Содержание к диссертации
Введение
1 Влияние лесных полос на прилегающие степные ландшафты (обзор литературы) 8
2 Объект и методы исследования 32
2.1 Природные условия объекта исследования 34
2.1.1 Географическое положение 34
2.1.2 Рельеф, геологическое строение и почвы 35
2.1.3 Климат 38
2.1.4 Растительный покров 40
3 Трансформация экологических условий черноземов, прилегающих к лесополосе «гора Вишневая – Каспийское море» 42
4 Трансформация показателей гумусного состояния лесостепных и степных черноземов, прилегающих к лесополосе «гора Вишневая – Каспийское море» 65
5 Динамика основных физических свойств под влиянием лесополосы в черноземах обыкновенных 71
6 Состав почвенного покрова под лесополосой и примыкающего к ней пространств 78
Выводы 80
Список использованных источников.. 82
Приложение 105
- Влияние лесных полос на прилегающие степные ландшафты (обзор литературы)
- Трансформация экологических условий черноземов, прилегающих к лесополосе «гора Вишневая – Каспийское море»
- Трансформация показателей гумусного состояния лесостепных и степных черноземов, прилегающих к лесополосе «гора Вишневая – Каспийское море»
- Динамика основных физических свойств под влиянием лесополосы в черноземах обыкновенных
Влияние лесных полос на прилегающие степные ландшафты (обзор литературы)
В нашей стране защитное лесоразведение начали применять еще 2 века назад. Еще передовые советские ученые и лесоводы вводили и пропагандировали посадку кустарниковой и древесной растительности для защиты сельскохозяйственных угодий от засух, суховеев, пыльных бурь и водной эрозии. Большинством отмечено благоприятное воздействие защитных лесонасаждений на рост, состояние и урожайность сельскохозяйственных культур, эти наблюдения основывались, главным образом, на визуальных исследованиях. В Оренбургской области, несмотря на низкий процент лесистости, лес и искусственные лесонасаждения находятся в ряду важнейших факторов экологического каркаса территории и обладают высокой рекреационной привлекательностью.
Возведение государственной защитной лесной полосы «гора Вишневая – Каспийское море» связано с результатом постановления ЦК ВКП (б) и Совета Министров СССР «О плане полезащитных лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоемов для обеспечения высоких и устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах европейской части СССР». Этот грандиозный пятнадцатилетний план научно-обоснованного регулирования природы, не имеющий аналогов в мире получил название «Сталинский план преобразования природы». Он основывался на данных исследований лучший русских агрономов, лесоводов, географов, ботаников, почвоведов.
Согласно ему началось грандиозное комплексное и масштабное наступление на засуху, посадка защитных лесонасаждений, создание прудов и водоемов. Всего за 15 лет должно было быть создано 8 крупных государственных лесозащитных полос общей протяженностью свыше 5300 километров общей площадью 5709 тысяч гектаров и уже к 1955 году в планировалось строительство 44228 прудов и других водоемов. Гослесополоса проходит в восточной и центральной частях степной зоны с северо-востока до юго-западной границы Оренбургской области.
Протяженность лесополосы по территории Оренбургской области - 750 км, общая площадь чуть больше 20 тыс. га. В связи с тем, что на пути лесополосы попадаются многочисленные овраги, водоёмы и населённые пункты, она представляет собой ломаную линию с разрывами. Гослесополоса состоит из 3 полос шириной 60 м, расстояние между полосами 180-200 м по берегам реки Урал и представляет собой одно из звеньев в общей системе защитных лесных насаждений области. В ней сформировались биогеоценозы, состоящие из нескольких десятков древесных и кустарниковых пород с многочисленной фауной. В комплексе с другими лесными насаждениями гослесолопоса должна была защищать почвы от целого комплекса природных негативных явлений, улучшать гидрологический режим территории и оказывать благоприятное влияние на микроклимат прилегающих пространств. Все это, без исключения в сочетании с передовой российской агротехникой должно было гарантировать большие, постоянные, независимые от капризов погоды урожаи на площади более 120 млн. гектаров. Защитное лесоразведение занимало в этом плане ведущее место. Подготовке к принятию грандиозного плана предшествовала практическая деятельность в Астраханской полупустыне, где в 1928 году, в течение двадцати лет, буквально на чистом участке, была заложена экспериментальная исследовательская станция Всесоюзного института агролесомелиорации, под названием Богдинского опорного пункта. На этой голой территории лесоводы высадили первоначальные гектары молодых деревьев и кустарников, состав которых был выбран с учетом научных разработок В. В. Докучаева и П. А. Костычева для природных условий данного региона (Генко Н.К, 1990).
Со временем, участки лесополосы оказались расчлененными линиями электропередач, дорогами и другими коммуникациями, что отрицательно повлияло на их рост, устойчивость и общее состояние. В последние годы значительно усилилось рекреационное использование пригородных лесов. Этот вид антропогенного воздействия, пожалуй, один из ведущих, способный сравнительно быстро привести к нарушению и изменению лесорастительных условий, обеднению флоры, сокращению численности и даже полному исчезновению отдельных видов растений.
В историческом отношении план являлся широкомасштабным продолжением работ, начало которым положил основоположник мирового почвоведения В. В. Докучаев на участке Каменная степь, который расположен на юге Воронежской области в междуречье Волги и Дона. За период с 1892 по 1898 год на запланированной территории было проведено облесение деградированных черноземов настоящей степи и получены убедительные доказательства положительного мелиоративного влияния искусственных лесополос на процессы восстановления и улучшения основных свойств черноземов. В 1935 году Урало-Каспийская экспедиция проектировала «зеленый щит» для Чкаловской (ныне Оренбургской) и Гурьевской областей, собранные материалы легли в основу создания лесополосы «гора Вишневая – Каспийское море».
Агролесомелиорация является самым долго действующим, экологически чистым, мощным и доступным биологическим способом в борьбе с водной, ветровой эрозией, в борьбе с засухой, суховеями и пыльными бурями в степных условиях.
На территории Российской Федерации управлением агролесомелиоративными мероприятиями занимаются более 500 предприятий, ими создано 2,8 млн. га защитных насаждений, в большинстве случаев на землях интенсивного развития аграрного сектора (на землях сельскохозяйственного назначения).
Оренбургская область входит в число регионов, остро испытывающих необходимость в лесомелиорациях, в связи с недостатком влаги и частыми процессами деградации. Именно наличие влаги в почве является главным условием протекания почвообразовательных процессов в почвах (Русанов А. М., 2017).
На территории Оренбургской области выделены следующие типы почв: серые лесные, черноземы, каштановые, составляющие почвенные зоны. В каждой из них выделяются интразональные типы: лугово-черноземные, лугово-каштановые, луговые и солонцы. В пределах типов в черноземной зоне выделены подтипы: выщелоченных почв, типичных обыкновенных, южных черноземов. В каштановых на территории области есть только один подтип — темно-каштановые почвы.
Э. А. Эверсманн на примере почв края развил и обосновал идею наземного генезиса черноземов. Чернозем является «произведением истлевших в течение тысячелетий растений», — писал Э. А. Эверсманн (1850) — «От ежегодно умирающей и возобновляющейся растительности покрывается слоем тука или чернозема».
Труд «Естественная история Оренбургского края» — пожалуй, первая для нашей территории научная работа о почвах. Автор впервые рассмотрел почвы, растительность, рельеф и породы во взаимосвязи, что позволило установить закономерности в размещении почв на территории по природным полосам. «Относительно почвы край Оренбургский можно разделить на три главные полосы: первая полоса включает в себя большей частью лесистые и горные места, вторая — северные и восточные степи, плодоносные, покрытые большим или меньшим слоем чернозема, третья — южные и юго-западные степи, вовсе лишенные тука, последние можно разделить на глинистые, солонцеватые степи, солончаки, песчаные степи, пески» (Эверсманн, 1850, с. 21). В. В. Докучаев в заметках, сделанных им при маршрутном пересечении Оренбургского Предуралья в 1878 г., кроме кратких ландшафтных описаний почв неоднократно упоминает о труде Э. А. Эверсманна. Неотектонические поднятия территории, сохранившие в целом древнюю структуру рельефа Предуралья, вызвали неравномерное «обсыхание», ксерофитизацию, остепнение, рассоление и осолонцевание почвенного покрова в неогене и четвертичном времени. Полагают, что западные территории Предуралья вышли из-под древних морей в миоцене в третичном периоде, а Прикаспийская низменность и ее северный борт — примерно 15—12 тыс. лет назад. Образование почв на таких породах позволяет предполагать, что они унаследовали явные черты гидроморфизма прошлого. Рельефнее эти черты генезиса проявляются при движении с севера на юг - в направлении увеличения степени засушливости климата. Выщелоченные от солей и карбонатов континентальные делювиальные отложения плакоров, пологих склонов и террас северо-запада Предуралья сменяются на юге делювиальными и элювио-делювиальными закарбоначенными, часто засоленными, почвообразующими породами морского генезиса. Водораздельные пространства повсеместно выстилаются элювиальными плотными карбонатными локально засоленными породами.
Трансформация экологических условий черноземов, прилегающих к лесополосе «гора Вишневая – Каспийское море»
Климат является незаменимым условием почвообразования. В этой связи наблюдение за тепловым режимом почв является важным критерием, определяющим направление и интенсивность почвообразовательных процессов; от его особенностей зависят скорость прохождения химических и биохимических реакций в почве, состав фитоценозов, их биомасса, продуктивность и продолжительность вегетационного периода.
Исследование за динамикой температурного режима приземного слоя воздуха и в почве проводилось в конце вегетационного периода датчиками регистраторами Eclerk и Testo 174H. Температура в почве регистрировалась с 7 по 18 сентября каждый час времени в слое 0 - 20 см и 20 - 40 см, температура приземного слоя воздуха фиксировалась на высоте 20 см от поверхности почвы. Среднесуточные результаты температур показаны на рисунках 2, 3 и 4. Из рисунка 2 можно заметить, как лесополоса оказывает влияние на температуру приземного слоя воздуха не только под кронами деревьев, но и на прилегающие к ней участки. Так, температура воздуха на расстоянии 100 м от леса оказалась на 1,0—1,5 С ниже, чем на более удаленных от лесополосы площадках вследствие циркуляции относительно влажного и прохладного воздуха, сформированного зелеными насаждениями.
Одновременно на расстоянии 700 метров от лесополосы температура воздуха отличалась самыми большими суточными колебаниями, что свидетельствует об ослабевании влияния лесных насаждений на температурный режим прилегающих площадей. Максимальная температура атмосферного воздуха за период наблюдений зафиксирована 13 сентября и составила 21,5 С. В ходе выполненных наблюдений отмечено, что температура воздуха в лесополосе отличается большей устойчивостью, чем в открытых местах; минимумы и максимумы ее в лесонасаждении имеют малую амплитуду. Суть явления заключается в том, что под древесным пологом воздушные массы днем нагревается и ночью охлаждаются медленнее и меньше, чем на открытом пространстве, что связано с транспирацией древесной растительностью значительного количества влаги, которая, в свою очередь, обладает высокой теплоемкостью, в связи с чем значительная часть солнечной тепловой энергии тратиться на нагревание паров воздуха.
Формирование особого микро- и мезоклимата в лесных ландшафтах затрагивает не только прилегающие к верхнему слою почвы воздушные массы, но и верхние слои почвы, где также наблюдаются изменения в температурном режиме.
Из рисунка 3 видно, что почва в лесополосе в слое 0-20 см имеет более низкие показатели температуры, чем на участках открытых мест. По направлению лесополоса – степь температура заметно повышается и возрастает ее колебание. Аналогичная ситуация складывается и в слое 20-40 см (рисунок 4). Участки, находящиеся в непосредственной близости к лесополосе, имеют небольшую амплитуду температур, так как лес уменьшает приток солнечных лучей к почве, и защищает ее от радиационного излучения. Кроме того, лес уменьшает отдачу тепла почвой, поскольку под пологом древостоя меньше конвекция приземного слоя воздуха. Благодаря защитной роли древесного полога и образования относительно стабильных температурных условий на территории лесополос заморозки прекращаются весной раньше, а осенью наступают позже. Температура поверхностных слоев почвы обыкновенных черноземов на отдаленных от лесополосы участках повышается и принимает признаки сухого климата степи.
Н. И. Данилов и В. М. Кретинин (2000), в своих трудах утверждают, что территории, защищенные защитными лесными полосами, обладают своим характером микроклимата, иным температурным режимом, условиями для жизни микрофлоры и микрофауны. Все это, в совокупности ведет к увеличению плодородия почв.
Одновременно датчиками замерялась относительная влажность воздуха. В отдельные дни она повышалась под влиянием леса на 30 % и более по сравнению с влажностью открытых территорий в зоне до 700 м от лесополосы. Выявлено повышение относительной влажности воздуха на 15% при понижении температуры на 3,5С. Приведенные данные свидетельствуют о значительном влиянии лесополосы на относительную влажность воздуха не только внутри насаждений, но и на близлежащих территориях (рисунок 5).
Изучение относительной влажности поверхностного слоя воздуха показало, что лесополоса обладает способностью аккумулировать на своей территории существующую влагу в относительно большем объеме, чем безлесные пространства, а также привлекать к себе и накапливать ту влагу, которая заносится ветрами с других мест, и заставлять ее оседать дождем или иначе. Свойство лесополосы формировать на своей территории умеренный гидротермический режим обеспечивает им особое место среди других компонентов степного ландшафта, генезис которого происходил в условиях резко континентального климата. При этом важно подчеркнуть, что такой несвойственный степи мезоклимат распространяется на соседние с лесопокрытыми территориями площади. Результаты согласуются с исследованиями В. Г. Мелешко, проведенными в Ставрополье, в результате которых сделаны выводы о том, что влажность воздуха под защитой полезащитных лесонасаждений на 6 - 13 % выше, чем на открытом пространстве. В местах максимального затишья влажность воздуха увеличивается на заметную величину, чем на остальных участках.
Снежный покров является продуктом атмосферных процессов. Одновременно он сам влияет на гидротермический режим территории. Снег служит для почв защитным щитом от низких температур, обеспечивая тем самым сохранение пула почвенных микроорганизмов и прохождение ряда биохимических процессов. Кроме того он предохраняет почву от чрезмерной потери влаги. Одновременно он сам, при таянии, превращается в источник влаги. Высота снежного покрова и ее динамика на участках работ наблюдалась в зимнее время в 2016 и в 2017 годах. Результаты исследований представлены на рисунке 6.
Трансформация показателей гумусного состояния лесостепных и степных черноземов, прилегающих к лесополосе «гора Вишневая – Каспийское море»
В ходе исследований проведено морфологическое описание строения почвенного профиля участков, составляющих почвенную катену с последующей обработкой данных. Определения мощности гумусового горизонта участков почв, входящих в состав катены дали следующие результаты. Под лесополосой мощность аккумулятивно-гумусового горизонта достигает наибольшего значения - 52,1 см. Это связано с относительно большой массой растительного опада, видовым составом растительности и с особенностями процессов разложения и накопления органического вещества почв, главными регуляторами которых являются микробиологическая и ферментативная активности черноземов, характеристики которых представлены выше. По мере удаления от лесопокрытых участков вместе с изменениями условий гумусообразования мощность гумусового горизонта уменьшается до 36 см (рисунок 11).
Полученные данные отражают снижение содержания гумуса вниз по профилю. Содержание гумуса в почвах межполосного пространства (участок № 1) и под лесополосой (участок № 2) характеризуется как высокое, а участков №3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 как среднее. Содержание гумуса имеет хорошо выраженную тенденцию к уменьшению при движении в направлении лес-степь, закономерно связанную со снижением ежегодно образующейся и поступающей в почву растительной биомассы.
Статистическая обработка полученных результатов показала наличие достоверной корреляционной зависимости мощности аккумуляционно гумусового горизонта и содержанием гумуса (r=+0,95). Данная корреляционная связь является статистически значимой (p 0,01).
Условия почвообразования и гумусообразования повлияли на изменения запасов гумуса, в слое 0 - 20 см они оказались максимальными в почвах первого и второго участков и составили соответственно 192,6 т/га и 188,5 т/га, постепенно уменьшались и оказались минимальными на 9 - 10 участках и составили 138,9 т/га и 152,7 т/га соответственно. В слое 0-50 складывается аналогичная ситуация (таблица 8). Запасы гумуса в слое 0-20 см всех участков соответствуют высокому показателю, в слое 0-50 см среднему показателю гумусного состояния почв (Д. С. Орлов, Л. А. Гришина, 1981)
Под лесополосой и на двух ближайших к ней площадках исследований степень гумификации органического вещества почв оказалась высокой и очень высокой (Гришина, 1986). На последующих участках работ она очень высокая с выраженным повышением этого показателя по мере удаления от лесонасаждения, что объясняется сменой гидротермических условий и связанных с ними биологическими факторами почво- и гумусообразования.
Процентное содержание негидролизуемого остатка на всех объектах работ оценивается как низкое и среднее, колеблется в узких пределах и не имеет выраженного изменения в пространстве.
Тип гумуса черноземов всех участков (за исключением первых двух) гуматный (таблица 9). При этом отношение СГК : СФК возрастает с 1,88 на участке 100 метров от лесополосы до 2,24 на последнем участке исследования. Это может быть связано с образованием тут «зрелого» гумуса, для которого необходим большой промежуток времени. На первых двух участках наблюдается выраженное отклонение от степного и даже лесостепного типа почвообразования, здесь выявлен фульватно-гуматный тип гумуса, что не характерно для черноземов и подтверждает особые условия почво- и гумусообразования в пределах лесополосы.
Данные схожи с результатами исследований, проведенных в Башкортостане, которые свидетельствуют о значительном повышении содержания гумуса на облесенных полях по сравнению с содержанием его на открытых, а по продвижению от лесополосы содержание его снижается во всех горизонтах почв. Происходит не только сокращение его общего содержания, но и ухудшение качественного состава (Ихсанов И. Р., Хисамов Р. Р., 2004).
Таким образом, условия гумусообразования, в совокупности с мезоклиматическими показателями и интенсивностью биологической активности верхних генетических горизонтов дают предпосылки для ожидания изменений показателей физических свойств исследуемых черноземов в зависимости от расстояния от лесополосы.
Определение гумусного состояния почв участка, расположенного вне влияния лесополосы на расстоянии 1700 метров показало, что мощность гумусового горизонта почв составила 36,3 см, содержание гумуса оказалось равным 4,1 %, коэффициент гумификации – 45,2 %, отношение СГК : СФК не превышало 2,2. Не трудно заметить, что полученные результаты по характеристике гумусного состояния почв контрольного участка идентичны аналогичным показателям черноземов последних площадок катены.
Динамика основных физических свойств под влиянием лесополосы в черноземах обыкновенных
С условиями почвообразования и с содержанием гумуса, связаны физические свойства. Важнейшим фактором формирования всей совокупности физических свойств почв является их структурно-агрегатный состав, определенный методом сухого просеивания Н. И. Саввинова. Надежными показателями качества почвенных агрегатов служат коэффициент структурности и количество агрономически ценных агрегатов. Совокупность макроагрегатов различных форм размером 0,25 мм – 10,0 мм можно рассматривать важного генетического показателя, отражающего результат всего почвообразовательного процесса (таблица 10).
Выявлено, что, в среднем, содержание агрономически ценных агрегатов в гумусовом горизонте (0 - 30 см) в межполосном пространстве составило 72,6 %, под лесополосой 74,2 % на расстоянии 100 метров от лесополосы 68,8 % и постепенно снижается до 58,3 % на расстоянии 800 метров от лесополосы. Исходя из количественных оценок почвенных агрегатов на первых двух участках исследования структура соответствует отличному показателю признака, на остальных - хорошему с тенденцией к снижению (С. И. Долгов, П. У. Бахтин, 1966).
Структурность почвы можно охарактеризовать не только суммарным количеством агрегатов размером 0,25 – 10,0мм, но и коэффициентом структурности, который показывает отношение содержания агрономически ценных агрегатов к сумме содержания глыбистой и пылеватой фракций. Результаты определения этого показателя представлены в таблице 11 и на рисунке 12.
Максимального значения коэффициент структурности достигает в верхнем слое 0 - 10 под лесополосой (2,88) и в черноземе межполосного пространства (2,66), т.е. в зоне максимального влияния леса. Наименьших значений этот показатель достигает на участках, расположенных на расстоянии 700 м (1,49) и 800 м (1,4) от лесополосы.
Другим объективным показателем структурно-агрегатного состояния почв является их оценка по критерию АФИ. Данные, полученные при анализе образцов по критерию АФИ, представлены в таблице 12. Критерий АФИ подтверждает ранее выявленную закономерность: самые высокие показатели водоустойчивости отмечены в почвах, примыкающих к государственной лесополосе, а по мере удаления от нее показатели отношения снижаются. Согласно качественной градации водопрочности агрегатов исследуемых почва она характеризуется как хорошая. Одной из важных характеристик физических свойств почв является их плотность. Она зависит от химического и минералогического составов почвообразующих горных пород, твердой фазы почв, запасов и качества органической части почв, от взаимного расположения механических элементов почв и др. Плотность почв, в свою очередь, является регулятором ее теплового и воздушного режимов и, следовательно, оказывает прямое влияние на функции почв в биосфере, а том числе и на плодородие. Оценка полученных данных по исследованию этого показателя приведена в таблице 13. Отмечено, что по мере удаления от лесополосы происходит уплотнение почв в верхнем горизонте, что связано с постепенной сменой мезоклимата лесной полосы на типичный для степи сухой и жаркий климат, со свойственным ему типом растительности и условиями формирования почвенного тела.
С плотностью почв связано другое важное свойство, выполняющее незаменимую роль в формировании всего их гомеостаза – водопроницаемость. Фильтрация воды вниз по профилю почв обеспечивает растворение продуктов почвообразования, является условием их поглощения коневыми системами растений и фактором выветривания горных пород, входящих в состав почвенных тел. Оценивалась водопроницаемость по градации, предложенной Н. А. Качинским.
Полученные данные представлены на рисунке 13
Полученные результаты данных водопроницаемости почв, как и плотности и структурного состава, свидетельствуют о том, что скорость водопроницаемости целинных участков уменьшается по продвижению от лесополосы и становится стабильной на расстоянии 600 - 800 метров. На всех исследуемых участках водопроницаемость характеризуется как наилучшая по шкале Н. А. Качинского с выраженной тенденцией к снижению по мере удаления от лесополосы.
Исследования физических свойств почв контрольного участка дали следующие результаты: содержание агрономически ценных агрегатов составило 61,3 %, коэффициент структурности - 1,37, оценка структуры по критерию АФИ соответствовала хорошему уровню признака, плотность почв в слое 0-30 см оказалась равной 1,03 г/см, скорость водопроницаемости составила 88 мм/час. Все полученные параметры физических признаков почв контрольного участка находятся в пределах значений, которые выявлены в почвах 9 и 10 площадок катены. Последнее обстоятельство позволяет полагать, что влияние лесополосы на сопредельные ландшафты и физические свойства черноземов почвы распространяется на расстояние до 700 – 800 метров от ее границы. Таким образом, многолетнее влияние многорядной лесополосы на условия почвообразования в значительной мере оптимизировали физические свойства черноземов исследуемого ряда. По мере удаления от лесонасаждения до девятой площадки катены вся совокупность показателей изучаемых физических параметров почв принимает значения, которые являются типичными для степей Предуралья.