Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема опустынивания пастбищ - естественные и антропогенные факторы 11
1.1. Анализ изменения климата и его прогноз 11
1.2. Климат и механизмы опустынивания 30
1.3. Проблема опустынивания пастбищ Северо-Западного Прикаспия 35
2. Концепция восстановления фиторесурсов аридных пастбищ в условиях меняющегося климата 55
3. Программно-методическая основа работы 67
3.1. Объекты наблюдений 67
3.2. Программа и методика исследований 72
3.3. Методика выявления и картографирования агроклиматических аномалий 81
4. Биоклиматические ресурсы северо-западного прикаспия 87
4.1. Солнечная активность и её влияние на климатические ресурсы 87
4.2. Агроклиматические аномалии и флуктуации современного климата на территории Северо-Западного Прикаспия 98
4.3. Оценка биоклиматических параметров в длинных радах метеонаблюдений 115
4.4. Агроклиматическая оценка пастбищ Северо-Западного Прикаспия
(на примере Черноземельских пастбищ Р.Калмыкия) 130
4.5. Прогноз изменения биоклиматических ресурсов 146
5. Продукционные возможности пастбищных экосистем северо-западного прикаспия 160
5.1. Биоразнообразие пастбищных и лесопастбищных аридных экосистем Северо-Западного Прикаспия 160
5.2. Продуктивность растительного покрова деградированных пастбищ Северо-Западного Прикаспия 192
5.3. Оценка продуктивности лесопастбищных фитоценозов Северо-Западного Прикаспия 212
5.4. Особенности формирования (структура) фитомассы в доминирующих растительных ассоциациях 228
6. Повышение продуктивности пастбищ методами интродукции (на примере Терско-Кумского междуречья) 23 7
6.1. Адаптационные особенности видов семейства маревых в естественном ареале и актуальность их использования в Терско-Кумском междуречье 237
6.2. Биопродуктивность кустарников и полукустарников семейства маревых в условиях Терско-Кумского междуречья 245
6.3. Особенности репродуктивного развития интродуцентов 261
6.4. Непродуктивное поведение (водный режим) видов семейства
маревых 270
7. Фитоэкологический потенциал галофитной растительности 286
7.1. Фитоэкологические особенности деградированных пастбищных фитоценозов на засоленных землях 286
7.2. Фитогенное влияние галофитов на окружающую среду 295
7.3. Толерантность фитомелиорантов к хлоридному засолению 302
8. Кормовые ресурсы аридных пастбищ 314
8.1. Зоотехническая пригодность растений Северо-Западного Прикаспия и
их экологическая безопасность для животных 314
8.2. Оценка кормовых достоинств интродуцированных видов семейства маревых и перспектива их применения 339
9. Трансформация малопродуктивных земель в высоко продуктивные пастбищные и лесопастбищные экосистемы 346
9.1. Лесопастбищные экосистемы. Модель растительных ценозов, устойчивых к биотическому воздействию 346
9.2. Агроклиматический прогноз фитомелиоративных работ и определения урожайности пастбищ (на примере Черных земель) 356
9.3. Повышение продуктивности пастбищ с использованием интродуцированных видов семейства маревых 3 63
9.4. Перспективы обогащения пастбищных экосистем солеустойчивыми фитомелиорантами 371
9.5. Ассортимент перспективных растений для пастбищ Северо-Западного Прикаспия в условиях меняющегося климата 380
9.6. Эколого-экономическая оценка лесопастбищного природопользования (на примере Черных земель) 384
Выводы и предложения производству 390
Литература 395
Приложения 438
- Проблема опустынивания пастбищ Северо-Западного Прикаспия
- Методика выявления и картографирования агроклиматических аномалий
- Агроклиматические аномалии и флуктуации современного климата на территории Северо-Западного Прикаспия
- Продуктивность растительного покрова деградированных пастбищ Северо-Западного Прикаспия
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современной мировой практике в связи с глобальным изменением климата и интенсификацией процессов опустынивания остро стоит задача разработки и внедрения эффективного управления природно-ресурсным потенциалом, которая позволяет отказаться от ресурсозатратных технологий и гибко манипулировать уровнем антропогенной нагрузки на экосистемы, сохраняя почвенные и растительные ресурсы аридных территорий.
Стратегии, обозначенные в «Устойчивом развитии общества. Повестка дня на 21 век», 1993; «Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием», 1994; «Конвенции сохранения биологического разнообразия», 1997, направлены на разработку мероприятий, уменьшающих угрозу опустынивания от климатических и антропогенных факторов, повышающих биоразнообразие и качество жизни, являются актуальными для СЗ Прикаспия, где доминируют деградированные пастбища, с которых ежегодно недобирается около 888 тыс. т. к.е. (В.И. Петров, 1999).
В результате интенсивной эксплуатации пастбищ, используемых без учета особенностей биоклиматического потенциала и неблагоприятных эдафических условий, развитие опустынивания и деградация растительного покрова зафиксированы на 60 % территории региона, где уменьшилось биоразнообразие и продуктивность, дефицит белка в корме составил 10-12 %.
Необходимость применения адаптивного ландшафтного природопользования обоснована многими учеными (Н.С. Орловский, Н.Г. Харин, 1987; В.И. Петров 1986; В.П. Зволинский, И.П. Кружилин и др., 2001; К.Н. Кулик, Е.С. Павловский, 2003; И.П. Свинцов, 2003; Д.А. Черняховский, 2002 и др.) и получила развитие в виде лесомелиоративного обустройства аридных ландшафтов в НПДБО (Национальная программа действий по борьбе с опустыниванием).
Актуальность работы определяется недостаточной изученностью вопросов изменения биоклиматических ресурсов СЗ Прикаспия и необходимостью повышения ёмкости абиотической среды, биоразнообразия и продуктивности.
НИР проводились в рамках тематического плана ВНИАЛМИ (№ Госрегистрации: 0186.0 090211; 01.9 400 06 317; 01.960. 009787; 01.2.00 109314; 01.2.006 11909"), хоздоговорных тем, ГК № 949/13.
Цель и задачи исследований. Целью работы являлась разработка научно-практических основ адаптивного использования агроэкологических ресурсов, включающая оптимизацию состава флоры и повышение продуктивного долголетия аридных пастбищ в условиях опустынивания.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- провести оценку биоклиматических ресурсов СЗ Прикаспия с учетом динамических изменений метеопоказателей: осадков, температуры воздуха и др., а также индексов увлажненности и аридности;
- разработать методику выявления и картографирования агроклиматических аномалий с использованием критериев и параметров, определяющих агроэкологическую неоднородность территории;
- изучить особенности опустынивания пастбищных экосистем и дать долгосрочный прогноз изменения биоклиматических ресурсов;
- установить продукционные возможности пастбищных и лесопастбищных экосистем, включающие оценку биоразнообразия и особенности формирования фитомассы в аэротопе доминирующих растительных ассоциаций разной степени деградации;
- провести комплексный анализ (биопродуктивность, особенности водного режима, семенной продуктивности и др.) кустарников и полукустарников семейства маревых с целью выявления адаптационных возможностей видов и их использования для стабилизации деградированных пастбищ;
- изучить фитоэкологический потенциал аборигенных и интродуцированных галофитов, включающий разработку шкалы их солеустойчивости;
- разработать способы управления кормовыми ресурсами аридных пастбищ и лесопастбищ на основе видовых и фитоценотических особенностей накопления питательных веществ (макро- и микро- элементов) и зоотехнической пригодности корма;
- разработать модель многоярусного растительного ценоза, базирующуюся на фундаментальных биологических законах и ресурсосберегающих технологиях, позволяющую увеличить урожайность в 1,5-2 раза и продуктивное долголетие до 30-40 лет через оптимизацию состава жизненных, ботанических и экологических групп растений с применением прогноза проведения фитомелиоративных работ.
Объекты исследований и фактический материал
В основу работы положены 25-летние (1983-2008 гг.) авторские исследования (или с его участием) по изучению пастбищных экосистем и разработке методов, предотвращающих их опустынивание, повышающих продуктивность и биоразнообразие, а также опубликованные данные других исследователей, обобщенные и интерпретированные соискателем.
Объектами исследований являлись виды и растительные сообщества аридных пастбищных и лесопастбищных экосистем СЗ Прикаспия, Среднеазиатских стран СНГ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- сформулирована концепция восстановления фиторесурсов аридных пастбищ в условиях опустынивания;
- впервые разработана методика и выявлены агроклиматические аномалии гумидизации и аридизации, позволяющие по-новому оценить агроклиматический потенциал региона, как объекта мелиорации;
- проведена комплексная оценка вековой динамики биоклиматических ресурсов и впервые составлен долгосрочный региональный прогноз с учетом неоднородности увлажнения и тенденцией изменения метеофакторов;
- проведен мониторинг (40 лет) состояния Черноземельских пастбищ, включающий оценку агроклиматических, фитоценотических, продукционных показателей и выявление лимитирующих фактов;
- установлены фитоценотические критерии и количественные показатели по 4 степеням деградации растительного покрова, позволяющие проводить качественную диагностику и регулировать антропогенную нагрузку;
- впервые для пастбищных экосистем выявлены типы распределения фитомассы в аэротопе: приземный, центральный, верховой, бипиковый, определяющие продуктивность и биоразнообразие сообщества, позволяющие целенаправленно уплотнять фитообъем;
- расширены биоэкологические познания о лесопастбищных экосистемах в области биоразнообразия, состава экологических групп, формирования фитоценотиче-
ской продуктивности и энергообеспеченности;
- впервые установлены особенности трансформации деградированных пастбищных экосистем под влиянием галофитов аккумулирующего, пассивного, галодисперусного влияния на экотоп. Изучена толерантность 27 видов к хлоридному засолению, разработана шкала их солеустойчивости;
- впервые проведен фитоценотический анализ накопления питательных веществ и макро- и микроэлементов в системе лесопастбищ и их соответствие доминирующей мясо-шерстной породе овец;
- выявлены аут- и дэмэкологические уровни адаптации длительновегетирующих видов семейства маревых, впервые испытанных в условиях Терско-Кумского междуречья: солянок (восточной, малолистной, Палецкого), образцов различного географического происхождения: солянки Рихтера, камфоросмы Лессинга, кохии простертой и установлены потенциальные экологические ниши их применения;
- разработана Модель устойчивых растительных сообществ, позволяющая конструировать мозаичность, ярусность аэротопа, состав эколого-ботанических групп, контролировать параметры антропогенной нагрузки;
- для фитомелиорации деградированных пастбищ рекомендуется ассортимент аборигенных и интродуцированных видов с учетом лесомелиоративных категорий и индивидуальных биоэкологических характеристик.
Достоверность основных выводов и рекомендаций обоснованы и подтверждены многолетними наблюдениями, экспериментальными исследованиями, проведенными лично автором, а также обобщения данных других исследователей, с использованием современных методологических подходов и компьютерной обработки фактического материала.
Практическая значимость и реализация полученных результатов
Обоснованность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждены при разработке и реализации проектов по улучшению экологического состояния деградированных пастбищ: рабочий проект Краснодарского филиала «Союзгипролесхоз» по улучшению деградированных сильносбитых пастбищных земель Терско-Кумской географической провинции от 4.07.1990 г.; ГНТП «Глобальное изменение природной среды и климата. Оценка влияния изменения климата на естественные сухопутные и агроэкосистемы», 1991-1995 гг.; «Научное обеспечение Генеральной схемы борьбы с опустыниванием Черных земель и Кизлярских пастбищ», 1993-1995 гг., «Разработать модели устойчивых защитных лесонасаждений на засоленных пастбищах пустынно-степной зоны Астраханской области» №8 от 15.05.2001г.; «Технология восстановления и адаптивного лесоаграрного освоения агроресурсного потенциала опустыненных земель аридного пояса России» - лучшая завершенная научная разработка в области АПК России 2005 г.; «Разработка новых и улучшенных технологий фитолесомелиораций и адаптивного лесоаграрного освоения агроресурсного потенциала деградированных и опустыненных земель аридной зоны России» ГК №949/13 от 11.08.2006 г.
Результаты работы отражены в нормативных документах: Рекомендации по обогащению аридных пастбищ новыми видами кормовых древесных растений (Волгоград, 1990), Агроресурсный потенциал Черных земель и Кизлярских пастбищ. Атлас тематических карт (Волгоград, 1996), Концепция адаптивного лесоаграрного природопользования в аридной зоне (Волгоград, 1996), Атлас опустынивания сельскохозяйственных угодий Российского Прикаспия (Волгоград,1999), Рекомендации по форми-
рованию лесопастбищ в аридной зоне (Москва-Волгоград, 2000), Рекомендации по обогащению лесопастбищ растениями многоцелевого назначения (Волгоград, 2002).
Основные положения, выносимые на защиту:
- концептуальные основы восстановления фиторесурсов деградированных пастбищ;
- анализ биоклиматических ресурсов региона, влияния их пространственно-временных флуктуаций на дестабилизацию и восстановление пастбищных экосистем;
- оценка влияния экологических факторов на сукцессионные изменения и структуру аэротопа растительного покрова пастбищ;
- научные основы оптимизации фиторесурсов при лесопастбищном освоении деградированных земель;
- эколого-биологические аспекты адаптации и использования длительновегетирующих интродуцентов семейства маревых;
- особенности трансформации засоленных пастбищных угодий и биомелиоративные ресурсы галофитов;
- модель устойчивого пастбищного ценоза.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на конференциях, совещаниях, семинарах, курсах: международных (Ашхабад, 1987; Минск, 1987; Астрахань-Волгоград, 1994; Волгоград, 1998, 2000, 2001, 2004; Москва, 1999, 2005; Соленое Займище, 2003; Саратов-Ухань-Гавлстон, 2006), международных учебных курсах ЮНЕП (Волгоград, 1995); региональных и межрегиональных (Волгоград, 1985, 1986, 1988, 1990, 1999, 2001, 2005; Пушкино, 1988; Волгоград-Нефтекумск, 1998; Соленое Займище, 1999, 2000).
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов и предложений производству, списка литературы (506 источников, из них 17 на иностранном языке). Работа изложена на 498 стр., включает 94 таблицы, 86 рисунков, 34 приложения на 60 стр.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 53 работы общим объемом 25,5 усл. печ. л., в том числе 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов докторских диссертаций. Доля соискателя в 29 совместных работах составляет 30-80 %.
Автор выражает глубокую признательность за оказанную помощь научному консультанту - академику РАСХН В.И. Петрову, член.-корр. РАСХН З.Ш. Шамсутдинову, докторам с.-х. наук: Е.А. Гаршиневу, А.В. Семенютиной, И.Н. Пеньковой, сотрудникам отдела лесоаграрного освоения аридных территорий, Ачикулакской и Калмыцкой НИЛОС, Богдинской НИАГЛОС.
Проблема опустынивания пастбищ Северо-Западного Прикаспия
А.В. Кислов [193] полагает, что долгопериодные колебания климата развиваются за счет того, что в климатической системе взаимодействуют элементы с разной инерционностью, а таюке за счет автоколебаний климатической системы. Поэтому, например, влияние термического режима на снежный покров имеет почти синхронный отклик, а материковые льды, альбедо, карбонатная система реагируют достаточно медленно, то есть имеют запаздывающий характер. А когда вариации - наклонения и прецессии - оказываются согласованными, возникающие аномалии солнечной активности служат реальным механизмом, вызывающим перестройку климата.
Опустынивание представляет собой не просто определенное экологическое изменение среды, а аридное изменение [260]. Сегодня отсутствует некий единый коэффициент аридности, позволяющий разработать универсальную шкалу аридности, пригодную для разных природных условий с точки зрения предрасположенности их к аридизации территории.
К наиболее значимым отечественным способам [260] определения степени увлажнения (индикатор аридности) природного комплекса следует отнести: гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова, коэффициент увлажнения Н.Н. Иванова, индекс сухости М.И. Будыко, биоклиматический коэффициент A.M. Алпатьева. За рубежом таюке используются сходные показатели - индекс аридности Мартонна, три формулы Кеппена, индексы влажности и аридности Торнтвейта [31, 370]. Однако все они, по мнению B.C. Михеева, А.Т. Напрасникова [260] отражают только степень годового увлажнения и могут лишь косвенно характеризовать влажность почвогрунтов, основного индикационного параметра аридности природных условий.
Но, не смотря на отсутствие унифицированного индекса, их применение позволило выявлять не только временные периоды аридизации климата, но и установить пространственную неоднородность территорий, подверженных опустыниванию, а также строить динамические модели развития процессов опустынивания. Особенно широко это направление стало возможным развивать при использовании компьютер ной обработки метеопоказателей.
Другим важным этапом и направлением в изучении процессов опустынивания являются спутниковые мониторинговые исследования почвенного, растительного покрова, ландшафтов. Дистанционный контроль является необходимым, когда имеешь дело с мониторингом обширных пространств [485].
Сейчас стало понятно, что опустынивание является глобальной экологической деградацией, то есть нежелательным изменением на аридных территориях. Для диагностики уровня опустынивания, какого либо региона необходим анализ тренда изменений параметров земной поверхности, в совокупности с климатическими данными и разновременной серией изображения одной и той же поверхности [72, 229, 324, 485].
Например, исследования [253], проведенные в Мавритании, в стране с самой высокой скоростью опустынивания, позволили отследить начало и дальнейшую эволюцию опустынивания. Согласно данным аэрофотосъемки 1954 г. песок не перемещался, а гребни песчаных холмов были покрыты растительностью, так как ветер был низкой интенсивностью, а уровень осадков высокий (годы «жирных коров»). Снимки 1963-64 гг. выявляют первые признаки активации поверхности песчаных гребней. Около куртин растительности вырастают песчаные бугры. Также увеличивается количество скотобойных троп и скотоводческих сооружений, а на окраинах городов заметны первые признаки песчаных наносов. Фотографии 1964-1980-х гг. выявляют полное исчезновение растительности вдоль скотобойных троп. Тропы (700-800 м/га) пересекают песчаные гребни и заканчиваются в междюнных котловинах, где образуют выбитые круговые очаги опустынивания диаметром 100 м. С 1977 г. наблюдается постоянный рост числа и интенсивности песчаных и пыльных бурь. Их количество в г. Нукчот за 1960-68 гг. достигает максимума - 302 бури, за следующие 26 лет (1969-95гт.) - 4914 бури.
По аналогичному сценарию (во времени и пространстве) развивались процессы опустынивания и на территории СЗ Прикаспия - Черных землях и Кизлярских пастбищах [229], в Восточной Сибири [260], Северной Африке [485] и др. территориях.
A. Gilchrist [505] установил зависимость между аномалиями в количестве осадков в Северной и Центральной Африке с температурными аномалиями воды в тропической части Атлантического океана. Г. Флон [441] отмечал, что повторяющиеся засухи в Суда-но-Сахельской зоне Африки возникают почти одновременно с ослаблением муссонных дождей в северных и центральных частях Индо-Пакистана. В работах [62, 504] показана связь между изменением термического режима отдельных климатических зон и в целом Земного шара, а также пространственном распределении осадков. Так, понижение глобальной температуры приводит к росту осадков в умеренных широтах и уменьшению их в субтропических зонах [504]. К такому же выводу при изучении засухи 60-х годов в Су-дано-Сахельской зоне пришел и R.A. Bryson [506], считающий, что снижение температуры воздуха в высоких широтах даже на 0,3 С, вызывает смещение Азорского антициклона, который продвигает зону внутритропической конвергенции к югу и район Сахеля оказывается под влиянием сухого северо-восточного пассата.
Вероятно, к проблеме опустынивания следует относиться более критично и изучать более детально климатические изменения не только территорий, подверженных опустыниванию, но и достаточно удаленных от них, так как все они представляют единое целое — биосферу.
С практической и теоретической точки зрения значительный интерес представляет эволюционная миграция пустынных земель [31], выявление закономерностей, связанных с климатическими флуктуациями, которые на нашей планете отмечались неоднократно. Палеоданные свидетельствуют, что нагорья Ирана, полуаридные территории Африки и Аравийского полуострова 12-7 тыс. лет назад были более влажными, чем в наши дни. Во многих частях современной тропической Африки в течение последних 5 тыс. лет происходит усыхание, которое отличается неравномерностью во времени и пространстве.
Проблема опустынивания и рационального природопользования требует шире и детальнее изучать [390] динамические процессы, происходящие в экосистемах, чтобы вовремя отследить необратимые изменения, приводящие к катастрофическому состоянию. Поэтому необходимо определять параметры и компоненты устойчивости экосистемы, то есть способность экосистемы сохранять внутренние структурные связи. С точки зрения экологии устойчивое развитие происходит, если функционирование системы происходит внутри определенного коридора, при этом её внутренние свойства сохраняются при внешних и внутренних воздействиях.
Методика выявления и картографирования агроклиматических аномалий
Начиная с третичного времени, климатические условия для существования древесной растительности в Прикаспии постепенно ухудшались, гл.1.
Результатом климатических изменений стала совершенно новая экологическая среда, не пригодная для массивного лесоразведения. Изменения произошли столь серьезные, что на территориях, где раньше были лесные насаждения, теперь можно вырастить лишь разреженные искусственные насаждения из засухоустойчивых пород и (или) при наличии дополнительной водосборной площади в виде микропонижений. Вопрос о лесопригодности абиотической среды для мезофитных лесонасаждений может решаться положительно только при наличии достаточного количества атмосферной влаги (не менее 400 мм) или при наличии корнедоступных грунтовых вод.
Под влиянием климатических и антропогенных факторов фитоценотическая структура растительных сообществ постоянно меняется, максимально адаптируясь к экологической среде.
При благоприятных условиях и оптимальных режимах выпаса сукцессионные изменения (10-20 лет) на пастбищах происходят по прогрессивному типу, то есть происходит увеличение биоразнообразия и живой биомассы.
Неблагоприятные климатические условия (5-7 лет), перевыпас, становятся причиной сукцессионных изменений регрессивного типа, так как уменьшается биоразнообразие и прирост биомассы.
В результате периодических климатических флуктуации и воздействия антропогенного фактора постоянно происходит колебание, смена 2-х типов сукцессионных изменений (прогрессивное-регрессивное). Если эти изменения происходят в рамках абиотической емкости среды, то сохраняется динамическое равновесие системы. Однако не всегда, новые стационарные состояния устраивают человека, как например, в результате опустынивания, когда потенциальный запас биоресурсов существенно уменьшается.
Сукцессионные изменения в фитоценозах как правило идут от мхов, лишайников, а по отношению к высшим сосудистым растениям - от однолетних травянистых к многолетним травянистым и, наконец к древесным видам. Причем самый большой по продолжительности временной отрезок относится к фитоценозам с участием полудре весных и древесных видов, так как продолжительность их жизни наиболее длинная. Поэтому практически во всех природно-климатичесішх зонах устойчивые фитоценозы образованы с доминированием древесных видов. Такие растительные сообщества наименее всего подвержены межгодовым изменениям вследствие климатических флуктуации, здесь создается достаточно стабильный уровень прироста фитомассы и сохраняется видовой состав доминантов и субдоминатнов и др., а значит, создаются все условия для длительного функционирования экосистемы.
Опасность нарушения гомеостатического состояния на аридных территориях существует постоянно, так как при благоприятных климатических условиях создается обманный эффект экологического благополучия и как правило, за этот период наращивается поголовье животных. Наступающий затем период аридизации уменьшает емкость абиотической среды, что отражается в первую очередь на снижении первичной биологической продукции, а количество растительноядных животных остается на прежнем уровне. Такой дисбаланс между биомассой продуцентов и консументов очень часто приводит к деградации пастбищных угодий, крайней степенью которой является опустынивание.
В девственных экосистемах ёмкость среды обитания в первую очередь определяется абиотическими факторами и биоразнообразием продуцентов, способных занимать различные экологические ниши, в том числе дифференцированно по аэротопу и эдафотопу. Консументы фитофаги (также как и другие дикие живые организмы) эво-люционно запрограммированы оставлять страховой запас пищи. Однако, в периоды необоснованно высокой антропогенной нагрузки на пастбища, человек изначально ставит естественные экосистемы вне экологических законов — съедать все, что можно, не оставляя страховых запасов пищи.
Поэтому длительные периоды ресурсозатратной деятельности иногда сильнее влияют на сукцессионные процессы, чем климатические изменения. Они работают как стихийный экологический фактор, к которому растения не могут приспособиться. Соответственно, виды, формирующие маленькое количество семян, семена с небольшим сроком хранения в почве, с коротким жизненным циклом и т.п. и при этом имеющие высокие вкусовые свойства исчезают из травостоя в первую очередь и становятся редкими.
В результате многолетней неадаптированной хозяйственной деятельности и аридизации климата современный растительный покров СЗ Прикаспия представлен эфе мерово-полукустарниковыми сообществами. Такие фитоценозы формируют основную биомассу в весенне-летний и осенний периоды. В период жаркой, сухой погоды, который приходится на середину лета, травостой выгорает и животные страдают от бескормицы. В биоценозах усиливаются конкурентные взаимоотношения, у растений за оставшиеся скудные запасы влаги, у животных за травостой.
В целом современные фитоценозы стали менее привлекательными для сельскохозяйственных животных, так как освобождающиеся экологические ниши были заполнены малосъедобными и рудеральными видами. Растительные сообщества значительно упростились за счет видового обеднения, а также уменьшения количества жизненных форм, являющихся «скелетом» фитоценоза, формирующего биоклимат аэротопа.
Начиная с 1989 года, на многих территориях отмечается прогрессивный тип сук-цессионных изменений, так как улучшились условия увлажнения территории, происходит самозарастание мелких очагов дефляции. Однако как было установлено ранее, продолжительность самовосстановления занимает около 30 лет. Причем из-за дефицита семенного материала наиболее пострадавших видов, их доля, как правило, остается невысокой. Из-за малочисленности они плохо конкурируют с более успешными (рудеральными) и менее востребованными видами.
Изменения растительности южноукраинских подов, И.К. Пачоский [111] связывает с циклами активности солнечных пятен, при которых влаголюбивые растения и ксерофиты «по очереди» находятся в покоящемся состоянии, дожидаясь благоприятных условий. Подобный отклик на изменение климатической системы зафиксирован и на Черных землях, где при более гумидных условиях возрастала доля злаковых видов, а при аридизации доминантами становились полукустарниковые виды.
Исходную информацию для правильного подбора видов и определения структуры агроценоза дают естественные сообщества, где в течение многих сотен лет оттачивались до совершенства взаимоприспособления. Уникальные механизмы адаптации между биотопом и биоценозом в пастбищных экосистемах формировались под влиянием абиотических (засушливый климат, подвижный рельеф, засоленность почвогрунтов и др.) и биотических воздействий (миграционный выпас, землеройная деятельность грызунов). Современные биомы пустынь и полупустынь характеризуются доминированием кустарниковых и полукустарниковых жизненных форм при большой доле участия однолетних видов, способных неблагоприятный период переносить в состоянии семени. Растения, входящие в состав экосистем, необходимо рассматривать не только как неотъемлемый компонент биосферы, производящий органическое вещество, кислород и т.д., но и в качестве местообитания консументов. Поэтому чем выше исходное растительное биоразнообразие экосистемы, тем выше в конечном итоге будет общее биоразнообразие и устойчивость, так как расширяется трофическая сеть, соответственно снижаются межвидовые конкурентные взаимоотношения.
Агроклиматические аномалии и флуктуации современного климата на территории Северо-Западного Прикаспия
Объектами исследований служили виды и растительные сообщества аридных пастбищных и лесопастбищных экосистем Северо-Западного Прикаспия различной степени деградации и хозяйственного использования, а также пастбищные экосистемы Средней Азии стран СНГ, где проводился сбор семян кустарников и полукустарников семейства маревых.
Российский Прикаспий включает Астраханскую, Волгоградскую, Ростовскую области, Ставропольский край, Республики Калмыкию и Дагестан. Эта территория относится к аридной, где любое негативное изменение климата и агрометеоусловий ведет к трансформации природной среды, а, следовательно, к уменьшению биологической продуктивности естественных и измененных экосистем. Выбор объектов исследований определялся целью и задачами работы.
НИР проводились в рамках тематического плана ВНИАЛМИ (№ Госрегистрации: 0186.0 090211; 01.9 400 06 317; 01.960. 009787; 01.2.00 109314; 01.2.006 11909"), ГНТП «Глобальное изменение природной среды и климата. Оценка влияния изменения климата на естественные сухопутные и агроэкосистемы», 1991-1995 гг.; договора «Научное обеспечение Генеральной схемы борьбы с опустыниванием Черных земель и Кизлярских пастбищ», 1993-1995 гг., Госконтракта №949/13 от 11.08.2006 г. «Разработка новых и улучшенных технологий фитолесомелиораций и адаптивного лесо-аграрного освоения агроресурсного потенциала деградированных и опустыненных земель аридной зоны России».
В основу работы положены 25-летние (1983-2008 гг.) авторские исследования (или с его участием) по изучению пастбищных экосистем и разработке методов предотвращающих их опустынивание, повышающих продуктивность и биоразнообразие, а также опубликованные данные других исследователей, обобщенные и интерпретированные соискателем.
Целью работы являлась разработка научно-практических основ адаптивного использования агроэкологических ресурсов, включающая оптимизацию состава флоры и повышение продуктивного долголетия аридных пастбищ в условиях опустынивания.
Исследования влияния климатических и антропогенных факторов на пастбищные и лесопастбищные экосистемы проводились при экспедиционных и рекогносцировочных (наземные, аэрооблеты, гл. 9, приложение 32) обследованиях, также закладывались стационарные учетные площадки, где детально изучался растительный покров. Ключевыми участками для детального изучения растительных сообществ были выбраны пастбищные и лесопастбищные экосистемы: в Терско-Кумском междуречье - Нефтекумский и Степновский районы Ставропольского края; Астраханской области - Богдинское Заволжье, Харабалинский район; Республике Калмыкия - Черноземель-ские пастбища; Волгоградской области - Волгоградское Заволжье и пригородная часть г. Волгограда. Здесь проводились стационарные исследования. Участки отличаются по эколого-климатическим параметрам, растительному покрову и степени деградации. Их объединяют единое целевое использование, а именно, здесь проводится выпас овец, крупно-рогатого скота (КРС) и других домашних животных. На естественных пастбищных экосистемах в период исследований проводился нерегулируемый выпас животных. На лесопастбищных экосистемах осуществлялся: регламентированный выпас - Махмудское лесничество, Богдинский стационар; Иргаклинское лесничество с заповедным режимом, где выпас домашних животных не проводился.
В естественных условиях было проведено детальное изучение 52 пастбищных ассоциаций. В Волгоградской области на светло-каштановых почвах -7, Астраханской области на бурых супесчаных почвах (Астраханское Заволжье) -7, в Ставропольском крае на светло-каштановых супесчаных почвах при регламентированном выпасе - 6, при заповедном режиме - 7, на засоленных землях Терско-Кумского междуречья в пограничных районах с Р. Калмыкией -10, на Черных землях Р. Калмыкия -12.
Волгоградское 4-х ярусное лесопастбише. Находится в пригородной зоне г. Волгограда. Основной тип почв - светло-каштановые супесчаные, местами имеются небольшие язвы дефляции. Рельеф равнинный или слабобугристый. Основу лесопа-стбища составляют ЗЛН из деревьев и кустарников, в межполосном пространстве встречаются кустарники, полукустарники, однолетние и многолетние травянистые виды. Многие ЗЛН разрежены почти до саванного состояния. Территория используются местным населением для выпаса КРС, овец.
Богдинское 4-х ярусное лесопастбише. Астраханская область, общая площадь 1995 га. Основателем закладки Богдинского оазиса в 1924 г. стал агролесомелиоратор Митрофан Алексеевич Орлов. В географическом отношении - это полупустынная зона Прикаспийской низменности, недалеко от соленого озера Баскунчак, в пограничной зоне с Казахстаном. Основной тип почв — бурые полупустынные супесчаные разной степени солонцеватости. В многочисленных западинах образовались более плодородные темноцветные почвы. В среднем глубина залегания грунтовых вод 10-16 м.
Лесопастбищная экосистема сформировалась в результате посадки пастбищеза-щитных и полезащитных лесных полос на площади 172 га из Ulmus pumila, Quercus robur, Acer negundo, Fraxinus lanceolata и F. excelsior, Robinia pseudoacacia, Tamarix ramosissima, Lonicera tatarica, Rhamnus, Elaeagnus angustifolia, Amorpha fruticosa, Calligonum aphyllum. Из-за достижения предельного возраста жизни, многие древесные породы усохли или су-ховершинят, поэтому некоторые участки имеют вид «саванных» пастбищ.
На протяжении долгих лет на этих угодьях выпасали овец и КРС с личных подворий. Регламентирование выпаса осуществлялось в рамках НИР ВНИАЛМИ и заключалось в последовательном стравливании «клеток» - межполосных пространств, которые отличаются по видовому составу, биопродуктивности т.д.
Продуктивность растительного покрова деградированных пастбищ Северо-Западного Прикаспия
В программу исследований входили следующие вопросы: 1. Провести оценку биоклиматических ресурсов СЗ Прикаспия с учетом динамических изменений метеопоказателей: осадков, температуры воздуха и почвы и др., а также индексов увлажненности и аридности; 2. Разработать методику выявления и картографирования агроклиматических аномалий с использованием критериев и параметров, определяющих агроэкологиче-скую неоднородность территории; 3. Изучить особенности опустынивания пастбищных экосистем в условиях меняющегося климата и дать долгосрочный прогноз изменения биоклиматических ресурсов; 4. Установить продукционные возможности пастбищных и лесопастбищных экосистем, віслючающие оценку биоразнообразия и особенности формирования фитомассы в аэротопе доминирующих растительных ассоциаций разной степени деградации; 5. Провести комплексный анализ (биопродуктивность, особенности водного режима, семенной продуктивности и др.) кустарников и полукустарников семейства маревых с целью выявления адаптационных возможностей видов и их использования для стабилизации деградированных пастбищ; 6. Изучить фитоэкологический потенциал аборигенных и интродуцированных галофитов, включающий разработку шкалы их солеустойчивости; 7. Разработать способы управления кормовыми ресурсами аридных пастбищ и ле-сопастбищ на основе видовых и фитоэкологических особенностей накопления питательных веществ (макро- и микроэлементов), а также зоотехнической пригодности корма; 8. Разработать модель многоярусного растительного ценоза, базирующуюся на фундаментальных биологических законах и ресурсосберегающих технологиях, позволяющую увеличить урожайность в 1,5-2 раза и продуктивное долголетие до 30-40 лет через оптимизацию состава жизненных, ботанических и экологических групп растений с применением прогноза проведения фитомелиоративных работ. Для изучения динамики биоклиматических ресурсов проведен сбор текущей (в рамках реализации Генеральной схемы [278-280] и личных контактов) и многолетней метеорологической информации по СЗ Прикаспию: Астраханская, Волгоградская, Ростовская обл., Ставропольский край, Р. Калмыкия [3-10, 198, 200-206, 426]. Для Черных земель: -максимальная урожайность пастбищ, запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы на начало вегетации, количество осадков за холодный период, сумма за год, среднегодовая температура воздуха (за теплый и холодный период) за 40 лет; -динамика урожайности пастбищ, запасы продуктивной влаги за вегетационный период (по декадам) за период наблюдений - 23-32 года; -подробная метеорологическая информация (средняя, максимальная и минимальная температура воздуха, количество осадков, относительная влажность воздуха и др. по декадам) за 1984-1994 гг. Для Астраханской, Волгоградской, Ростовской обл., Республики Калмыкия, Ставропольского и Краснодарского края подобраны справочные материалы: а) за период с 1881-1915 гг., с 1881-1940 гг., с 1891-1964 гг. (- сумма осадков за год, теплый и холодный периоды; - среднесуточная температура воздуха за год, теплый и холодный периоды; - среднегодовая повторяемость ветров); б) за период с 1961-1981 гг. данные по НО метеостанциям и метеопостам по годовой сумме осадков (без Краснодарского края), работающих в данные годы. По общепринятому положению о климате мы судим, оперируя данными за 30-50 летний период. Б.В. Виноградов [72], считает, что для исключения разногодичных гидрометеорологических вариаций и получения средней характеристики климата в субаридных условиях с вероятностью более 0,95 и ошибки менее 10 % достаточно ряда наблюдений не менее 8-10 лет. За базисный период (контроль) принимается отрезок с 1881 по 1940 гг., когда активное антропогенное воздействие на природную среду было минимальным (по сравне нию с последующими периодами), а количество инструментальных наблюдений для Российского Прикаспия достаточно полным - 330 точек (метеостанций и метеопостов). Добазисный - (1881-1915 гг.) характеризуется небольшим антропогенным воздействием, но не имеет полных инструментальных наблюдений для всего региона. Послебазисный (1940-1964 гг.) - период наибольшего антропогенного воздействия на все компоненты природной среды: построены гидроэлектростанции, а значит, изменилась гидрографическая сеть, на смену коренным фитоценозам пришли аг-рофитоценозы (преимущественно зерновые культуры), что в свою очередь повлияло и на испаряемость территории, создана сеть защитных лесных насаждений (ЗЛН), отмечается снижение гумуса в почвах. Послебазисный - (1961-1981 гг.) - функционирование сформированного современного природно-антропогенного ландшафта имеющего более выровненную дневную поверхность, с применением в земледелии мощных сельскохозяйственных машин, высокоурожайных сортов. Произошла окончательная трансформация природных ландшафтов: изменилась гидрографическая сеть, подстилающая поверхность (ЗЛН, орошаемые земли, зерновые агроценозы) и испаряемость территории.
Дифференциация метеопоказателей по климатическим периодам позволяет нам выявить климатические аномалии, а также территории, подверженные значительному риску деградации и опустынивания. Более подробно о применяемой методике изоли-нейного картографирования излагается в гл. 2.3. Для оценки динамики пространственного изменения метеоданных применяли метод наложения карты-схемы с последующей фиксацией и анализом изменений параметров биоклимата последующего периода с предыдущим.
Для анализа цикличности и периодичности солнечной активности нами использовались первичные данные (число Вольфа) с 1745-1985 гг. из Н.Ф. Реймерс [370] и К.С. Кальянов [188], с 1986-2004 гг. из Т.А. Гендлер [117]. Первичные данные разбивались по периодам, (за отсчет брали минимальные отметки), и усреднялись по трем периодам («прошлое-настоящее-будущее»), сохраняя продолжительность периода, установленного по минимальным показателям в «настоящем периоде». Сходность фактических и осредненных показателей определялась статистически. Для анализа влияния климатических параметров на СЗ Прикаспий и прогноза их изменений использовались данные: - по отклонению глобальной температуры воздуха, С, из Б.Болин, Дж.Ягер, Б.Р. Деес, 1989 [55, 56]; - динамика уровня мирового океана из Дж. де К.Робин, 1989 [55]; - динамика уровня Каспийского моря из Р.К. Клиге, 1994 [194]; - динамика годовой суммы осадков (г. Волгоград, г. Воронеж, г. Калач-на-Дону Волгоградской области, Р.Калмыкия - г. Элиста, п. Артезиан, п. Комсомольский, п. Яшкуль, п. Нарын-Худук; Форт Шевченко и др.), полученных из климатических справочников и непосредственно на метеостанциях. Показания суммы осадков приведены к показаниям осадкомера без учета поправок на смачивание. Первичные климатические данные по всем показателям осреднялись в соответствие с продолжительностью одного фактического (от min до min) солнечного периода, а не в соответствие со средним 11- летним солнечным периодом, выявлялись математические зависимости с помощью компьютерной программы Exel. Это позволило сделать комплексную оценку влияния солнечной активности на климатические показатели, лимитирующие биопродуктивность растительных сообществ в регионе.
