на научно- теоретическую и практическую значимость проблемы, она остается еще недостаточно изученной и в настоящее время находится на первой стадии инвентаризации флористического и фито-ценотического разнообразия.
При этом ботаническое разнообразие рассматривается и как классификационная, и как эколого-топологическая и сукцессионная система. Такой подход позволяет оценить полноту представленности и динамические позиции ботанических объектов (растений, фитоценозов, пространственных структур) на конкретной территории в ряду природных и антропогенно обусловленных смен ландшафтов, что создает научную основу для принятия решений по их сохранению. Этот путь нам представляется наиболее рациональным в охране природы в целом.
Широкомасштабные изменения природной среды, происходящие на юге России, описанные нами ранее (глава 1), создают условия для крупных региональных трансформаций в лесостепном и степном биомах. Изучение этих процессов на локальном ландшафтном уровне позволяет вскрыть их механизмы, установить формы и тенденции, выявить существующую опасность и дать прогноз на будущее. В результате просмотра и анализа опубликованной научной литературы можно отметить недостаточную изученность формирования растительности в ПТК современного гидроморфизма, отсутствие надлежащей методологической основы для оценки ее роли в степном биоме. В рассмотренных работах в основном обращается внимание на видовой состав растений очагов, их морфо-экологические свойства, урожайность, имеются сведения по экологии отдельных видов (Яровенко, 1989; Зайдельман и др., 1998). Отрывочность и фрагментарность данных не позволяет корректно осуществить сравнительный анализ особенностей формирования растительности вторично гидроморфных природных комплексов в различных регионах степной зоны и оценить этот процесс в целом для степного биома.