Содержание к диссертации
Введение
1. Природные условия Республики Тыва и характеристика объектов исследования 10
1.1 Географическое положение и природные условия Республики Тыва 10
1.2 Положение объектов исследования 25
1.3 Отбор образцов и характеристика исследуемых экосистем в Турано-Уюкской котловине 26
1.4 Отбор образцов и характеристика исследуемых экосистем в Улуг-Хемской котловине 28
1.5 Отбор образцов и характеристика исследуемых экосистем в Убсу-Нурской котловине 31
2. Особенности геоэкологической оценки территорий и методы исследования межгорных котловин Тывы 33
2.1 Особенности геоэкологической оценки территорий 33
2.2 Примеры оценки антропогенного воздействия на территории Внутренней Азии и сопредельных регионов 36
2.3 Особенности экологического мониторинга степных экосистем 41
2.4 Общая характеристика исследования, отбор образцов и полевое дешифрирование 51
2.5 Биологические методы в мониторинге степных экосистем 53
2.6 Инструментальные микробиологические исследования почв степных экосистем Тывы 59
2.7 Оценка состояния экосистем по данным дистанционного зондирования 62
2.8 Использование данных дистанционного зондирования при исследовании межгорных котловин Тывы 73
2.9 Основные принципы и подходы к районированию, классификации и картографированию территорий 84
2.10 Классификация, положенная в основу создаваемых картосхем 90
3. Геоэкологическая оценка территорий межгорных котловин Тывы по данным дистанционного зондирования 95
3.1 Турано-Уюкская котловина 95
3.2 Улуг-Хемская котловина 102
3.3 Убсу-Нурская котловина 112
3.4 Соотношение площадей различных экосистем в пределах Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и Убсу-Нурской котловин 119
3.5 Оценка современного состояния и изменений в хозяйственном использовании территорий степных межгорных котловин Тывы 121
4. Оценка состояния степных экосистем Тывы по данным инструментальных микробиологических исследований 127
4.1 Турано-Уюкская котловина 128
4.2 Улуг-Хемская котловина 133
4.3 Убсу-Нурская котловина 142
Основные выводы 145
Список использованной литературы 147
- Географическое положение и природные условия Республики Тыва
- Биологические методы в мониторинге степных экосистем
- Турано-Уюкская котловина
- Улуг-Хемская котловина
Введение к работе
Актуальность темы. Геоэкология, в широком смысле, изучает взаимодействия человеческого общества с природной средой. Основным объектом геоэкологических исследований является территория, которая должна рассматриваться с точки зрения её природно-ресурсного потенциала и возможности индикации антропогенного воздействия на природную составляющую (Заиканов, 2005). Геоэкология в настоящее время не обладает большим объёмом аксиономичности. Она допускает спорные и альтернативные положения, необщепринятые формулировки (Чибилёв, 1998).
Оценку и управление территориями рациональнее вести в границах естественных физико-географических образований, таких как межгорные котловины. Горные хребты, крупные водные объекты, являются не только естественными границами, обуславливающими уникальность природных условий, изолированность отдельных популяций животных, растений и потоков вещества, но и транспортными барьерами, а в совокупности выступают ещё и в качестве экономических, и даже социальных границ.
Располагаясь в резко-континентальном климате, межгорные котловины Тывы являются уникальными, отличающимися друг от друга геосистемами, включающими большое разнообразие составляющих их природно - территориальных комплексов. На их примере в пределах сравнительно малых территорий возможно проследить закономерности воздействия хозяйственной деятельности человека на различные виды экосистем.
В пределах степных межгорных котловин Республики Тыва представлен набор большей части природных условий Внутренней Азии. В границах Внутренней Азии расположены крупнейшие, не затронутые пахотным земледелием, массивы целинных степей (Ондар и др., 2000), до настоящего времени имеющие большое хозяйственное значение.
Цель работы - геоэкологическая оценка территорий степных межгорных котловин Тывы на основе дешифрирования космических снимков
Задачи исследования:
изучить соотношение различных природных и антропогенно- трансформированных территорий в пределах Турано-Уюкской, Улуг- Хемской и российской части Убсу-Нурской котловины Республики Тыва;
оценить динамику площадей и последствия хозяйственного использования территорий степных экосистем в равнинной части котловин Тывы за последние 20 лет;
установить закономерности изменения величины биомассы микроорганизмов и её метаболической активности в почвах степных экосистем Тывы под влиянием пастбищной нагрузки;
исследовать возможности совместного использования дистанционных и инструментальных почвенно-микробиологических методов в мониторинге степных экосистем Тывы.
Объект исследования - Турано-Уюкская, Улуг-Хемская и российская часть Убсу-Нурской котловины Республики Тыва.
Предмет исследования - экосистемы на территории исследуемых котловин, оценка их состояния на основе дешифрирования космических снимков.
Теоретическая и методологическая основа исследования базируется на идеях и трудах в области географии: В.Б. Сочавы, А.Г. Исаченко; биологии почв - Д.Г. Звягинцева, Б.М. Клёнова, М.В. Якутина; исследовании степных экосистем - А.А. Чибилева, В.Г. Мордковича. Учтен опыт исследований Внутренней Азии: Б.О. Гомбоева, П.Д. Гунина, В.В. Бугровского, Е.А. Востоковой, С.О. Ондар; в том числе Республики Тыва -
-
-
В. Куминовой, В.А. Носина, М.Ф. Андрейчика. С целью разработки методических вопросов использования данных дистанционного зондирования Земли, геоэкологической оценки и мониторинга территорий, автором использовались теоретические концепции и практические рекомендации: Б.В. Виноградова, А.М. Чандры, В.П. Ступина, В.Б. Кашкина,
-
Г. Заиканова, В.И. Родзина.
Защищаемые положения:
-
-
-
Методика геоэкологической оценки с использованием комплекса данных дистанционного зондирования, полевых и лабораторных исследований, позволяет оперативно анализировать состояние природных и антропогенно-трансформированных экосистем межгорных котловин.
-
При продвижении с севера на юг от Турано-Уюкской к Улуг- Хемской и далее к Убсу-Нурской котловине изменение доли лесных экосистем обусловлено природными факторами, уменьшение относительной площади нарушенных травяных экосистем обусловлено антропогенными факторами, а увеличение площади открытых перемещающихся песков обусловлено природно -антропогенными факторами.
-
При усилении пастбищной нагрузки и деградации степных экосистем межгорных котловин Тывы происходит увеличение массы и метаболической активности деструкционного блока в подземном ярусе степных экосистем Тывы.
Информационная база исследования. Исследования проведены на территории Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и российской части Убсу- Нурской котловины. В основу диссертационной работы положены данные дистанционного зондирования Земли, картографические материалы, результаты полевых и лабораторных исследований. В качестве основного источника пространственной информации использовались снимки Landsat 5 и Landsat 7 (соответственно сканеры TM и ETM+), для их трансформирования, оценки геометрической точности создаваемых картосхем, при дешифрировании использовались топографические карты масштаба 1: 200 000. Также в процессе дешифрирования и картографирования использовались топографические карты масштабов 1: 1 000 000, 1: 500 000, данные Terra (сканер ASTER), полученные на основе данных Landsat изображения индекса NDVI, почвенная карта Тывы, данные картографического ресурса Google Earth, результаты полевых исследований, в том числе описания экосистем, из которых отбирались образцы почв и растительности, картосхемы, полученные в результате полевого дешифрирования данных Landsat 7. В результате полевых исследований в 2009 и 2010 году было отобрано 168 почвенных образцов, проведены описания и отбор образцов растительности из 19 степных экосистем. При оценке состояния степных экосистем использовались результаты инструментальных микробиологических исследований, полученные данные статистически обрабатывались с использованием методов вариационного и дисперсионного анализов.
Методы исследования. В работе применялись методы комплексных физико-географических исследований, методы дешифрирования, картографические, почвенные инструментальные микробиологические, математико-статистические методы.
Научная новизна. На основании данных дистанционного зондирования впервые изучена динамика изменения площадей различных степных экосистем в котловинах Республики Тыва с 1991 по 2010 год. Установлено соотношение различных природных и антропогенно-трансформированных территорий в пределах Турано-Уюкской, Улуг-Хемской и российской части Убсу-Нурской котловин Республики Тыва. Впервые установлена связь почвенной микробной биомассы и базального дыхания с уровнем пастбищной нагрузки.
Практическая значимость. Составленные картосхемы природных и антропогенно-трансформированных территорий Турано-Уюкской, Улуг- Хемской и российской части Убсу-Нурской котловин Республики Тыва могут использоваться как в мониторинге сельскохозяйственных угодий республики, так и для дальнейших исследований, а также в качестве основы при составлении ландшафтно-экологических или экологических карт соответствующих масштабов. Полученные данные могут быть использованы для обновления официальной статистики площадей пашен и залежей Республики Тыва.
Использованное сочетание дистанционных, полевых и почвенно- биохимических методов исследования может быть рекомендовано для применения в практике экологического мониторинга экосистем Внутренней Азии.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на IV, V и VI, VII Международных научных конгрессах «Гео - Сибирь» (Новосибирск, 2008-2011); Международной конференции «Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов» (Монголия, Ховд, 2009), Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные вопросы географии и геологии» (Томск, 2010).
Публикации. Материалы работы изложены в 12 публикациях, из них одна в рецензируемом журнале из списка ВАК.
Личный вклад автора. Диссертация является обобщением личных материалов автора, полученных в 2008-2011 гг. на кафедре экологии и природопользования СГГА. Личный вклад автора заключается в сборе, систематизации и анализе фактических материалов, обработке разновременных космических снимков, в создании с помощью программного обеспечения Erdas Imagine, MapInfo, Panorama серии разновременных тематических картосхем. В 2009-2010 годах лично автором проводился отбор образцов и полевое дешифрирование на территории Улуг-Хемской котловины, а в 2010 году - на территории российской части Убсу-Нурской котловины. В 2009-2011 годах автором выполнялись анализы микробной биомассы, базального дыхания и метаболической активности в почвах исследуемых экосистем. В процессе исследования была разработана методика комплексной геоэкологической оценки степных межгорных котловин Тывы, оценено современное геоэкологическое состояние территории.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 159 страниц, включая 36 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает в себя 121 наименование, из них 2 - на иностранных языках.
Географическое положение и природные условия Республики Тыва
Республика Тыва занимает площадь около 170 тыс. км , она расположена в центральной части Азии между 50 и 54 градусами северной широты и 89 и 99 градусами восточной долготы. Около 82 процентов её территории занято горами, 18 процентов - относительно пониженными и выровненными элементами рельефа, большими котловинами и межгорными долинами. С запада территория Тывы ограничена хребтами Шапшальским, Чихачева и Цаган-Шибэту; с севера - горами Западного и Восточного Саяна; с востока -хребтами меридионального простирания Большого Саяна; с юга - хребтами Восточного и Западного Тану-Ола, нагорьем Сангилен. Следствием геоморфологических образований являются обширные котловины с абсолютной отметкой 550 - 1200 м, простирающиеся на сотни километров в длину и десятки в ширину. Самая крупная из них - Центрально-Тувинская (Рис. 1), включающая в себя Улуг-Хемскую и Хемчикскую котловины. В северо-восточной части Тывы находится Тоджинская котловина, в юго-восточной -Терехольскаяи Тарисская котловины, в южной - северная часть Убсу-Нурской котловины. К ряду меньших по размеру котловин относятся Турано-Уюкская котловина, заключённая между двумя хребтами системы Западного Саяна (Бура и Куртушибинским). Как правило, все населенные пункты расположены в долинах рек названных котловин (Носин, 1963; Куминова и др., 1985; Андрейчик, 2005; Гвоздецкий, Михайлов, 1978). Рисунок 1 - Орографическая схема Тувинской ландшафтной области (Гвоздецкий, Михайлов, 1978)
Наличие мощных горных сооружений и обширных депрессионных территорий, лежащих на 1-2 тысячи метров ниже гор, имеет для Тывы важнейшее ландшафтное значение. Этими главными орографическими элементами определяются разнообразие типов рельефа, конкретное выражение широтной географической зональности, вертикальная поясность и локальные особенности климата, живой природы и почвенного покрова (Носин, 1963).
В настоящее время абсолютные высоты колеблются от 520 до 3976 м (долина Енисея у северной границы республики и вершина Монгун-Тайги на юго-западе) (Куминова и др., 1985). В сложении форм современного рельефа Тывы принимают участие главным образом аллювиальные, делювиальные, пролювиальные, моренные и флювиогляциальные четвертичные отложения; меньшее значение имеют отложения гравитационные, (осыпи, курумы), эоловые и озерные. По площади поверхностного проявления и удельному значению в качестве материнских почвообразующих пород первое место занимают образования элювиального генезиса (Носин, 1963).
Климат Тывы определяется её положением в центре самого большого материка, а следовательно большой удалённостью от океанов; обрамлённостью территории высокими хребтами; сложный расчленённый рельеф с наличием высоких нагорий, горных цепей и многообразных котловин различной глубины, степени равнинности и замкнутости (Носин, 1963; Куминова и др., 1985; Андрейчик, 2005).
Удаленность от океанов и барьерная роль горных цепей обуславливает резкую континентальность климата. В зимний период Тыва находится в зоне обширного и устойчивого азиатского антициклона, центр которого расположен над Монголией и Тывой. В теплое время существенное влияние оказывают циклонические течения, идущие с северо-запада; роль сильно нагретых и сухих воздушных масс, формирующихся над пустынными пространствами Центральной Азии, незначительна. Тихоокеанский летний муссон до границ Тывы не доходит, затухая в восточной части Монголии. Характерными для зимы являются сильные морозы, удерживающиеся без оттепелей почти до середины марта, штиль и слабые ветры (0,5 - 1 м/с). Малоснежье (средняя многолетняя высота снежного покрова - 10-20 см) способствует глубокому промерзанию почвы, что препятствует накоплению почвенной влаги к началу вегетационного периода (Носин, 1963; Андрейчик, 2005).
Наибольшие амплитуды температуры, достигающие 100-120, характерны для межгорных депрессий. Зимой ярко выраженная инверсия температур и стекание холодного тяжелого воздуха вниз по склонам делают эти местоположения наиболее холодными с абсолютными минимумами до минус 54 - минус 60. Летом воздух в нижних слоях и поверхность прогреваются до таких же показателей, но с противоположным знаком (Куминова и др., 1985).
Распределение осадков по территории чрезвычайно неравномерное. При господствующем западном и северо-западном переносе воздушных масс все основные запасы влаги достаются в основном северо-западному обрамлению Тывы за пределами ее территории. Хребет Танну-Ола представляет собой второй барьер, задерживающий остатки влаги северо-западных воздушных течений. В несколько лучшем положении оказываются восточные районы -Тоджинская котловина и Восточно-Тувинское нагорье, в связи с более низкими высотными отметками восточной части Западного Саяна на пути переноса влаги, и северные склоны хребтов Танну-Ола. На территории Хемчикской котловины выпадает в год 200 мм осадков, в Улуг-Хемской - 220 (по различным данным от менее 200 (Андрейчик, 2005) до 243 (Куминова и др., 1985), в Убсу-Нурской - от менее 150 до 190 мм. По отдельным годам общее количество осадков изменяется, что в сочетании с высокими температурами вегетационного сезона определяет длительные засухи. Распределение осадков по сезонам года также неравномерное, большая их часть (до 80 % годовых) выпадает в июле и августе (Носин, 1963; Куминова и др., 1985; Андрейчик, 2005).
В пределах отдельных котловин наблюдаются заметные колебания в количестве осадков. Большое значение имеет конкретная топография котловин - размеры, конфигурация, относительная и абсолютная высоты, рельеф, а также особенности горного обрамления. Периферические приподнятые части Центрально-Тувинской депрессии, расположенные в предгорной полосе, получают значительно больше осадков и характеризуются большей степенью увлажнения климата, чем равнинные пространства центральной части Улуг-Хемской котловины. Эта закономерность подтверждается соответствующими изменениями ландшафта и, в общем, наблюдается во всех других степных котловинах Тывы. Турано-Уюкская котловина, восточная и южная части Центрально-Тувинской депрессии по основным показателям климатического режима сходны между собой и приближаются к условиям зоны засушливых степей. Улуг-Хемская, Хемчикская и частично Убсу-Нурская (в восточной части) котловины отличаются малым атмосферным увлажнением, резкой континентальностью и относятся к зоне сухих степей. Крайняя западная часть Убсу-Нурской котловины выделяется весьма скудным годовым увлажнением и повышенными тепловыми ресурсами лета, создающими здесь режим полупустынной зоны (Носин, 1963).
На фоне общих климатообразующих влияний, ведущая роль в установлении конкретного климатического режима отдельных частей территории также принадлежит рельефу. Абсолютная высота местности, амплитуда относительных превышений или понижений, положение горных хребтов по отношению к главным направлениям воздушных течений, экспозиция и крутизна склонов, степень орографической замкнутости котловин и детали рельефа внутри них - все это во взаимной связи создает многообразие и поразительную контрастность местных (локальных) климатических режимов (Носин, 1963).
Гидрографическая сеть Тывы достаточно густая и образована как речными системами, так и многочисленными озерами. На большей части территории реки принадлежат бассейну Верхнего Енисея, водосборная площадь которого полностью ограничена республикой. Особенно большое количество озёр сосредоточено в Тоджинской котловине (Носин, 1963). Для Тувинской котловины характерно наличие многочисленных озер с повышенной минерализацией воды за счет хлоридов и сульфатов натрия и магния с большим содержанием йода и брома. Озера Хадын, Чедер, Ка-Холь и Дус-Холь имеют бальнеологическое значение (Куминова и др., 1985; Ондар и др., 2000).
Почвенный покров Республики Тыва отличается большим разнообразием и резкой территориальной неоднородностью, отражая собой всю сложность природных ландшафтов и подчёркивая географическую оригинальность этого региона.
Биологические методы в мониторинге степных экосистем
Бесспорно, коренной растительный покров является отражением всего комплекса средообразующих факторов конкретной местности: климат, грунтовые воды, минеральный и механический состав подстилающих пород, топологическое положение - обуславливают развитие специфического, наиболее гармоничного фитоценоза в пределах той или иной территории. Являясь наиболее «гибким» компонентом, и в то же время динамичным фактором природной среды, живое вещество быстро приспосабливается к новым условиям, и после этого происходит постепенная перестройка других её компонентов. Поэтому, при изменении нагрузки на экосистему (ландшафт), происходящие изменения находят своё отражение в растительном покрове; почвы же при этом долгое время могут сохранять черты изначального состояния системы. Промежуточное значение при оценке изменения экосистем между исходным её состоянием, запёчатлённым почвой, и текущим, отражаемым растительным покровом, - то есть то самое существенное и фактическое (а не динамическое) изменение экосистемы, наиболее удачно идентифицируется почвенными животными и микроорганизмами, их биомассой, составом и активностью (они с одной стороны тесно связаны с растительностью, с другой - «защищены» почвой); эти показатели в сумме являются интегральным отражением биологического круговорота вещества в наземной экосистеме.
Круговорот веществ в экосистеме представляется в виде непрерывной смены процессов синтеза и распада биомассы. Функцию синтеза выполняют автотрофные организмы, а функцию распада осуществляет почва всей совокупностью населяющих её гетеротрофных организмов. Высвобожденные минеральные элементы из отмершего органического вещества, разложенные гетеротрофами, обеспечивают синтез новой биомассы в следующем цикле экосистемного круговорота (Эксперимент «Убсу-Нур», 1995).
Степи, как и другие травяные экосистемы, находятся в непрерывной сукцессии, так как видовой состав их биоты зависит от режима использования, в особенности от их пастбищной нагрузки, которая всегда присутствует и часто меняется. Сукцессионные смены видового состава степного сообщества являются причиной устойчивости продукционно-деструкционных процессов биологического круговорота, так как при любом наборе автотрофов происходит образование первичного органического вещества, и соответственно при любом наборе гетеротрофов происходит его деструкция, и освобождаются элементы питания.
Запас подземной фитомассы сухих степей представляется важнейшей характеристикой. Весь подземный ярус - хранилище биоразнообразия степей. Здесь хранятся семена - генетический фонд сообщества. Здесь виды переживают неблагоприятные для зелёной фитомассы не только короткие периоды мороза и засух, но и длительные периоды избыточной пастбищной нагрузки. В подземном ярусе заключён механизм, обеспечивающий упругость степной экосистемы, то есть способность восстанавливать структуру и функции после их нарушения под влиянием стрессирующего воздействия (Титлянова, 2002).
Основной источник гумусовых веществ в травяных экосистемах - корни травянистой растительности. Главная роль в минерализации и гумификации растительных остатков в толще почвы принадлежит микроорганизмам. Углерод гумуса составляет в различных почвах до 90 %, а углерод, заключенный в микробной биомассе, - не более 4 % от общего запаса почвенного органического вещества. Но запасы гумуса в почвах бесспорно являются интегральным итогом длительной деятельности почвенной микрофлоры: разложения корневых остатков, продукцией микробной биомассы и ее разложения после гибели микробных клеток. Таким образом, соотношение запасов углерода в гумусе, живых и мертвых корнях и микробной биомассе является важной характеристикой состояния степной экосистемы и дает возможность оценить характер ее функционирования (Якутии и др., 1996; Аристовская, 1980; Тейт, 1991; Anderson, 1989).
Каштановые почвы являются зональным типом почв сухих степей. На некосимых и не вытаптываемых пастьбой степях растительность, вследствие сухости осени, высыхает и остаётся зимовать на корню, не опадая и не прибиваясь к земле слабыми зимними снегопадами, лишь впоследствии, весной, «ветошь» разрушается, и мелкие остатки растений в значительной части разносятся ветром. Таким образом, надземная масса растительности очень мало участвует в образовании органического вещества почвы (Эксперимент «Убсу-Нур», 1995). 80 % общего запаса фитомассы, как и в настоящих степях, приходится на долю корней (Гунин и др., 1998).
Малое количество выпадающих осадков и интенсивное их испарение приводят к воздушной и почвенной засухе, ввиду чего развивается скудная ксерофитная растительность. В результате формируются почвы с незначительным содержанием гумуса. Высокие летние температуры в период выпадения летних осадков способствуют высокой напряжённости микробиологических процессов, вызывающих глубокую минерализацию органического вещества. Такие природные условия обеспечивают формирование в каштановых почвах своеобразных микробиоценозов и определённую направленность микробиологических процессов в них.
Большинство исследователей каштановых почв отмечают высокую численность в них микроорганизмов (бактерий и актиномицетов) и указывают на специфический состав различных групп микроорганизмов, присущий этим почвам. Почти постоянный дефицит влаги в зональных почвах сухих степей и полупустыни обуславливает развитие таких форм микроорганизмов, которые легче переносят неблагоприятные условия окружающей среды, а именно спорообразующих бактерий и актиномицетов.
Различные генетические горизонты каштановой почвы заметно различаются по составу и численности отдельных групп микроорганизмов. В верхнем гумусовом горизонте наиболее высокая численность бактерий, актиномицетов и грибов и наибольшее видовое разнообразие основных групп микроорганизмов. Вниз по профилю каштановой почвы резко снижается численность всех групп микроорганизмов, причём наиболее резко уменьшается количество бактерий и грибов, и несколько более плавно - число актиномицетов. Заметное увеличение удельного веса актиномицетов в общем содержании микроорганизмов вниз по профилю изучаемой почвы вероятно связано с наличием минеральных форм азота не только в верхних, но и в нижних горизонтах, и объясняется аэробными условиями во всём профиле каштановой почвы. Бедность почвы органическим веществом обуславливает также существенное преобладание числа бактерий, использующих минеральный азот, над количеством бактерий, потребляющих органические формы азота, причём в нижних горизонтах величина коэффициента минерализации, как правило, увеличивается. Высокий температурный режим и острый дефицит влажности в зоне сухих степей обусловливают, с одной стороны, невысокую общую численность микроорганизмов, с другой - высокую напряжённость микробиологических процессов в моменты благоприятного сочетания температуры и влажности, способствуя глубокой минерализации органического вещества (Клевенская и ДР, 1970).
Почвенное дыхание. Эмиссия СО из почвы (дыхание почвы) является одним из важнейших показателей состояния подземного яруса наземной экосистемы и часто рассматривается в качестве показателя функционального состояния экосистемы в целом. Интенсивность выделения СОг из почвы также можно рассматривать как важнейший показатель биологической активности данной почвы (Стратонович, 1975; Гришина, 1976; Мирчинк, 1985; Казеев, 2003), который в последнее время все активнее используется в практике геоэкологического мониторинга, являясь чутким индикатором антропогенного воздействия на экосистемы.
Основное выделение СОг из почвы происходит за счет дыхания микроорганизмов и корней растений. Корневое дыхание, как считается, составляет 1/3 от общей величины дыхания почвы (Кудеяров и др., 1995). Вклад микробного дыхания в общий поток С02 превышает 50% (Кудеяров, 2005). Вклад почвенной фауны в общую продукцию углекислоты почвой оценивается менее, чем в 2 % (Кобак, 1988).
Во многих исследованиях показано, что дыхание почвы зависит от почвенных и погодных условий, видового состава и густоты растительного покрова, физиологического состояния растений и микробных сообществ (Наумов, 2009). Сезонная динамика интенсивности выделения СОг определяется температурой и влажностью почвы, причем колебания температуры и влажности обуславливают от 30 до 90%) вариации выделения С02 из почвы в течение вегетационного сезона (Кудеяров и др., 2007). Известно, что переувлажнение почв приводит к снижению эмиссии С02. Так, например, показано, что осенью влажность почвы оказывает отрицательное действие на выделение С02 (Иванникова, 1988).
Турано-Уюкская котловина
В пределах Турано-Уюкской котловины располагается Турано-Уюкский лиственничный лугово-степной округ, занимающий в пределах проведённых в процессе составления картосхемы границ равнинную часть котловины.
Его площадь 130,2 тыс. га. Рельеф горно-долинный, с развитой системой пойменных и надпойменных террас в сочетании с холмисто-увалистыми предгорьями хребтов. Климат резко континентальный. Среднегодовая температура воздуха минус 3,0 С, января - минус 34,9 С, июля - плюс 16,9 С. Годовая сумма осадков 331 мм, около 70 % выпадает с апреля по октябрь. Господствующие типы растительности - степи, луга и леса. Западная и отчасти центральная части котловины заняты долинными, преимущественно заболоченными осоковыми, хвощево-ситниковыми и вейниковыми лугами, которые покрывают 16,5 % площади. Из-за более мягких климатических условий в степях Турано-Уюкской котловины по сравнению с Центрально-тувинскими преобладают крупно-дерновинные настоящие и разнотравно-злаковые лугово-степные группировки. Степные сообщества в сочетании с остепненными лиственничниками формируют характерный для котловины лесостепной ландшафт в предгорьях, начиная с высоты 1200 м (Куминова, и др., 1985).
Картосхема природных и антропогенно-трансформированных территорий Турано-Уюкской котловины изображена на рисунке 9. Центральная часть котловины изображена на рисунке 10.
Локальные условия (точнее локальное разнообразие) определяются морфологией ландшафта и выражаются в закономерном наборе участков, различающихся по микроклиматам, уклонам поверхности, естественной дренированности, почвенным разностям и другим местным особенностям. Эти участки, соответствующие морфологическим подразделениям ландшафта, с сельскохозяйственной точки зрения представляют собой типы земель или естественных угодий, и в совокупности образуют земельный фонд данного ландшафта (Исаченко, 1991).
На рисунке 11 можно проследить характерную для котловины локальную дифференциацию эпигеосферы и соответствующее ей распределение экосистем по элементам рельефа.
Так северные склоны окружающих гор и возвышенностей в пределах Турано-Уюкской котловины заняты в основном массивами хвойных, преимущественно лиственничных лесов (5 на рисунке 11), степные экосистемы южных склонов и подножий используются в качестве пастбищ (7). Прямые линии пашен и залежей на тёмно-каштановых и чернозёмных почвах отграничивают основную площадь равнинной степной части котловины (9, 10). Пониженные участки, находящиеся под непосредственным влиянием водных объектов, заняты различными сочетаниями пойменных, луговых, болотных, лесных экосистемам (4). Деградированные пастбища расположены в основном вблизи водных объектов и населённых пунктов в равнинной части котловины (11).
В таблице 7 приведены площади выделенных природных и антропогенно-трансформированных экосистем.
Общая площадь котловины в проведённых границах составила 2 072,8 км . Пересечённые и находящиеся под сравнительно большим уклоном участки горных склонов окружающих котловину хребтов, их отрогов, а также возвышенностей в пределах котловины занимают 932,5 км - почти половину общей площади котловины. 42,4 % от оставшейся равнинной территории занимают пашни и залежи; 23,7 % - степные экосистемы, используемые в основном в качестве пастбищ; 20 % равнинных территорий занимают гидроморфные и полугидроморфные экосистемы, значительная часть из которых представлена лесной и кустарниковой растительностью.
Растительный покров речных долин в Тыве представляет собой сочетание лесов, зарослей кустарников, лугов (настоящих остепненных, заболоченных) и степной растительности по повышениям. Формирование тех или иных типов лугов зависит от характера и переменности увлажнения. Они имеют комплексное использование (используются в качестве сенокосов, пастбищ, в рекреационных и других целях), часто преобладающий вид меняется от года к году (Куминова, и др., 1985). Полугидроморфные леса формируются в периодически переувлажняемых биотопах. На протяжении значительной части вегетационного периода корненасыщенные (до 25 - 30 см от поверхности) горизонты почвы находятся в подтопленном состоянии (Горожанкина, 1986). В различной степени заболоченные территории (5,7 % равнинной территории котловины), а также водные объекты выделены отдельно.
В связи с тем, что основная часть равнинных территорий в Турано-Уюкской котловине занята пашнями и залежами, многие наиболее доступные площади степей на равнине и подножьях склонов испытывают чрезмерную пастбищную нагрузку. Площади нарушенных травяных экосистем в Турано-Уюкской котловине в 2010 году составили 52,4 км2.
Перевыпас приводит вначале к снижению жизненности кормовых растений, появлению отдельных видов, имеющих меньшее кормовое значение, затем к смене доминантов фитоценозов и, наконец, к полному уничтожению спонтанной растительности, ее замене на рудеральную или лишенную растительности толоку. Однако помимо таких долговременных изменений растительности пастбищ, в отдельные годы может быть констатировано уменьшение фитомассы, связанное с временным перевыпасом. В этих случаях исходное состояние растительности быстро восстанавливается после прекращения выпаса и при благоприятных условиях увлажнения (Гунин, Востокова, Матюшкин, 1998).
По данным дистанционного зондирования была проведена оценка изменений, произошедших в хозяйственном использовании территорий котловины с 1991 по 2010 год. На рисунке 12 представлен небольшой участок равнинной части котловины в окрестностях посёлка Суш.
За исследуемый период времени (20 лет) в котловине произошло резкое сокращение площади пашни. Контуры нарушенных экосистем меняются. Некоторые экосистемы успевают восстанавливаться после снятия нагрузки, другие же участки наоборот деградируют.
В результате проведённого исследования установлено, что в период с 1991 по 2010 год площадь пашни в Турано-Уюкской котловине Республики Тыва уменьшилась, а площадь залежей соответственно увеличилась более чем в шесть с половиной раз. В то же время, в равнинной части котловины продолжается постепенное увеличение площади деградированных пастбищ (рис. 13).
В 1991 году площадь пашни составляла 422,8 км2, к 2002 году она сократилась в 4 раза, и составила 112,4 км2, а в 2010 году - 62 км2. Площадь залежей за исследуемый период изображения становятся достаточно близки по спектральным характеристикам с окружающей целинной степной растительностью.
Улуг-Хемская котловина
Исследование было проведено в трех сериях объектов, расположенных в равнинной части котловины. На рисунках 29, 30 и 31 отображены показатели базального дыхания и биомассы микроорганизмов в почвах степных экосистем Улуг-Хемской котловины, исследованных в 2009 году. В первой серии объектов биомасса микроорганизмов и базальное дыхание в почвах степных экосистем, на деградированных пастбищах (сбой), испытывающих постоянную чрезмерную нагрузку, оказываются ниже, чем на пастбище под умеренной нагрузкой (рис. 29).
Во второй и третьей сериях объектов, также как и в первой серии, и биомасса и базальное дыхание на деградированном пастбище под постоянной сильной нагрузкой оказались ниже, чем на пастбище под умеренной нагрузкой (рис. 30,31).
Оценка изменения биомассы микроорганизмов и показателя базального дыхания в почвах исследуемых экосистем в зависимости от различных факторов была проведена с помощью дисперсионного анализа. Помимо влияния пастбищной нагрузки, а также положения серий объектов исследования в степных экосистемах, интересно было также оценить, насколько обособленные в процессе исследования выделы травяных экосистем отличаются между собой по изучаемым показателям. Оказалось, что и биомасса микроорганизмов, и базальное дыхание в почвах степных экосистем, расположенных на пересечённых предгорных участках и горных склонах, оказались выше, чем в степных экосистемах, находящихся на пологих участках в равнинной части котловины (рис. 29, 30, 31).
Влияние конкретного вида исследуемой травяной экосистемы на биомассу микроорганизмов, а также на базальное дыхание почв достоверно на уровне 99,9 %. Влияние глубины отбора образцов на исследуемые показатели также оказалось достоверным на высоких уровнях значимости. Влияние взаимодействия этих факторов на микробную биомассу достоверно на уровне 95 % (рис. 32).
Даже в пределах травяных экосистем, находящихся в центральной части Улуг-Хемской котловины на небольшом расстоянии друг от друга и используемых в качестве пастбищ, микробная биомасса и базальное дыхание почв зависят от конкретного вида экосистем даже больше, чем от глубины по профилю почвы.
Влияние пастбищной нагрузки на биомассу почвенных микроорганизмов. Точки 1а, 2, 3 и 4 расположены в равнинной части котловины, в степных экосистемах. В точках 1а и 3 находятся сильно деградированные («сбитые») пастбища, испытывающие постоянную экстремальную нагрузку. В точках 2 и 4 - пастбища под умеренной нагрузкой. При этом точки 1а и 2 расположены вблизи минерального источника; а точки 3 и 4 - в окрестностях посёлка Суг-Бажи (рис. 29, 30).
В слое 0-10 см микробная биомасса на сбитых пастбищах ниже, чем на пастбищах под умеренной нагрузкой примерно на 7 %. В слое 10-20 см, С-микобобиомассы на сбитом пастбище ниже, чем в степной экосистеме под умеренной нагрузкой на 8 - 60%.
Результаты дисперсионного анализа показали, что влияние интенсивности пастбищной нагрузки, а также глубины по профилю почвы на биомассу микроорганизмов в равнинных степных экосистемах Улуг-Хемской котловины достоверно на уровне 99,9 % (рис. 33).
Под разницей в местоположении серий понимается следующее: экосистемы в точках 1а и 2, расположенные вблизи источника, сформировались в одинаковых условиях и отличаются только пастбищной нагрузкой (серия 1). Аналогично, точки 3 и 4 также отличаются только интенсивностью пастбищного использования (серия 2). На созданных картосхемах точки 1 а и 2 принадлежат к выделу «нарушенные степные экосистемы», точки 3 и 4 -принадлежат к выделу «степные экосистемы на равнине». Результаты дисперсионного анализа свидетельствуют, что разница в местоположении выбранных серий экосистем не оказывает статистически достоверного влияния на полученный показатель (рис. 33).
Таким образом, биомасса микроорганизмов на сбитых, полностью деградированных равнинных степных пастбищах вблизи населённых пунктов и водопоев Улуг-Хемской котловины ниже, чем на пастбищах под умеренной нагрузкой, расположенных в аналогичных природных условиях.
Влияние пастбищной нагрузки на показатели базального дыхания. В слое почвы 0-10 см в почвах экосистем, расположенных на сбитых пастбищах (точки 1а и 3), базальное дыхание значительно ниже, чем на пастбищах под умеренной нагрузкой (рис. 29, 30). Влияния силы пастбищной нагрузки, а также глубины по профилю почвы на данный показатель достоверны на уровне 99,9 %.Влияние местоположения исследуемых экосистем на значение базального дыхания почв, также как и на биомассу микроорганизмов, не выявлено (рис. 34). Это свидетельствует о том, что ключевые участки для изучения влияния пастбищной нагрузки на степные экосистемы, находящиеся в равнинной части Улуг-Хемской котловины, были выбраны верно.
Отличия между различными выделами травяных экосистем оказывают достоверное и существенное влияние на исследуемые показатели, а выбор серий экосистем внутри одного выдела такого влияния не оказывает, это ещё раз подтверждает, что представленная классификация в целом верна и выделы травяных экосистем при составлении картосхемы обособлены правильно.
Сочетание используемых дистанционных и контактных методов является хорошей основой для экологического мониторинга межгорных котловин Внутренней Азии. При увеличении пастбищной нагрузки на степные экосистемы, сначала происходят изменения в соотношении надземной и подземной фитомассы, часть подстилки при этом может втаптываться в почву, вслед за уничтожением надземных, может происходить отмирание части подземных органов растений. Затем происходит постепенное изменение соотношения и состава видов растений, часть из них отмирает, на их месте поселяются другие. Всё это приводит к увеличению интенсивности деструкционных процессов в почве. Поэтому на пастбищах под сильной нагрузкой обычно происходит рост как биомассы почвенных микроорганизмов, так и их активности.
При полной же деградации экосистемы происходит резкое уменьшение как покрытия растительности, так и её подземной биомассы, а также и ухудшение условий в почве (например, как в рассмотренных экосистемах в точках 1а и 3). На таких участках в центральной части Улуг-Хемской котловины происходит снижение биомассы и базального дыхания.
Эти закономерности можно использовать, например, для опознания деградированных участков по сравнению с экосистемами, подвергшимися временному перевыпасу, на которых стравлена надземная часть растительности.
Влияние характера сельскохозяйственного использования на исследуемые показатели. В 2010 году в центральной части Улуг-Хемской котловины производился отбор образцов в степных экосистемах, испытывающих различную хозяйственную нагрузку - нарушенного пастбища (точка 6); пастбища под умеренной нагрузкой (точка 7) и залежи, возрастом около 20 лет (точка 8). Точка 6 расположена на том же «сбитом» пастбище, что и точка 1а, в которой образцы отбирались в 2009 году; в точке 7 находится та же экосистема, из которой отбирались образцы в точке 2 в 2009 году.
На рисунке 35 отображены значения биомассы почвенных микроорганизмов и базального дыхания почв в исследуемых экосистемах.
Похожие диссертации на Геоэкологическая оценка территорий межгорных котловин Тывы на основе дешифрирования космических снимков
-
-
-
