На правах рукописи
Ходячих Ирина Николаевна
СУКЦЕССИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ЗАЛЕЖАХ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ЮЖНОГО УРАЛА
03. 02. 01 – ботаника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Оренбург – 2012
Диссертационная работа выполнена на кафедре ботаники и физиологии растений ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет».
Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,
профессор Абаимов Виктор Федорович
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,
заслуженный деятель науки РФ
Климентьев Александр Ильич
кандидат биологических наук
Панина Галина Александровна
Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Оренбургский научно – исследовательский институт сельского хозяйства РАСХН»
Защита диссертации состоится 28 мая 2012 г. в 9: 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.180.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный педагогический университет» по адресу: 460844, г. Оренбург, ул. Советская, 19.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет».
Тел / факс: 8(3532) 772452; e-mail: [email protected].
Автореферат разослан 24 апреля 2012 года и размещен на официальном сайте http: // www.ospu.ru.
Ученый секретарь
диссертационного совета Мушинская Н.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одной из наиболее актуальных проблем в Оренбургской области и ряде других степных регионов страны является восстановление и сохранение степных сообществ и составляющих их видов на нарушенных землях.
Анализ земельного фонда Оренбургской области показал, что более 1,3 млн. га пахотных земель начиная с конца 80-х годов и в 90-х годах прошлого века, были изъяты из пашни и перешли в разряд залежей (Часовских Н.П., 2005). По итогам Всероссийской сельскохозяйственной переписи, проведенной в 2006 году, площадь залежных земель в Оренбургской области составляла около 500 тыс. га, заметно сократившись по сравнению с последним десятилетием ХХ века, что связано с частичным вовлечением залежных земель в сельскохозяйственное использование. Однако, площади под залежами нестабильны и меняются почти ежегодно. До настоящего времени идет процесс, как перевода, так и вовлечения земельных угодий в залежи и снова в пахотные земли.
Для активного мониторинга сукцессионных процессов растительного покрова и почвы на залежах с целью эффективного ведения сельского хозяйства и природоохранной деятельности необходима разносторонняя информация обо всех растительных сообществах исследуемых угодий. В связи с этим возникла необходимость специального изучения особенностей зарастания заброшенной пашни, оценки видового состава растительности, стадий зацелинения и их длительности, возможности восстановления плодородия почвы при зарастании залежей и перспектив их использования в степной зоне Южного Урала. Этой малоизученной и актуальной проблеме посвящена настоящая диссертация.
Выведенные в залежь угодья с экономической точки зрения – это убыточные земли, кроме того, являясь резерватами вредных организмов, они обусловливают устойчивый риск постоянной угрозы распространения злостных сорняков, нашествий вредителей и возбудителей болезней на посевы культурных растений. Поэтому изучение растительности залежей и динамики процессов зацелинения имеет большое теоретическое и практическое значение, а обозначенная проблема использования залежных земель является предельно актуальной и требует решения.
Цель исследований. Изучение сукцессионных процессов растительности и почв и разработка научных основ восстановления и рациональной эксплуатации залежных земель в степной зоне Южного Урала.
Задачи исследований:
1. Составить конспект флоры исследуемых типов залежей и произвести их географическую привязку на местности.
2. Осуществить систематический, биоморфологический, эколого-фитоценотический анализ растительного покрова залежей.
3. Выявить динамику накопления и дать оценку продуктивности наземной фитомассы (сухая масса) залежных фитоценозов.
4. Оценить влагозапасы и проследить за их динамикой на залежных землях.
5. Изучить ход сукцессионных процессов растительности и почвенного плодородия на различных типах залежных земель.
6. Разработать рекомендации по ускорению процессов трансформации разного типа залежей в продуктивные угодья.
Объекты исследований. Объектами исследований были разновозрастные залежи (2-х – 3-х летние, 5-и – 6-и летние, 10-и – 12-и летние, 15-и – 20-и летние и старших возрастов) и залежи с разными предшественниками (после зерновых культур, после подсолнечника и после многолетних трав, посеянных под покров зерновых культур или суданской травы).
Научная новизна. Впервые для сухостепной зоны Южного Урала:
– выявлен видовой состав флоры залежных земель, включающий 124 вида высших сосудистых растений, относящихся к 25 семействам и 93 родам;
– проведена комплексная оценка различного типа залежей по видовому составу ценозов, их продуктивности, кормовому достоинству;
– осуществлена эколого-фитоценотическая классификация залежной растительности. Выделено 4 формации, 5 классов ассоциаций и 14 ассоциаций залежной растительности;
– изучен сукцессионный процесс на залежах в разрезе флоры, растительных группировок, почвенного покрова, прослежена динамика смены аспектов фитоценозов в годичных и разногодичных циклах;
– дана характеристика почвенного плодородия и водного режима различного типа залежей;
– выявлены закономерности трансформации видового состава растительности, жизненных форм растений на разновозрастных залежах и залежах после различных видов предшественников и разработаны рекомендации по трансформации залежных земель в продуктивные угодья.
Практическая значимость исследований заключается в оценке видового состава, хозяйственной ценности растительности различного типа залежей и в разработке научно-практических рекомендаций по трансформации огромного массива залежных земель, большая часть которых представляет собой бросовые земли, в продуктивные угодья – сенокосы и пастбища.
Материалы исследований используются в учебном процессе Оренбургского государственного аграрного университета и представляют интерес для практики сельскохозяйственного производства.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Видовой состав растительности различных типов залежей – разновозрастных и после разных предшественников.
2. Ценотические группировки растительности различных типов залежей.
3. Сукцессионные процессы растительности и почвы годичные и долговременные на залежах.
4. Водный и пищевой режимы различных типов залежей.
5. Биопродуктивность и качественная характеристика залежной растительности.
6. Трансформация залежей в кормовые угодья.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены в виде промежуточных и итогового отчетов в Комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов Оренбургской области (государственный контракт № 11, 2006 – 2008 гг.), поддержаны областным грантом в сфере научной и научно-технической деятельности: «Разработка научных основ восстановления и рациональной эксплуатации залежных земель в степной зоне Южного Урала (Оренбургская область)» (№ 3072/692- IV-ОЗ, 2011); доложены и обсуждены на IV Международной конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2008), на V Международном симпозиуме «Степи северной Евразии» (Оренбург, 2009), на V Всероссийской научно-практической конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2010), на кафедре ботаники и физиологии растений Оренбургского государственного педагогического университета (2012 г.)
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 7 научных статей, из них 6 в рекомендованных ВАК изданиях.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 163 страницах. Состоит из введения, пяти глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложения, содержит 21 таблицу и 24 рисунка (фотографии). Список литературы включает 182 источника, из них 12 на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Состояние изученности вопроса о залежах как антропохозяйственном объекте.
В главе дан обзор литературы по состоянию изученности вопроса о залежных землях, их типах, флористическом составе, растительных группировках, демутации залежных земель в естественные природные угодья. Исследованы причины перевода пашни в залежь с оценкой разного типа залежей с экологической и хозяйственно-экономической точек зрения.
2. Условия и методика проведения исследований
2.1. Природно-климатические условия зоны исследований
Дана характеристика географического положения, геоморфологических, климатических особенностей района исследований, оценка экологической обстановки. Охарактеризованы почвы и растительность.
2.2. Методика проведения исследований
Основой для настоящей работы послужили материалы, собранные в период с 2007 по 2011 гг. Исследовались разновозрастные и после разных предшественников залежи в Беляевском районе Оренбургской области, прилегающие к северной, северо-западной и южной части заповедника «Оренбургский» (участок «Буртинская степь»). Обследовано 8 участков залежных земель общей площадью 1993 га.
Географическая привязка осуществлялась на местности с использованием прибора спутникового позиционирования GPS «Garmin 76». Метеорологическая обстановка оценивалась по данным Оренбургской метеостанции (с. Беляевка).
Сбор материала производился маршрутными и детально-маршрутными методами геоботанических исследований (Малышев, 1972; Юрцев, 1975).
Оценка видового многообразия, видовой насыщенности, строения и структуры исследуемых фитоценозов осуществлялась согласно «Общесоюзной инструкции по проведению геоботанического обследования природных кормовых угодий … » (1984). Названия видов сосудистых растений приведены по флористической сводке С.К. Черепанова (1995). Жизненные формы выявлены по классификации И.Г. Серебрякова (1964). Экологические группы – по А.В. Куминовой (1960).
Определение влажности почвы и влагозапасов проводили термостатно – весовым методом. Содержание валовых запасов N, P, K и их подвижных форм в слое 0 – 30 см – по А.В. Ряховскому (2004).
Продуктивность наземной фитомассы исследуемых растительных сообществ определяли методом укосов в трехкратной повторности на площадках размером 2,5 м2 (Ильинский, 1934; Быков, 1953; Ярошенко, 1961; Понятовская, 1964 и др.). Для определения сухой массы отбирали средний образец массой 1 кг с последующим высушиванием и взвешиванием.
В период полевых работ проводился сбор гербария, в который вошли основные виды высших сосудистых растений района исследования. Собрано 1200 гербарных листов. Сбор растений осуществляли в соответствии с общепринятой методикой (Скворцов, 1977).
При выделении растительных сообществ и классификации залежной растительности использованы методические приемы, обоснованные в работах Л.Г. Раменского (1938, 1952); В.Н. Сукачева (1915, 1928); А.П. Шенникова (1938); Е.М. Лавренко (1940, 1956); Т.И. Исаченко, Е.И. Рачковской (1961); И.С. Ильиной (1963); Т.А. Работнова (1978); П.Л. Горчаковского, З.Н. Рябининой (1984, 1996).
3. Классификация и характеристика залежей степной зоны Южного Урала
3.1. Классификация залежей
Виды залежей можно разделить на три четко отличимые друг от друга группы с учетом их возраста, видового состава, ценотических группировок растительности: молодые (одно-пятилетние), средневозрастные (десяти-двенадцатилетние) и старовозрастные (пятнадцатилетние и старше). Между ними есть промежуточные группы (6 – 9 лет, 13 – 14 лет) с неустоявшимся видовым составом и ценотическими группами флоры.
В зависимости от специализации хозяйств (зерновые, зерноживотноводчиские, животноводческие) уход полей в залежь, как правило, мог быть трех вариантов: после зерновых, после подсолнечника и после многолетних трав, высеянных в чистом виде, но чаще под покров зерновых или суданской травы.
Были изучены все три вышеназванных предшественника залежей, что дало возможность осуществить более полную характеристику залежей как природного объекта, имеющего свою специфику по флористическому составу видов, доминантам и эдификаторам фитоценозов, геоботанической характеристике угодий, сменам аспектов фитоценозов и сукцессионным процессам на залежах.
3.2. Флора и растительность залежей
За период изучения флоры залежных земель, выявлено 124 вида высших сосудистых растений, относящихся к 25 семействам и 93 родам.
Крупнейшими семействами, представленными в фитоценозах залежей, являются Asteraceae (32 вида), Poaceae (16 видов), Brassicaceae (13 видов).
Анализ флористического состава залежей показал четкую тенденцию уменьшения числа видов растений в зависимости от возраста залежей, что связано с выпадением из травостоя на залежах старших возрастов большой группы одно- и двулетних растений и изменениями в структуре почвы – ее уплотнением, а также образованием на почве войлока, подстилки, затрудняющих появление всходов одно-двулетних трав, размножающихся, в основном, с помощью семян (таблица 1).
Таблица 1
Характеристика растительности разновозрастных залежей
| Группы залежей по возрасту | Показатели | |||||||
| видовой состав, шт. | видовая насыщенность, шт. / м2 | ярусность, число | обилие, доминанты (по Друде) | количественное и качественное соотношение видов | встречаемость видов (по Раункиеру), % | проективное покрытие, % | жизненность доминантов, баллы | |
| 2-х-3-х летние | 115-120 | 35-40 | 4 | Сор 2-3 | все четыре группы | 35-42 | 95-100 | 3 |
| 5-и-6-и летние | 95-102 | 38-45 | 3-4 | Сор 2-3 | все четыре группы | 38-46 | 85-95 | 3 |
| 10-и-12-и летние | 90-92 | 48-52 | 3-4 | Сор 1-2 | все четыре группы | 41-50 | 75-85 | 3 |
| 15-и-16-и летние | 68-76 | 44-48 | 3-4 | Сор 1 | все четыре группы | 42-53 | 70-73 | 3-2 |
| 20-и-25-и летние | 62-65 | 40-46 | 3 | Сор 1 | все четыре группы | 44-56 | 65-70 | 3-2 |
| Старших возрастов (30-и летние и старше) | 65-70 | 42-50 | 3 | Sp | все четыре группы | 47-60 | 63-70 | 3-2 |
На молодых залежах общее число видов растений максимальное – 115 – 120. Этот тип залежи характеризуется как бурьянистый с преобладанием в составе травостоя одно – двулетних и многолетних сорняков. В первые годы после ухода поля в залежь она зарастает преимущественно теми сорными растениями, зачатки которых в виде семян, корней, корневищ находились в почве в период возделывания культур. По жизненным формам преобладают стержнекорневые растения. Структура травостоя четырехъярусная. Характерный признак маловозрастных залежей – многовидовой состав с преобладанием в травостое представителей семейств Brassicaceae, Chenopodiaceae, Amaranthaceae, Asteraceae. Заметна роль культурных видов. Полностью отсутствует древесно – кустарниковая растительность. Преобладание сорной растительности (с примесью вредных и ядовитых растений) в составе травостоя молодых залежей определяет их как бросовые земли, непригодные для хозяйственного использования.
Средневозрастные залежи по мере старения и уплотнения почвы заметно меняют видовой состав растений. Травостой с хорошо различимыми ярусами (не менее трех) и проективным покрытием 75 – 85%. Число видов сокращается до 90 – 92 за счет выпадения из травостоя большого числа одно- и двулетних растений. Постепенно исчезают культурные виды – пшеница, ячмень, просо, рожь, продолжает сохраняться лишь подсолнечник. В травостое залежи возрастает роль видов степного разнотравья за счет представителей семейств Rubiaceae, Scrophulariaceae, Apiaceae, Lamiaceae, Boraginaceae, Caryophyllaceae, Resedaceae, Liliaceae, Primulaceae. Усиливается роль полыней и молочаев, а также кормовых растений, представителей семейств Fabaceae и Poaceae. На этом типе залежей впервые появляется древесная растительность, её кустарниковая жизненная форма, из Caragana frutex (L.) Koch., Amygdalus nana L., Spiraea crenata L., Spiraea hypericifolia L., Cerasus fruticosa Pall. в виде единичных экземпляров, находящихся в вегетативной (виргинильной) стадии онтогенеза. Анализ видового состава средневозрастных залежей дает основание оценить их как бурьянистые, не имеющие хозяйственного значения угодья, так как доля в общей биомассе поедаемых растений еще не превышает десяти процентов.
Старовозрастные залежи приобретают черты естественных угодий региона, но еще не в полной мере соответствуют их характеристикам из-за доминирования полыней, молочаев, бодяков, расположенных куртинами, пространство между которыми занято рудеральными и степными видами. Сокращается численность видов до 60 – 65 за счет выпадения из травостоя некоторых одно- и двулетников. Усиленно развиваются корневищные, корнеотпрысковые и стержнекорневые виды многолетников. Резко возрастает процент степного разнотравья (68%), увеличивается доля мятликовых. Древесная растительность представлена кустарниками с обилием Sol-Sp. По фитоценотическому составу старовозрастные залежи медленно приближаются к фитоценозам целинных степей, они уже представляют хозяйственный интерес и могут использоваться в качестве пастбищных угодий для крупного рогатого скота, овец, лошадей.
Проведенные флористические исследования позволили установить, что видовой состав залежей определяется не только их возрастом, но и последним видом культуры, после которой поле ушло в залежь, то есть предшественником. Максимальное число видов растений характерно для молодых залежей и закономерно снижается с их старением. Такая же закономерность прослеживается и по предшественникам, со снижением этих показателей от «после зерновых» до «после многолетних трав» (таблица 2).
Таблица 2
Характеристика растительности разновозрастных залежей по отношению к предшественнику
| Группы залежей по отношению к предшественнику | Показатели | ||||||||
| видовой состав, шт. | видовая насыщенность, шт. / м2 | ярусность, число | обилие, доминанты (по Друде) | количественное и качественное соотношение видов | встречаемость видов (по Раункиеру), % | проективное покрытие, % | жизненность доминантов, баллы | ||
| Пятилетняя залежь | |||||||||
| После зерновых | 95-102 | 58-65 | 3-4 | Сор 2-3 | все четыре группы | 38-46 | 85-95 | 3 | |
| После подсолнечника | 75-85 | 49-54 | 4 | Сор 3 | все четыре группы | 40-45 | 90-95 | 3 | |
| После многолетних трав | 62-68 | 42-45 | 3 | Сор 3-Soc | 3 группы: доминанты второ- и третьестепенные виды | 35-40 | 92-95 | 3 | |
| Десяти – двенадцатилетняя залежь | |||||||||
| После зерновых | 72-82 | 48-52 | 3-4 | Сор 1-2 | все четыре группы | 41-50 | 75-80 | 3 | |
| После подсолнечника | 68-74 | 48-50 | 4 | Сор 3-2 | все четыре группы | 40-45 | 85-90 | 3 | |
| После многолетних трав | 60-62 | 42-44 | 3-4 | Сор 3-2 | все четыре группы | 38-45 | 90-92 | 3 | |
| Двадцатидвухлетняя залежь | |||||||||
| После зерновых | 62-65 | 40-46 | 3 | Сор 2 | все четыре группы | 44-56 | 65-71 | 3-2 | |
| После подсолнечника | 60-62 | 40-42 | 4 | Сор 2 | все четыре группы | 37-39 | 80-85 | 3-2 | |
| После многолетних трав | 52-54 | 40-42 | 4 | Сор 2 | все четыре группы | 36-38 | 82-85 | 3-2 | |
Наибольшей видовой насыщенностью и видовым составом обладают залежи, вышедшие из-под зерновых культур. Этот тип залежей характеризуется как бурьянистый с преобладанием в составе травостоя одно- и двулетников, а также части многолетников, свойственных посевам озимых и яровых культур (корневищные, корнеотпрысковые сорняки). Значительное место в составе флоры занимают виды, относящиеся к группе вредных и ядовитых растений.
На залежах после подсолнечника показатели видового состава и видовой насыщенности снижаются, в среднем, на 20% по сравнению с зерновыми предшественниками, что объясняется двумя причинами – проведением двух-трехкратных культиваций посевов подсолнечника за вегетацию и морфо-биологическими особенностями подсолнечника, препятствующего растениям, находящимся под его пологом, нормально развиваться и формировать семена – основной источник расселения сорной растительности. Этот вид залежей формирует типичную бурьянистую растительность с различным видовым составом и четырехъярусной структурой травостоя. Проективное покрытие 85 – 95%, на отдельных участках – 100%. Фоновое растение – подсолнечник однолетний, который сохраняется на залежах дольше всех культурных растений (до 15 лет).
Наименьшим видовым составом обладают залежи после многолетних трав (житняк, травосмеси). Травостой этого типа залежей свидетельствует о восстановлении растительного покрова, характерного для целинных участков с одинаковыми почвенно – орографическими условиями. Проявляется тенденция заселения залежей степным разнотравьем. Выявлено, что при нулевой обработке почвы, ушедшей в залежь, на бывших полях под посевами житняка резко сокращается численность сорных видов, и если они были, или оказались занесенными в период вхождения участка в залежь, то интенсивно вытесняются житняком и степными растениями. В растительном сообществе старой житняковой залежи наблюдается многовариантная пятнистость с доминированием видов полыни. Местами восстанавливаются сообщества с Stipa Zalesskii Wilensky, в виде отдельных куртин; группировки из Stipa Lessingiana Trin. Et Rupr. и Festuca valesiaca Gaudrn. Основным же доминантным видом остается житняк гребенчатый (Agropyron cristatum L.), часто образующий почти чистые насаждения. Наблюдается высокая степень конкурентноспособности житняка по отношению ко многим видам сорной растительности.
На залежах, вышедших из-под многолетних трав, формируются фитоценозы с преобладанием ценных кормовых растений и фрагментарным вклиниванием в травостой сорных видов. Этот тип залежи уже в первые годы своего существования представляет определенный хозяйственный интерес и может быть использован в качестве кормовых угодий.
Анализ растительности различного типа залежей позволил выделить в их составе 4 формации, 5 классов ассоциаций и 14 ассоциаций залежной растительности.
В классификационном плане о характеристике растительности молодых залежей можно говорить, только как о случайном сообществе растений с выделением в травостое парцелл, территориально обособленных растительных группировок, образованных определенными видами травянистых растений.
На залежах старших возрастов интенсивно идут процессы естественного отбора видового состава, начинают четко выделяться отдельные растительные группировки, в систематическом плане определяемые как ассоциации, приуроченные к особым специфическим почвенным условиям – солонцовым, карбонатным, щебнистым, разного увлажнения и богатства почвам.
По отношению к степени увлажнения в составе растительности молодых залежей преобладают мезофиты и мезоксерофиты, на долю которых приходится почти 70% видового состава. На средневозрастных залежах ксерофитная группа увеличивается до 15% за счет проникновения в травостой видов степного разнотравья. Возрастает доля ксеромезофтов до 39,1% и сокращается доля мезофитов до 27,5%. На старовозрастных залежах сокращается группа мезофитов (до 20,3%) и группа ксеромезофитов (до 18,6%). Возрастает до 20% ксерофитная группа, что говорит о ярко выраженном сукцессионном процессе в направлении аридизации видового состава, усиливающимся с возрастом залежей.
3.3. Водный режим залежей
Залежные земли, как антропохозяйственный объект, в силу нарушенности почвенного слоя, имеют ряд специфических особенностей водного баланса, связанного с возрастом залежей, предшественниками, характером рельефа местности, экспозиций участков, подтипами почв, их агрегатным составом и агрохимическими свойствами. Процессы влагооборота на залежах и контрольных вариантах (естественные угодья) изучались как на основе собственных исследований, так и на основе использования данных Беляевской гидрометеостанции. Оценка запасов почвенной доступной растениям влаги проводилась в три срока – весенний (начало мая), летний (конец июня – первая декада июля) и осенний (третья декада сентября). Характеристика разновозрастных залежей по динамике влажности почвы приводится в таблице 3
Таблица 3
Водный режим разновозрастных залежей
| Тип угодий | Запас продуктивной влаги в слое 0-100 см, мм. | |||||||||||
| 2008 г. | 2009 г. | 2010 г. | 2011 г. | |||||||||
| весенний запас | запас в июле | запас в сентябре | весенний запас | запас в июле | запас в сентябре | весенний запас | запас в июле | запас в сентябре | весенний запас | запас в июле | запас в сентябре | |
| Залежи 2х-3х летние | 144,5 | 91,4 | 52,3 | 157,5 | 62,1 | 53,6 | 152,4 | 48,2 | - | 148,0 | 76,5 | 52,7 |
| Залежи 5и-6и летние | 140,0 | 83,5 | 48,1 | 152,4 | 63,6 | 59,8 | 148,6 | 60,3 | 4,0 | 146,2 | 71,8 | 51,4 |
| Залежи 10и-12и летние | 137,3 | 81,7 | 46,6 | 144,3 | 64,5 | 63,7 | 140,5 | 52,3 | 9,4 | 139,8 | 69,5 | 50,0 |
| Залежи 15и-16и летние | 136,2 | 78,3 | 45,0 | 143,8 | 64,8 | 63,8 | 141,2 | 46,9 | 17,4 | 140,0 | 72,1 | 48,0 |
| Залежи 20и-25и летние | 135,8 | 76,5 | 41,2 | 139,7 | 59,4 | 62,2 | 139,7 | 49,2 | 10,7 | 138,7 | 72,4 | 57,6 |
| Целинный участок (сенокосное угодье) | 135,1 | 77,0 | 42,0 | 138,4 | 60,2 | 64,6 | 136,4 | 50,9 | 12,1 | 137,2 | 74,5 | 54,3 |
Анализ влагообеспеченности угодий показал, что по всем годам наблюдений весенний запас продуктивной влаги в метровом слое почвы был относительно стабильным и характерным для южных карбонатных тяжелосуглинистых черноземов степной зоны Южного Урала. Динамика же почвенной влаги в зависимости от условий года резко разнилась, особенно это ярко проявилось в 2010, исключительно неблагоприятном по уровню увлажнения году.
Анализ влагозапасов разновозрастных залежей выявил тенденцию их уменьшения от молодых к старовозрастным типам. Это объясняется наличием на молодых залежах значительного количества остатков сухих крупностебельных растений, способствующих задержанию снега, что и приводит к увеличению влагообеспеченности почвы. В то время как старовозрастные залежи имеют другой видовой состав растительности, не способной задерживать зимние осадки. Поэтому величина весеннего запаса влаги по разновозрастным залежам колеблется в пределах 7-17%. Молодые залежи в вегетационный сезон расходуют большее количество влаги, чем старовозрастные – 100 и 80 мм, что объясняется большим растительным потенциалом на маловозрастных залежах. Старовозрастные залежи по накоплению и расходу почвенной влаги приближаются к целинным участкам с их квазинатуральной растительностью.
Оценка влагозапасов и их динамики по различным предшественникам не выявила существенных различий по накоплению и расходу влаги, что связано, очевидно, со стабилизацией растительности и почвенной структуры этих типов залежей.
3.4. Характеристика почвенного плодородия залежей
По кадастровой оценке залежные земли, на которых проводились исследования, принадлежат к категории низкопродуктивных угодий (Блохин Е.В., 1997).
Для гумусового профиля южного карбонатного тяжелосуглинистого чернозема характерно малое содержание гумуса (3,5-4,5%), резкое его убывание с глубиной. Суммарные запасы гумуса в полуметровом слое не превышают 120-140 т/га, что говорит о его малой биогенной аккумуляции (Ерохина А.А., 1959; Климентьев А.И., 1997; Бирюкова О.Н., 2004).
На залежах, процессы, связанные с динамикой накопления гумуса, содержания и запаса доступных и подвижных форм элементов питания имеют иной характер по сравнению с землями под посевами полевых культур, на которых ежегодно происходит отчуждение части запасов элементов питания с надземной биомассой в виде соломы, зерна и др. Ежегодная обработка почвы (вспашка, культивация) приводят к усилению процессов деструкции органики почвы, нарушению процессов гумификации, в конечном счете, к потере почвенного плодородия. На залежах вышеназванные процессы протекают в ином направлении: происходит естественный процесс гумусонакопления, стабилизируются процессы структуризации почвы (таблица 4).
Таблица 4
Агрохимическая характеристика почвы
разновозрастных залежей (слой 0-30 см)
| Тип угодий | Гумус, % т/га | Содержание и запасы доступных и подвижных соединений, мг/100г, кг/га | pH водной вытяжки | Емкость поглощения оснований, мг. экв /100г почвы | Степень насыщенности основаниями, V% | ||
| N | P | K | |||||
| Залежи 2х-3х летние | 3,72 111,6 | 1,25 37,5 | 2,51 75,3 | 27,8 834 | 7,5 | 27,5 | 78,4 |
| Залежи 10и-12и летние | 3,90 117,0 | 1,28 38,4 | 2,78 83,4 | 28,9 867 | 7,6 | 29,4 | 78,5 |
| Залежи 20и-22х летние | 3,95 118,5 | 1,31 39,3 | 2,89 86,7 | 29,4 882 | 7,6 | 31,2 | 79,0 |
| Целинный участок (сенокос) | 4,21 127,3 | 1,39 41,7 | 3,03 90,9 | 31,1 933 | 7,8 | 31,5 | 81,3 |
По результатам анализов четко прослеживается возрастание содержания гумуса от 2-х – 3-х летних маловозрастных залежей к залежам 20-и – 22-х летним, хотя этот процент относительно небольшой (на уровне 6%). Наиболее интенсивно в почвах залежей идет процесс увеличения содержания подвижного фосфора от молодых к старовозрастным залежам, достигнув значения 15%. Содержание обменного калия, имея тенденцию к увеличению, возрастает не более чем на 5%. Результаты наших исследований согласуются с показателями динамики подвижных форм питательных веществ ряда других исследователей (Возбуцкая А.Е., 1994; Ряховский А.В., 2004 и др.).
Залежный этап развития дернового процесса почв связан с восстановлением их плодородия, выражающегося в увеличении содержания в почве основного элемента плодородия – гумуса; увеличиваются с возрастом залежей доступные и подвижные формы азота, фосфора и калия. Тем не менее, даже на старовозрастных залежах содержание гумуса и элементов питания не достигает значений этих показателей, характерных для естественных угодий на ненарушенных землях.
3.5. Биомасса залежей
Определение общего количества наземной органической массы в растительных сообществах проводили в период максимального развития травостоя, совпадающего с фазой массового цветения (Ларин, 1936).
Продуктивность залежей непостоянна в течение сезона. Она зависит от видового состава растений, слагающих конкретные сообщества и почвенно – гидрологических условий их местообитания. Особенно велика роль осадков, значительные отклонения которых от средней величины вызывают перемены в составе растительности и, как следствие, различия в общей величине наземной фитомассы. Минимальная продуктивность фитомассы отмечается в весенний и раннелетний периоды.
Залежи молодые за счет большой бурьянистой массы зеленых растений накапливают большую растительную массу по сравнению с залежами старших возрастов, где бурьянистый тип растительности сменяется и происходит остепнение фитоценозов. Воздушно-сухая биомасса растений, без учета ветоши и опада, закономерно снижается от молодых до старовозрастных залежей, что связано с целым рядом факторов: сокращением числа видов на единице площади с возрастом залежи, изменением жизненных форм растительных группировок, сокращением проективного покрытия, изменениями в структуре фитоценозов за счет сокращения – увеличения отдельных хозяйственно-биологических групп. По предшественникам биомасса возрастает от залежей после подсолнечника к залежам после многолетних трав (таблица 5).
Таблица 5
Биопродуктивность залежей (сухая масса), т/га, % (2008 – 2011 гг.)
| Урожай сухой надземной массы, т/га | НСР 0,5 | В т.ч. по ярусам, т/га / % | ||||
| I | II | III | IV | |||
| Пятилетняя залежь | ||||||
| После подсолнечника – 1,33 | 0,081-0,084 | 0,21/15,8 | 0,66/49,7 | 0,30/22,2 | 0,16/12,3 | |
| После зерновых – 1,51 | 0,078-0,081 | 0,22/15,0 | 0,7/46,3 | 0,46/30,1 | 0,13/8,6 | |
| После многолетних трав – 1,57 | 0,067-0,070 | 0,20/14,6 | 0,77/48,0 | 0,44/27,4 | 0,16/10 | |
| Десяти-двенадцатилетняя залежь | ||||||
| После подсолнечника – 1,30 | 0,068-0,079 | 0,19/14,6 | 0,62/48,0 | 0,34/26,0 | 0,15/11,4 | |
| После зерновых – 1,43 | 0,066-0,075 | 0,20/14,0 | 0,68/47,5 | 0,45/31,2 | 0,10/7,3 | |
| После многолетних трав – 1,48 | 0,056-0,061 | 0,22/14,8 | 0,69/46,4 | 0,41/27,8 | 0,16/11,0 | |
| Двадцати-двадцатидвухлетняя залежь | ||||||
| После подсолнечника – 1,29 | 0,062-0,065 | 0,18/13,8 | 0,59/46,0 | 0,35/27,0 | 0,17/13,2 | |
| После зерновых – 1,36 | 0,057-0,063 | 0,18/13,5 | 0,61/45,4 | 0,44/32,3 | 0,13/8,8 | |
| После многолетних трав – 1,39 | 0,045-0,049 | 0,19/13,7 | 0,62/44,9 | 0,41/29,5 | 0,17/11,9 | |
4. Сукцессионные процессы на залежах
Четкой сменой аспектов фитоценозов характеризуются средневозрастные (десяти-двенадцатилетние) и старовозрастные (пятнадцатилетние и старше) залежи. В сукцессионном плане на этих типах залежей ярко проявляются годичные аспекты фитоценозов: весенне-летний – молочайный, желто-зеленый; летний – полынный, серо-зеленый и осенний – седой за счет массового развития в травостое залежей осенних видов солянок и кохий. На молодых залежах (одно – пятилетних) формируется бурьянистый тип растительности без выраженной смены аспектов фитоценоза и ценотических групп.
Сукцессии на залежных землях сухостепной зоны Южного Урала имеют свою специфику и не укладываются в общепринятую схему зацелинения степных залежей, установленную классиками степеведения (Залесский, 1918; Лавренко, 1940; Семенова-Тян-Шанская, 1966 и др.) и состоящую из четырех стадий: бурьянистая, корневищная, стадия рыхлокустовых злаков, стадия плотнокустовых злаков (вторичная целина). Наши исследования не выявили четко очерченной корневищной стадии дернового процесса. Практически после начальной бурьянистой стадии растительности на залежах формируется переходная стадия – бурьянисто – полынно – разнотравная, компонентами которой выступают как виды бурьянистой стадии, так и виды – переселенцы из аборигенной флоры окружающих угодий. Корневищные растения оказываются в составе травостоя в виде отдельных пятен, приуроченных к наиболее богатым влагой и элементами питания участкам полей и не создают общего фона. Эта стадия в сукцессионном процессе растительности проходит латентно, без ярко выраженных морфологических признаков, что связано с особенностями климатических условий сухостепной зоны Южноуральского региона.
Процесс заселения залежей видами естественной флоры региона – длительный. Исследователи, работающие по этой тематике, говорят о 40-60 летнем периоде зацелинения (Султанова Б.Н. и др., 2007; Рябинина З.Н., 2003).
На первом этапе зацелинения залежей формируется растительность бессистемного характера, зависящая в первую очередь от запасов в почве (на каждом конкретном участке) семян и вегетативных органов размножения растений – корневищ и корневых отпрысков, что коррелирует с особенностями почвенного покрова – трофностью, уровнем увлажнения, механическим и химическим составом почв. Поэтому на молодых залежах травостой не образует четко обособленных групп.
На 10-и – 15-и летних залежных участках в составе травостоя обычными видами являются представители мятликовых – рыхло- и плотнокустовых групп: ковыли, мятлики, житняки, овсяницы; виды степного разнотравья – корнеотпрысковые и стержнекорневые растения. На этом типе залежей вместо формирования после бурьянистой стадии корневищной формируется бурьянисто – полынная, по длительности существования охватывающая двадцати – двадцатипятилетний срок. Дальнейший процесс зацелинения идет за счет постепенного возрастания числа видов степной флоры, смены доминантов и эдификаторов, снижения роли в фитоценозах видов полыней, молочаев и возрастания доли мятликовых и степного разнотравья.
В процессе зацелинения залежных земель даже 20-и – 25-и летние залежи по видовому составу и фитоценотическим группам не достигают показателей, характерных для целинных участков. Это ещё раз подчеркивает длительность процессов демутации залежной растительности сухостепной Южно-Уральской природной зоны. Наиболее отчетливо процесс степного зацелинения проявляется на житняковых залежах, более близких по своему строению и структуре к естественным степным экосистемам.
5. Оценка залежей с хозяйственной и экономической точек зрения
Оценка продуктивности (биологическая и хозяйственная) разного типа залежей с выделением 11 групп травянистых растений, как это принято в геоботанической практике (Общесоюзная инструкция …, 1984), позволила выявить ряд закономерностей в формировании структуры биомассы и её хозяйственной ценности (таблица 6).
Таблица 6
Продуктивность и хозяйственно-биологическая оценка биомассы залежной растительности (предшественник – зерновые культуры)
| Типы залежей | Продуктивность, т / га | Группы хозяйственной ценности видов залежной растительности, % | ||||||||||
| злаки | бобовые | полыни | осоки | солянки сухие | солянки сочные | эфемеры | разнотравье | непоедаемые | вредные | ядовитые | ||
| 2-х – 5-и летние | 1,51 | 2,5 | 0,8 | 44,1 | 0,1 | 9,2 | - | 0,2 | 11,5 | 19,8 | 8,4 | 3,5 |
| 10-и – 12-и летние | 1,31 | 7,3 | 1,2 | 38,3 | 0,1 | 8,4 | - | 0,3 | 14,7 | 18,5 | 7,8 | 3,4 |
| 15-и – 16-и летние | 1,22 | 18,7 | 2,9 | 34,2 | 1,0 | 7,7 | 0,1 | 0,3 | 18,8 | 8,9 | 6,2 | 1,2 |
| 20-и – 25-и летние | 1,14 | 35,4 | 4,3 | 22,3 | 2,8 | 3,0 | 0,1 | 0,3 | 26,5 | 4,4 | 1,0 | 0,2 |
| Целинное угодье | 1,11 | 50,4 | 6,4 | 7,6 | 4,0 | 1,2 | 0,3 | 0,1 | 28,9 | 0,6 | 0,4 | 0,1 |
На залежах, где предшественником были зерновые культуры, ценные группы растений – злаки, бобовые, осоки увеличиваются в процентном отношении, особенно группа злаки с 2,5% на молодых до 35,4% на старовозрастных залежах. На молодых и средневозрастных залежах велика доля полыней, достигающая значений 34,2 – 44,1% травостоя, с уменьшением на старовозрастных залежах до 22,3% при наличии на целинных участках полыней около 8% травостоя. В процессе зацелинения залежей возрастает группа разнотравья с 11,5% на молодых залежах до 26,5% на старовозрастных, где формируются разные группы ассоциаций. Общая доля поедаемых видов растений трех основных вышеназванных групп растет от 3,4% на молодых до 42,5% на 20-и – 25-и летних залежах.
Наиболее ценными в хозяйственно – биологическом отношении являются залежи, вышедшие из-под многолетних трав, на которых наиболее успешно идут процессы зацелинения и формируется травостой пригодный для хозяйственного использования даже на ранних этапах зацелинения. На житняковых залежах формируются фитоценозы с преобладанием ценных кормовых растений. Доля поедаемых видов растений достигает значения в 65 – 75 %, в основном, за счет злаковой группы (таблица 7).
Таблица 7
Продуктивность и хозяйственно-биологическая оценка биомассы растительности житняковой залежи
| Типы залежей | Продуктивность, т / га | Группы хозяйственной ценности видов залежной растительности, % | ||||||||||
| злаки | бобовые | полыни | осоки | солянки сухие | солянки сочные | эфемеры | разнотравье | непоедаемые | вредные | ядовитые | ||
| 10-и – 12-и летние | 1,48 | 72,0 | 4,4 | 5,6 | 0,2 | 3,4 | 0,1 | 0,5 | 7,2 | 3,2 | 2,7 | 0,7 |
| 20-и – 25-и летние | 1,40 | 64,8 | 4,8 | 6,3 | 0,3 | 2,1 | 0,1 | 0,4 | 14,1 | 3,6 | 3,0 | 0,5 |
| Целинное угодье | 1,11 | 50,4 | 6,4 | 7,6 | 4,0 | 1,2 | 0,3 | 0,1 | 28,9 | 0,6 | 0,4 | 0,1 |
На залежах, после предшественника подсолнечника, общая картина формирования биомассы отличается от двух предыдущих (таблица 8).
Таблица 8
Продуктивность и хозяйственно-биологическая оценка биомассы залежной растительности (предшественник – подсолнечник)
| Типы залежей | Продуктивность, т / га | Группы хозяйственной ценности видов залежной растительности, % | ||||||||||
| злаки | бобовые | полыни | осоки | солянки сухие | солянки сочные | эфемеры | разнотравье | непоедаемые | вредные | ядовитые | ||
| 2-х – 5-и летние | 1,47 | 1,3 | 0,4 | 38,5 | - | 10,7 | 0,2 | 0,2 | 20,6 | 18,1 | 9,8 | 0,2 |
| 10-и – 12-и летние | 1,32 | 2,4 | 0,5 | 30,8 | 0,1 | 10,2 | 0,2 | 0,3 | 20,5 | 19,0 | 9,7 | 0,3 |
| 20-и – 25-и летние | 1,21 | 19,4 | 3,7 | 25,5 | 1,5 | 6,1 | 0,3 | 0,4 | 25,8 | 12,1 | 7,1 | 0,1 |
| Целинное угодье | 1,11 | 50,4 | 6,4 | 7,6 | 4,0 | 1,2 | 0,3 | 0,1 | 28,9 | 0,6 | 0,4 | 0,1 |
Этот вид залежей наименее ценен в кормовом отношении, о чем можно судить по меньшему проценту (почти в 2 раза) участия в травостое (по массе) злаковой и бобовой групп, высокому проценту полыней и меньшему проценту разнотравья. Это объясняется ведущей ролью и длительным доминированием в травостое подсолнечника со значительным обилием (Cop2-3) даже на старовозрастных залежах, угнетающим его воздействием на другие группы залежной растительности. На этом типе залежи по всем её возрастным группам сохраняется высокий процент вредных растений.
Закономерной на молодых залежах является тенденция увеличения в травостое доли злостных, трудноискоренимых сорняков (виды бодяка, молочая, осота, молокан татарский и др.), карантинных видов (амброзия, горчак, повилика) и вредных растений (виды лопуха, липучки, чертополоха, чернокорень лекарственный, череда). Обладая повышенным генеративным потенциалом, производя массовое количество семян, бурьянистые залежи загрязняют окружающие поля культурных растений. Жизненный потенциал этого типа залежей исчерпывается только со временем, когда начинает проявляться уплотнение почвы и конкурентными оказываются корневищные и дерновинные мятликовые.
Считается (В.Р. Вильямс, 1942; А.А. Кутузова, 1989), что наиболее ценной в хозяйственном отношении является стадия доминирования корневищных злаков. Залежи в этой стадии дают наибольшую кормовую массу. Однако, в условиях южной сухой степи эта стадия развития залежей, как правило, не имеет ярко выраженного характера и обычно нивелируется в переходных стадиях – от бурьянистой до типичной степной через полынно-молочайную стадию сукцессионного процесса растительности.
Таким образом, будучи резервациями вредных организмов (сорняки, животные, болезни) бросовые земли обусловливают устойчивый риск постоянной угрозы распространения злостных сорняков, нашествий вредителей и возбудителей болезней.
Позитивная роль залежных земель заключается в выполнении важных экосистемных функций: депонировании углерода, реабилитации почвенного плодородия и способствовании восстановлению степного флористического биоразнообразия.
Выводы
1. Видовой состав флоры залежных земель степной зоны Южного Урала насчитывает 124 вида высших сосудистых растений, принадлежащих к 25 семействам и 93 родам. Крупнейшими семействами, представленными в фитоценозах залежей, являются Asteraceae (32 вида), Poaceae (16 видов), Brassicaceae (13 видов). Остальные 22 семейства с разным числом видов – от 10 до 1.
2. Количественный состав растительности залежных земель изменяется в зависимости от их возраста и предшественника. С возрастом залежей снижается количество видов растений за счет уплотнения почвы и выпадения из травостоя культурных растений, яровых и озимых одно-двулетников, части многолетних сорных видов. Аналогичная закономерность прослеживается и по предшественникам, со снижением этих показателей от «после зерновых» до «после многолетних трав».
Анализ растительности различного типа залежей позволил выделить в их составе 4 формации, 5 классов ассоциаций и 14 ассоциаций залежной растительности.
3. Залежный этап развития дернового процесса почв связан с восстановлением их плодородия. Содержание гумуса, запасов доступных и подвижных форм питательных веществ, ёмкости поглощения оснований и степени их насыщения увеличивается с возрастом залежи, достигая максимума показателей на старовозрастных залежах. По показателям плодородия этот тип залежей приближается к целинным участкам.
4. Анализ влагозапасов разновозрастных залежей выявил тенденцию их уменьшения от молодых к старовозрастным типам. Это объясняется наличием на молодых залежах значительного количества остатков сухих крупностебельных растений, способствующих задержанию снега, что и приводит к увеличению влагообеспеченности почвы. Расход продуктивной влаги максимальный на молодых залежах, имеющих больший растительный потенциал по сравнению со старовозрастными залежами, которые по накоплению и расходу почвенной влаги приближаются к целинным участкам с их квазинатуральной растительностью.
5. Средне- и старовозрастные залежи, в отличие от молодых, характеризуются четкой сменой аспектов фитоценозов: весенне-летнего – молочайного, желто-зеленого; летнего – полынного, серо-зеленого и осеннего – седого за счет массового развития в травостое залежей осенних видов солянок и кохий. В ходе сукцессионного процесса растительности на залежных землях сухостепной зоны Южного Урала выпадает корневищная стадия, и ее место на длительный период занимает переходная – бурьянисто – полынно – разнотравная.
6. Начиная с бурьянистой стадии, на залежах интенсивно идет процесс зацелинения, связанный с проникновением в состав травостоя видов флоры естественных угодий. Роль адвентивных видов на залежах длительное время остается слабо выраженной из-за доминирования в травостое молочаев, полыней, бодяков, препятствующих нормальному росту, развитию и расселению этих видов. Поэтому процесс демутации залежей в естественные угодья растягивается на многие десятилетия (40-60 лет).
7. Воздушно-сухая биомасса растений закономерно снижается от молодых до старовозрастных залежей, что связано с сокращением числа видов на единице площади с возрастом залежи, изменением жизненных форм растительных группировок, изменениями в структуре фитоценозов за счет сокращения – увеличения отдельных групп растений. По предшественникам биомасса возрастает от залежей после подсолнечника к залежам после многолетних трав. Хозяйственно – биологическая оценка растительной массы показала высокое качество и кормовые достоинства биомассы растительности с залуженных многолетними травами участков залежей. Все остальные типы залежей формируют бурьянистый характер растительности и не имеют хозяйственного значения из-за подавляющего количества в их травостое непоедаемых и вредных видов.
Практические рекомендации
Выведенные в залежи низкопродуктивные земли целесообразнее всего использовать в качестве сенокосов или пастбищ путем создания на них травостоя из посевов житняка, двухкомпонентных смесей (житняк + люцерна) или поливариантных смесей из мятликовых и бобовых трав сортами, районированными в Южно-Уральской природной зоне по существующим в регионе технологиям.
Список публикаций по теме диссертации
1. Ходячих, И.Н. Календарь цветения основных лекарственных растений Оренбургской области / И.Н. Ходячих // Проблемы устойчивости биоресурсов: теория и практика. Материалы 2-ой Российской научно-практической конференции. – Оренбург, 2005. – С.114 – 118.
2. Абаимов, В.Ф. Мониторинг залежей сухостепной зоны Южного Урала / В.Ф. Абаимов, Н.В. Ледовский, И.Н. Ходячих // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2010. – № 2 (26). – С. 199 – 200.
3. Абаимов, В.Ф. Водный и пищевой режимы разновозрастных залежей в сухостепной зоне Южного Урала / В.Ф. Абаимов, И.Н. Ходячих, Н.В. Ледовский // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2011. – № 1 (29). – С. 18 – 19.
4. Абаимов, В.Ф. Характеристика разновозрастных залежей южной зоны Оренбургской области / В.Ф. Абаимов, Н.В. Ледовский, И.Н. Ходячих // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2011. – № 1 (29). – С. 204 – 206.
5. Абаимов, В.Ф. Флористический анализ разновозрастных залежей / В.Ф. Абаимов, И.Н. Ходячих, Н.В. Ледовский // Известия Оренбургского государственного аграрного университета.– 2011. – № 3 (31). – С. 301 – 302.
6. Ходячих, И.Н. Обилие и локализация редких и исчезающих видов растений на кормовых угодьях и разновозрастных залежах сухостепной зоны Южного Урала / И.Н. Ходячих // Известия Оренбургского государственного аграрного университета.– 2011. – № 4 (32). – С. 37 – 39.
7. Ходячих, И.Н. Водный режим и урожайность сухой массы на разновозрастных залежах / И.Н. Ходячих // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2012. – № 1 (33). – С. 50 – 52.
