Влияние приема биологической рекультивации на деградированные естественные пастбища в аридной зоне Северного Прикаспия

На светло-каштановых почвах, по данным ряда ученых (Зволинского В.П., Дроновой Т.Н. и др.), посевы в сухой степи люцерны с житняком дает возможность на второй год жизни растений получить до 2,6 т/га сена высокого качества. Посевы кострецово-житняковой смеси дали урожайность до 2,40 т/га сена.

Для восстановления продуктивных качеств фитоценозов деградированных пастбищ Калмыкии, Дедовой Э.Б. разработаны технологии их коренного улучшения с применением на бурых легкосуглинистых солонцеватых почвах житняка пустынного, а на бурых супесчаных почвах - житняка сибирского, позволяющие получать соответственно 5,3…8,2 т/га и 4,7…6,9 т/га зеленой массы.

Ученые университета штата Монтана США (годовая сумма осадков 325 мм) своими исследованиями подтверждают не только целесообразность, но и необходимость создания многокомпонентных агрофитоценозов для получения в зоне с недостаточным увлажнением качественных кормов. Их данные (средние за 4 года) по продуктивности различных смесей таковы: житняк и люцерна - 2,20 т/га, волоснец и люцерна - 2,8 т/га, при этом на естественных пастбищах урожайность составила 0,5-0,6 т/га.

Посев трав, а также предваряющих их культур, при коренном улучшении пастбищ производят обычно ранней весной или осенью, однако возможен и подзимний подсев, черезрядным или широкорядным способом с обязательным прикатыванием.

Тип почв - решающий фактор для выбора способа основной обработки почвы под чистый пар. Глубокое рыхление на 0,25-0,27 м или обычная вспашка с почвоуглублением - для мелких солонцов. Глубокая мелиоративная вспашка на 0,35-0,40 м. - это способ основной обработки почвы на средних и глубоких солонцах. Глубокое на 0,25-0,27 м безотвальное рыхление или отвальная вспашка на эту же глубину необходимо применять на светло-каштановых почвах с долей солонцов до 10-15%, а также на зональных солонцеватых бурых почвах.

Максимальное накопление и сохранение в почве атмосферной влаги, создание таких оптимальных свойств почвы, как водно-физические, агротехнические и биологические, вот основные задачи приемов агротехники в паровом поле.

Культурные пастбища многолетних трав требуют постоянного ухода. Подкормка минеральными удобрениями, ранневесеннее боронование, одно- или двукратное рыхление междурядий широкорядных посевов, подкашивание сорных растений после уборки трав на сено, вот неполный список основных работ, необходимых при коренном улучшении.

Система пастбище- и сенокосооборотов также предусматривает рациональное использование культурных многолетних пастбищ и сенокосов. Использование сеяных трав начинается с осени второго года жизни, когда применяется регулируемый выпас скота или же производится один укос с последующим выпасом на отаве.

Если бы дифференцированные пастбищные нагрузки и пастбищеобороты имели широкое применение на практике или были закреплены законодательными актами, обязательными для исполнения, вопрос по улучшению и сохранению пастбищной растительности не был актуальным. Однако, когда в критических случаях деградационные процессы имеют уже необратимый характер, это требует проведение мелиоративных мероприятий.

Современная наука и практика предлагают достаточно эффективные технологии восстановления деградированных пастбищ. Теоретические исследования Т.А. Работнова, К.А. Куркина, Л.Г. Раменского, З.Ш. Шамсутдинова, Н.Т. Нечаевой, и других ученых заложили в эти технологии такие фундаментальные положения фитоценологии и экологии, как дифференциации экологических ниш, концепция неполночленности фитоценозов, учение об адаптивной стратегии растений [139; 137; 92; 127].

Рекультивация деградированных естественных пастбищ, расположенных в аридных зонах, по современным концепциям должна базироваться на использовании природной флоры (виды - мелиоранты), которая приспособлена эволюционно к существованию в таких условиях.

Начало первым работам по улучшению растительности аридных пастбищ было положено в Средней Азии еще в 1931-1935 гг. [6; 7]. При том, что эти первые опыты оказались не очень удачными и практически не дали положительных результатов, в итоге была накоплена определенная база данных по использованию в культуре некоторых диких видов растений. Большое количество исследователей (А.П.Фомина; В.В.Лепеско; И.М. Торохтун; Т.Я.Стеснягина; Л.П.Синьковский; Г.А. Сергеева; В.М. Свешникова; Л.Е. Родин; У.Пратов; Statler Glen D.;М.И. Пехачек; Н. Т. Нечаева; Н.Л. Морозов; О.И.Морозова; Н.А.Матвеев; А.С.Лозина-Лозинская; Р.Е.Левина; Л.Я.Курочкина; Л.П.Шевчук; В.И.Конычева, З.Ш. Шамсутдинов; Л.С. Гаевская; Т.Рахимова; А.А.Бутник; В. E.Kisingers; Р.С. Верник; Л.С.Паузнер; G.S.Strickler, А.С.Запрометова; К.З.Закиров; В.А. Бурыгин; В.П.Бочанцев; З.Г.Беспалова; И.П.Леонтьева; П.П.Бегучев; И.С. Амелин) впоследствии изучали растительность, типичную для аридных зон. Было испытано большое количество, более 300 видов, входящих в 29 семейств, растений, используемых животными для корма, в том числе: семейство Мятликовые - 75 видов; семейство Маревые - 40 видов; семейство Бобовые - 29 видов, семейство Капустные - 25 видов, семейство Астровые -17 видов; семейство Гречишные - 14 видов; семейство Зонтичные - 10 видов. Остальные 50 видов относятся к 22 семействам [6; 7; 8; 14; 15; 16; 17; 18; 20; 21; 23; 24; 25; 26; 27; 28; 35; 36; 44; 86; 93; 102; 103; 105; 116; 117; 118; 119; 122; 124; 133; 134; 136; 144; 145; 147; 149; 150; 151; 153; 157; 158; 159; 162; 166; 173; 174; 175; 176; 177; 178; 179; 193; 194].

Если принять за 100% все жизненные формы, то из всех испытанных видов растений 90% составили травы, а деревья, кустарники и полукустарники составили вместе 10 %. Однако, в аридных областях именно эти, малоизученные формы, оказались более приспособленными и перспективными для использования [23; 126; 125; 127; 176; 175]. В большей степени полукустарники, а также кустарники и деревья показали себя наиболее устойчивыми и продуктивными для стрессового режима аридных природных условий. Изучению этих жизненных форм растений посвящен целый ряд основательных работ по следующим направлениям: эколого-физиологическое (Н.Мухитдинов и Т.Рахимова; В.М.Свешникова; В.Л. Вознесенский; О.В.Заленский; Л.Н.Алексеева; Н.П.Ошанина; И.Л.Захарьянц, Л.Х.Наабер и С.Ф. Фазылова,); анатомо-морфологическое (Д.К. Саидов и А.А. Бутник; В.К. Василевская), эколого-популяционное (И.О. Ибрагимов и З.Ш. Шамсутдинов) [64; 65; 3; 62; 37; 150; 142; 143; 30; 31; 32; 27; 28; 176; 178].

Все эти и многие другие ученые в результате своих многолетних исследований предложили для окультуривания аридных пастбищ и сенокосов около 30 перспективных видов различных жизненных форм растений, в том числе: однолетники (Climacoptera lanata, Gamanthus gamocarpus, Halimocnemis villosa, Suaeda arcuata, Eremopyrum orientalis, Bromus tectorum, Malcolmia grandiflora); многолетние травы (Poa bulbosa, Astragalus agameticus и др.); камфоросма (Camphorosma Lessingii); различные виды полыни (Artemisia turanica, A. diffusa, A. halophila и др.); прутняк (Kochia prostrata); терескен (Ceratoides eversmanniana, E.); солянка восточная (S.orientalis); боялыч (Salsola arbusculiformis, S. laricifolia); элления (Aelenia subaphylla); солянка Палецкого (S. Paletzkiana); солянка Рихтера (Salsola richteri); эфедра (Ephedra strobilacea); джузгуны (Calligonum rubens, C. caput-medusae, C. microcarpus, C. setosum); саксаул черный и белый (Haloxylon aphyllum, H. persicum).

Ряд ученых (З.Ш. Шамсутдинов, А.А. Хамидов, Ю.И. Ионис и др.) важнейшей научной и практической задачей называют разработку методов восстановления продуктивности и увеличения биоразнообразия деградированных кормовых угодий, для чего из всех исследуемых аридных кормовых растений необходимо использовать зональные виды и типичные сорта [179]. Для решения этих основных проблем по борьбе с деградацией в пустынной и сухостепной зонах (увеличение продуктивности и флороценотического разнообразия кормовых экосистем, а также восстановление их структурно-функциональной организации) необходимо использовать фундаментальные научные разработки в области биогеоценологии и экологии. К этим разработкам относятся определения трех концепций:

- концепция флористической и ценотической неполночленности;

- концепция типов адаптивной стратегии растений;

- концепция взаимной дополняемости видов.

Первая концепция - это определение деградированных естественных кормовых экосистем как вторичных образований с нарушенной структурно- функциональной организацией, которые утратили свой продукционный потенциал и устойчивость. Такие экосистемы отличаются ценотической и видовой неполночленностью, что, практически, выражено как обедненность видового состава травостоя, упрощенная структура его организации, а также низкая заполненность биогоризонтов вегетативными, органами растений аридных сообществ [125; 177; 178].

Основная проблема этих неполночленных экосистем - недоиспользование имеющихся экологических ресурсов, в результате чего остаются нереализованными их потенциальные возможности, которые необходимы этим экосистемам для производства органического вещества в максимально возможном количестве. Для того, чтобы обосновать необходимость и возможность экологической реставрации полупустынных и степных кормовых угодий для повышения их продуктивности, важно выявить эти недоиспользованные материально-энергетические ресурсы.

Вторая концепция - это разделение растений по совокупности их приспособлений к жизненным условиям биоценозов, которые подвержены периодической изменчивости. В результате этих приспособлений каждый вид сформировал свою особую стратегию жизни, то есть свое определенное положение в фитоценозе, которое обеспечивало ему совместное обитание с другими видами[137]. Разными учеными (Раменский Л.Г. и Грайм Дж.) были выделены аналогичные три типа стратегии жизни с разными названиями и символами. По Раменскому Л.Г. - виоленты, патиенты и эксплеренты; по Грайму Дж. - конкуренты (К), стресстолеранты (S), рудералы (R) [139, 186].

Виоленты (конкуренты, К) - это такие виды, которые обладают высокой жизненной энергией и отличаются использованием ресурсов среды в полном объеме. Стратегия жизни виолентов - подавить соперников, захватить территорию и удержать её за собой. В аридной зоне, по Шамсутдинову З.Ш., к данному типу относятся такие виды растений: мятлик луковичный (Poa bulbosa); различные виды полыни (Artemisia diffusa, A. Lerchiana, A. pauciflora); прутняк простертый (Kochia prostrata); терескен серый (Eurotia ceratoides); кандым голова медузы (Calliconum caput-medusae); черкез Рихтера (Salsola Richteri); черкез Палецкого (Salsola Paletzkiana); белый саксаул (Haloxylon persicum); черный саксаул (Haloxylon aphyllum) [175].

Стратегия жизни патиентов (стресстолеранты S) - высокая степень выносливости, способность существовать вне оптимальных для них условий. Дефицит влаги, питания, а также света, тепла, иногда - сочетание всех или нескольких факторов - вот те крайние условия, которые способны выдержать патиенты в борьбе за свое существование. Это такие растения как: астрагал агаметский (Astragalus agameticus); солерос (Salicornia herbacea); галимокнемис (Halimocnemis villosa); гамантус (Gamanthus gamacarpus); климакоптера (Climacoptera lanata); камфоросма (Camphorosma Lessingii); борджок (Ephedra strobilacea); тетыр (Salsola gemmasens);солянка восточную (Salsola orientalis).

Эксплеренты (R) - это виды- «захватчики» освободившейся на время территории. При низкой конкурентной способности эти виды очень активно заполняют пространство, свободное в данное время от межвидовой борьбы. Виды, обладающие таким типом жизненной стратегии, следующие: лепталеум (Leptaleum filifolium); пажитник крупноцветковый (Trigonella grandiflora); малькольмия крупноцветковая (Malcolmia grandiflora); эбелек (Ceratocarpus arenarius); мортук восточный (Eremopyrum orientalis); костер кровельный (Bromus tectorum).

В аридных зонах виды - виоленты и виды - патиенты образуют каркас, то есть основу ценоза, притом, что сообщество растений (фитоценоз) - это консолидация видов всех типов адаптивной стратегии. Этим объясняется устойчивое и долголетнее существование в природе естественных фитоценозов, которые обладают высокой экологической пластичностью.

Таким образом, для создания в аридных зонах устойчивых агрофитоценозов с высокой продуктивностью необходимо максимально реализовать потенциальные возможности жизненных форм и видов разных типов адаптивной стратегии растений, а также оптимизировать фитоценотические структуры этих ценозов.

В то время, когда высокая продуктивности и стабильность в растительном сообществе обеспечивается видами - виолентами, для создания экологически устойчивых пастбищных экосистем не менее важны виды и экотипы растений, относящиеся к патиентной группе. Только с помощью растений такого типа стратегии жизни, как патиенты, возможно освоение под пастбищные экосистемы специфические местообитания аридных районов (солончаки, такыры).

При создании долголетних и при формировании мозаичных пастбищных экосистем могут быть использованы растения, обладающие свойствами эксплерентности, т.е. способные быстро разрастаться в условиях ослабленной конкуренции (злаки, крестоцветные, бобовые, эфемеры). Эти виды дополнят сообщества кустарников и полукустарников путем ярусного и сукцессионного замещения в период от посева до образования полноценных сомкнутых травостоев.

В полупустынной и степной зонах для обеспечения быстрого восстановления и поддержании в дальнейшем постоянного воспроизводства фитоценотического разнообразия травостоя пастбищ, в процессе экологической реставрации деградированных кормовых угодий, решающее значение имеет учет особенностей типов адаптивных жизненных стратегий, а именно, их виолентности, патиентности и экспрелентности.

Третья концепция, которая имеет большое теоретическое и методологическое значение, - это взаимная дополняемость видов в многовидовых фитоценозах.

В своих экспериментах З.Ш. Шамсутдинов и И.О. Ибрагимов обосновали положение о том, что в экосистемах кормовых угодий, созданных по зональному типу биогеоценотических структур, происходит более полное освоение базовой экологической ниши и более интенсивно используются ресурсы среды [174; 176; 173; 178]. Такая дифференциация ниш позволяет наиболее полно реализовать принцип взаимной дополняемости видов пастбищных растений. Этот принцип заключатся в возникновении эффекта кооперации (синергидный эффект) при взаимодействии видов, жизненных форм, экотипов, которые составляют пастбищную экосистему, а также при подборе сортов кормовых растений, исходя из структурных схем зональных типов биогеоценозов, с учетом их эколого-биологической и фитоценотической совместимости [61].

Впервые вопрос об экологическом дополнении видов в фитоценозах рассмотрел Л.Г. Раменский, который в использовании внешних ресурсов различал следующие дополнения: разногодичное, сезонное или фенологическое, а также взаимное [139]. Куркин К.А. на основе новых методологических разработок таких современных наук, как экология и фитоценология, показал, что при создании высокопродуктивных луговых травосмесей, использование принципа взаимной дополняемости видов дает возможность быстро и плодотворно достигнуть поставленных целей [92].

Благодаря такому подходу к подбору экотипов и видов для планирования и создания новых моделей кормовых экосистем, их экологические ниши обеспечиваются более полной упаковкой. В итоге, при формировании новых полночленных экосистем кормовых угодий, дифференциация экологических ниш происходит на основе сезонной, флуктуационной, функциональной и сукцессионной ярусной взаимодополняемости видов.

Общая продуктивность экосистемы определяется не только индивидуальным адаптивным потенциалом растительных организмов, но, очевидно, в большей степени, интегральным адаптивным потенциалом экосистемы в целом, формируемым эффектом взаимодействия сортов, экотипов, видов и жизненных форм кормовых растений, входящих в состав данной экосистемы. Таким образом, для максимального использования возникающих «кооперативных» эффектов взаимодействия микрогруппировок, когда идет процесс определения направлений создаваемых новых адаптивных агрофитоценозов или разработка методов биологической реставрации деградированных пастбищ, сначала необходимо изучить механизм взаимодействия жизненных форм, экотипов, видов и сортов кормовых растений при совместном их произрастании, т.к. это является важнейшей задачей.

В аридных зонах, где экологические факторы постоянно меняются, для того, чтобы поддерживать высокую продуктивность фитоценоза, необходимо вначале определить те взаимозамещающие виды кормовых растений, которые выполняют одинаковые функции в экосистемах, даже если условия внешней среды изменяются. Многие ученые, в т.ч. К.Г. Антонова, В.К. Василевская, Н. Т. Нечаева, приводят подобные примеры, встречающиеся в аридных природных фитоценозах (Туркестан), где разные виды пустынных осок (осока толстостолбиковая и осока вздутая), создав группировку, в различные по метеоусловиям годы, дают общую урожайность фитомассы, сходную по количеству и качеству [122]. В данном случае эти два вида (в других случаях - больше) выступают в фитоценозе как экологическая сумма видов, способная для различного состояния среды выставлять более приспособленного функционера. Такой тип построения растительного сообщества называется типом эколого-функциональных агрегаций близких видов, на основе которого была выявлена, например, эффективность смеси полыни развесистой, солянки восточной и прутняка простертого, для предгорных и подгорных равнин, где регулярно и резко меняются метеорологические условия [61;174; 176; 178].

Таким образом, условия аридных территорий диктуют необходимость создания только многокомпонентных смесей кормовых растений при биологической реставрации деградированных пастбищ, используя при этом функционально сходные по ценотической роли виды.

Большое значение для создания длительно устойчивых кормовых ценозов имеет также и сезонная взаимодополняемость видов, которая представляет собой сочетание экотипов, видов и сортов кормовых растений с разными сезонными ритмами в экотонной пастбищной экосистеме.

Длительность периода продуцирования фитомассы будет зависеть от правильного подбора и использования разноритмичных видов кормовых растений в создаваемых или реставрируемых пастбищных экосистемах аридных районов. Для примера можно привести сочетание в одном пастбищном фитоценозе таких разноритмичных видов, как мятлик луковичный (Poa bulbosa) и осока толстостолбиковая (Carex pachystylis) (эфемероиды), вегетация которых проходит в период с февраля по май, а также однолетние солянки (Halimocnemis villosa, Gamanthus gamacarpus, Climacoptera lanata), их вегетация проходит с мая по ноябрь. В предгорных районах Центральной Азии такое совмещение произрастания мятлика луковичного и осоки толстостолбиковой с однолетними солянками способно обеспечить в течение года относительно высокой продуктивностью аридные пастбища. На Нишанских адырах, по наблюдениям У. Рузикулова, на пастбищах, эфемероидно-солянковых типов, запас фитомассы увеличивается от весны к осени, при этом, осенью этот кормовой запас превышает весенний почти в два раза. Так, данные по урожайности (сухой кормовой массы) были следующие: середина июня - 0,72 ц/га; конец сентября - 1,44 ц/га, что происходит по причине длительной вегетации грубостебельных растений и полусочных солянок [178].

Чтобы фитоценоз смог быстро достигнуть максимальной продуктивности и длительно ее поддерживать, необходима смена видов с интенсивным развитием, менее энергично развивающимися видами, но с более длительным жизненным циклом. Такие смены называются принципом сукцессионного замещения видов в пастбищных экосистемах.

К таким видам, которые развиваются энергично и из года в год повышают свою продуктивность, со второго года жизни формируют и поддерживают в таком состоянии длительное время (3-6 лет) достаточно высокую урожайность кормовой массы в условиях пастбищных экосистем, относятся: солянка восточная, солянка малолистная, камфоросма, прутняк. Для того, чтобы эти пастбища служили 8-10 и более лет, необходимо наполнить состав их травосмесей долголетними растениями, такими, как борджок, солянка Рихтера, солянка Палецкого, саксаул, начинающими после семи лет частично вытеснять прежние виды, но не снижающими при этом своей продуктивности (нижнего порога) [183; 178].

Чтобы обеспечить более полное освоение пространственных экологических ниш, а в результате и экологических ресурсов, необходимо, по принципу ярусной взаимодополняемости, сочетать в процессе формирования экотонных пастбищных экосистем кормовые растения с разными временными и пространственными (как в надземной, так и в подземной сферах) экологическим нишам [178; 183; 126].

Обеспечение полноты использования экосистемой экологических ресурсов - важнейшая роль, отведенная для функциональной взаимодополняемости видов. В качестве примера может служить такое распределение функций в пастбищных экосистемах между кормовыми видами растений, составляющих фитоценоз, при котором создание основной части продукции - функция полукустарников и многолетних трав, а образование дернового покрытия, которое препятствует развитию эрозионных процессов - функция мелкокорневищных злаков.

В каждой природной зоне существует свой зональный тип биогеоценоза. Биогеоценоз, по определению В.Н. Сукачева, - это экологическая система биосферы, элементарная и самовоспроизводящаяся. В этой системе протекают основные биопродукционные процессы: трансформация веществ и энергии, замыкание узлов экологических связей [160]. В биогеоценозе близкие варианты элементарных экосистем объединяются в единую структурную организацию. Эти экосистемы сходны между собой по уровню биопродукционого процесса, совпадают или близки по ритму функциональных связей между главными компонентами комплекса [61].

Зональный тип биогеоценоза - это комплекс живых организмов и ботанической среды, которые взаимосвязаны и принадлежат к определенному естественноисторическому району. Основная функция этого комплекса заключается в том, чтобы обеспечивать максимальный выход биомассы, объем и накопление энергетических ресурсов на единицу площади. [74].

Жизненная форма растений - это главный составляющий элемент зонального типа биогеоценоза. Так, основным носителем конструкции пастбищных геоценотических структур в аридных условиях сухих степей и пустынь, основная жизненная форма - полукустарник, в т.ч. виды родов Camphorosma, Kochia, Artemisia и другие.

Таким образом, необходимо учитывать, тип зональных биогеоценотических структур при реставрации кормовых экосистем для более полного использования ресурсов среды. Если, например, восстанавливать сухие степи и полупустыни, то необходимо будет комбинировать различные сочетания кормовых кустарников, полукустарников и однолетних трав; короткокорневищных и длиннокорневищных. Так, Н.А. Матвеев установил, что злаки, обладая мочковатой корневой системой и используя влагу и пищу верхних горизонтов почвогрунта, образуют один ярус, а терескен при посеве в смеси со злаками, и наоборот, используя более глубокие горизонты, образует второй ярус, что, в итоге, приводит к двухъярусному использованию надземных и подземных органов [105]. Особенно актуально создание искусственных долголетних пастбищ, используя смеси таких кормовых растений, которые обладают потенциалом к освоению различных слоев почвогрунта, а также надземного пространства, так как в результате многих исследований было установлено, что в глубоких слоях почвогрунта имеются водные запасы, ресурсы которых остаются, не использованы.

В результате широкомасштабных исследований, которые проводились в 70-80 годы XX века под руководством ВНИИ кормов, с участием ведущих научных учреждений аридных регионов бывшего Союза, был создан генофонд аридных кормовых растений. В процессе исследований, которые включали: поиск, изучение, мобилизацию естественных кормовых растений и их селекционное улучшение, было собрано на территории страны и сопредельных государств более 5 тысяч образцов. Впервые в мировой практике уникальная коллекция стала фундаментом для создания и районирования пятнадцати новых сортов аридных кормовых растений.

Пастбищеоборот является не только приемом рационального использования кормовых угодий, но и способом их улучшений. Это связано с тем, что система пастбищеоборота исключает регулярную нагрузку на растительный покров. Основанием для такого подхода стали многочисленные опыты отечественных и зарубежных ученых, в том числе исследования, проведенные Лариным И.В. и Гордеевой Т.К. в 1958 году в полупустыне Волго-Уральского междуречья, показали, что растительность комплекса в целом может дать поедаемой овцами травы (в переводе на сухую массу) 0,5 т/га, из них при первом стравливании будет использовано 42%, при втором - 22% и при третьем - 36%. Для стада взрослых овец в 500 голов, потребляющих в день 1 т (в переводе на сухую массу), на пастбищный период (200 дней) необходимо отвести 486,6 га пастбищ, из них 195,2 га надо использовать три раза в лето и 291,4 га - один раз [70]. Таким образом, для правильного использования пастбищ необходимо чередовать по годам: выпас скота и проведение мероприятий по уходу за травостоем.

Система пастбищеоборота предусматривает следующий цикл работ: загонная пастьба скота, подкормка травостоя удобрениями, подкашивание несъеденных растений, борьба с сорными и вредными растениями, оставление травостоя с ценными кормовыми травами до осыпания семян (естественное осеменение), подсев семян бобовых и злаковых трав для усиления этой группы растений на пастбище, задержка или отвод талых вод.

1.6 Естественное восстановление степных пастбищ

В настоящее время в России и других странах мира, в связи с экономической и экологической целесообразностью, наиболее перспективной является стратегия адаптивной интенсификации сельского хозяйства, которая ориентирует его на низкозатратность, устойчивость и природоохранность.

Стратегия адаптивной интенсификации сельского хозяйства, не отрицая важности применения техногенных средств (минеральных удобрений, мелиорантов, пестицидов, регуляторов роста и пр.) ориентирует и на необходимость более полного использования неисчерпаемых природных ресурсов и «даровых сил природы» за счёт биологизации и экологизации интенсификационных процессов в агроэкосистемах и агроландшафтах. В основу перехода к адаптивной стратегии дальнейшего наращивания производства продуктов питания и сельскохозяйственного сырья положены принципы единства экономики и экологии, а также гармонизации отношений общества и биосферы в процессе сельскохозяйственного природопользования [88].

Дигрессивные изменения степной растительности, массово начавшиеся в 1960-х гг., к концу ХХ в. достигли масштабов экологического бедствия. Бессистемный выпас скота с чрезмерной нагрузкой свел все многообразие настоящих крупно- и мелкодерновинных степей к обедненным, с явными признаками деградации, полынным, эфемеровым, часто засоренным непоедаемыми и плохо поедаемыми видами растений мелкодерновинным пастбищам.

В начале XXI в. в районах Хакасии и юга Сибири в целом, в результате обвального уменьшения поголовья и увеличения залежей, резко сократилась нагрузка сельскохозяйственных животных на пастбища. Многолетние исследования ученых Хакасии (Щетников А.И., Зайченко О.А; Г.Т. Кандалова; Курбатская С.С., Аракчаа Л.К.; Е.В. Данжалова; Н.В. Кутькина) были направлены на изучение процессов самовосстановления пастбищного травостоя. На деградированных пастбищах и залежных землях широкое распространение получили восстановительные процессы, аналогичные таковым, возникающим при заповедном режиме. Восстановление сильно деградированных степных пастбищ включает четыре периода. В течение первого, восстановительного, продолжающегося 7-8 лет, пастбища возвращаются в естественное (без нагрузки), равновесное состояние: восстанавливается видовой состав, вертикальная и горизонтальная структуры растительного сообщества, позиции доминантов. Второй период - продуктивный, характеризуется резким увеличением фитомассы при максимальном нарастании зеленой массы; продолжается 4-5 лет. Таким образом, на сильно деградированных пастбищах растительное сообщество достигает кульминации через 11-12 лет после изоляции от выпаса, а на чрезмерно деградированных - через 15-16 лет.

Третий период - стагнация (застой), характеризуется падением продукции фитомассы при нарастающем количестве подстилки и ветоши, т. е. мертвой массы; продолжается последующие 8 лет. Последний, четвертый период - деградация (угнетение), наступает после 20 лет заповедного режима. Признаки угнетения, возникшие в третьем периоде, прогрессируют: падает продуктивность и биоразнообразие, упрощается структура растительного покрова [182; 81; 91; 58; 88].

Таким образом, к деградации травостоя приводит не только сильный перевыпас, повсеместно распространенный в Хакасии в конце 1990-х гг., но и полная длительная изоляция степных пастбищ от выпаса, имеющая место в последние два десятилетия.

В систему рационального использования кормовых угодий, как отмечают Е.Н. Коробова и С.А. Бендарев (1970), входит целый ряд мероприятий, из которых наиболее важными являются: сезонность стравливания пастбищ с учетом состояния растительного покрова, его урожайности; установление оптимальной нагрузки скота на единицу площади [87]. В частности, для восстановления продуктивности естественных пастбищных угодий многие исследователи (И.М. Мизиев, Б.А. Винидиктов, А.Я. Павловский) предполагают освобождение и вывод овец, а в последующем - посев и подсев многолетних трав, внесение минеральных удобрений, создание противоэрозионных насаждений [109]. На мелкодерновинных пастбищах Г.К. Зверева и Е.В. Боголюбова рекомендуют подсевать типчак, тонконог, змеевку, ковыль Крылова, на крупнодерновинных - тырсу и овсец пустынный в смеси с типчаком, тонконогом и разнотравьем [68].

Исследования на Кизлярских пастбищах в 1987-1989 гг. И.Р. Гамидовым показали, что их продуктивность можно повысить с помощью ряда агротехнических приемов. Среди последних первостепенное значение, несомненно, имеет предоставление средне- и сильнодеградированным участкам пастбищ отдыха от выпаса скота. Отдых, даже однолетний, дает таким пастбищам возможность значительно восстанавливать свой изреженный травяной покров, который при двухлетнем отдыхе почти полностью восстанавливается и в три раза увеличивает выход кормовой массы. Двухлетний отдых способствует также восстановлению в фитоценозах более ценных трав, особенно злаковых. Эти исследования показали, что простое предоставление сильно- и среднедеградированным участкам отдыха от выпаса является надежным и экономичным приемом улучшения экологической ситуации в регионе Черных земель и Кизлярских пастбищ. В сочетании с последующим регламентированным их использованием, это позволит не только повысить продуктивность пастбищ, но и предотвратить развитие дефляции песчаных и супесчаных почв, преобладающих в регионе [47].

Изучая динамику естественного самовосстановления травяной растительности на Черных землях Республики Калмыкия в 2009 году, Чемидов М.М. делает выводы, что наряду с высоко затратными и долговременными приемами мелиорации (лесомелиоративное обустройство), которые применяли на Черных землях в период 70-80 гг. XX-го века, существуют малозатратные, предусматривающие естественное самовосстановление травяной растительности. Экономическая эффективность естественного самовосстановления травяной растительности складывается из сокращения расходов на лесомелиорацию песчаных земель и предотвращение экологического ущерба от хозяйственной деятельности [171].

Таким образом, учеными в разных природно-климатических условиях (Хакасии, равнинного Дагестана, Калмыкии и др.) изучается процесс самовосстановления естественной травяной растительности в качестве альтернативы высоко затратным приемам гидротехнической, химической и биологической мелиорации. Актуальность нашей работы определяется недостаточной изученностью вопросов естественного самовосстановления биоресурсного потенциала кормовых угодий в опустыненных степях аридной зоны Северного Прикаспия и необходимостью повышения их биоразнообразия и продуктивности.

2. Условия и методика проведения исследований

2.1 Природно-хозяйственная характеристика Астраханской области

Астраханская область занимает Волго-Ахтубинскую пойму, дельту реки Волга, а также прилегающие к ним полупустыни северо-западной части Прикаспийской низменности и северное побережье Каспийского моря: на юго-западе и западе граничит с Республикой Калмыкией (Хальмг-Тангч), на севере - с Волгоградской областью, на северо-востоке и востоке - с Казахстаном. Общая площадь области около 44000 кв. км. Около 70 % территории области занято прикаспийскими полынно-солянковыми пустынями и опустыненными степями на светло-каштановых и бурых почвах. Общая площадь водоемов области составляет около 10 % территории. Большая часть внутренних вод представлена временными водоемами, солеными и пресными озерами. Рельеф Астраханской области равнинный, большая часть территории лежит ниже уровня мирового океана. Абсолютная высота постепенно понижается от 15-20 м на севере до - 27 м у побережья Каспийского моря [10]. Однако ровная поверхность низменности усложняется в некоторых местах небольшими буграми, холмами, ложбинами и впадинами. Они созданы внешними силами: деятельностью ветра, поверхностными и подземными водами, аллювиальными отложениями и др. Северная часть области представляет собой однообразную плоскую равнину с блюдцеобразными понижениями и отдельными соляно-купольными поднятиями. В северной части располагается высшая точка области - гора Большое Богдо (150 м). В южной части (дельта Волги) поверхность приобретает волнисто-равнинный характер.

По климатическим условиям Астраханская область представляет собой наиболее континентальную и засушливую часть Европейской территории Российской Федерации, характеризующуюся недостаточностью увлажнения, высокой вероятностью засушливых лет, высокими температурами воздуха.

По степени аридности Астраханская область относится к сильноаридной зоне с коэффициентом аридности 0,11-0,30. Осадков выпадает крайне мало, около 280 мм за год. Продолжительность периода с температурами выше 10°С составляет 165-170 дней. Сумма температур выше 10°С достигает 3200-3400°С. Испаряемость в 3-5 раз превышает количество выпавших осадков. Вероятность сухих и засушливых лет превышает 30%. Преобладает непромывной сильно засушливый тип водного режима почв.

Температура воздуха имеет ярко выраженный годовой ход. Величина амплитуды экстремальных температур составляет 70-80°С.

В холодное полугодие на территории всей области преобладают восточные ветра. Наибольшая средняя скорость их составляет 5,0-6,5 м/сек. В теплое полугодие увеличивается повторяемость западных и северо-западных ветров. Средняя скорость ветра уменьшается и в июле достигает наименьших значений - 3,5-4,0 м/сек.

Характер и состояние подстилающей поверхности оказывает большое влияние на формирование климата данной территории. Плоский и равнинный рельеф области не нарушает общей циркуляции воздушных масс, но наличие на ее территории Волго-Ахтубинской поймы, дельты Волги, а также Каспийского моря создают особый мезоклимат, отличный от общих климатических закономерностей - образуется своеобразный оазис среди засушливых степей и полупустынь.

Влияние поймы Волги на термический режим и влажность воздуха особенно резко выражено в летние месяцы при антициклоническом типе погоды. Пойма Волги в ночные часы в течение всего года и даже зимой теплее прилежащих степей. Летом в дневные часы температура воздуха в пойме понижена. Большие затраты тепла на испарение уменьшают прогрев воздуха в пойме и являются причиной ослабления засух и суховеев. Безморозный период удлинен на 9-11 дней, влажность воздуха в теплый период на 7-10% выше, чем в прилежащих районах.

Осень (переход среднесуточной температуры воздуха через < 15°С) наступает во второй половине сентября. Осенние процессы протекают несколько медленнее, чем весенние. Продолжительность осени исчисляется в 60-65 дней. Осенние заморозки обычно наступают в октябре.

Осадки холодного периода отличаются малой интенсивностью и большой продолжительностью выпадения. В среднем, за этот период, выпадают 100-125 мм осадков. Осенью начинается промачивание почвы, и даже накопление в ней влаги, несмотря на то, что осадков выпадает не более 30-75 мм в месяц. Происходит это в основном в результате уменьшения испарения в связи с понижением температуры воздуха, увеличением облачных и пасмурных дней и большой продолжительностью выпадения осадков даже при небольшом их количестве. Благодаря этому после летнего покоя вновь начинают вегетировать эфемеры, улучшая состояние пастбищ.

Если за начало зимы считать дату перехода средней суточной температуры воздуха через 0°С, то она наступает в середине ноября. Температура зимних месяцев значительно ниже, чем следовало бы ожидать для данной широты. Смягчающее влияние Каспия почти не сказывается, так как северная мелководная часть моря замерзает. Среднемесячная температура января -10°С. Абсолютный минимум температуры воздуха может достигать -36-38°С.

Период с устойчивым снежным покровом (100-150 мм) в среднем составляет около 2 месяцев (за зиму составляет 10-15 см), но нередко при интенсивных оттепелях снег полностью сходит среди зимы. За период исследования можно констатировать: снежный покров неустойчивый, в некоторые зимы снег лежал всего несколько дней.

В третьей декаде марта оканчивается период с устойчивыми морозами, происходит переход к положительным средним суточным температурам воздуха и начинается весна. Дальнейшее повышение температуры воздуха происходит очень быстро. В течение первой декады апреля температура воздуха переходит через 5°С, а с 16-20 апреля она устойчиво переходит через 10°С.

Весна в Астраханской области является самым коротким сезоном года, ее продолжительность не превышает 40-50 дней. Заморозки обычно прекращаются во второй декаде апреля. В холодные весны последние заморозки могут наблюдаться во второй половине мая. Однако уже в апреле бывает от 3 до 8 дней с суховеями.

Лето - период со среднесуточными температурами выше 15°С - жаркое, сухое и очень пыльное устанавливается с первой декады мая. Средняя температура июля составляет 24°С, максимальная повышается до 42-43°С. Число дней со среднесуточной температурой воздуха выше 20°С составляет 90-100. В течение 15-30 дней средняя суточная температура превышает 25°С.

Количество выпавших осадков за теплый период (апрель-октябрь) изменяется от 150 до 175 мм. Дожди большей частью носят ливневый характер: кратковременны и интенсивны. Максимум осадков наблюдается в июне. Продолжительность осадков всего теплого периода не превышает 150-200 часов. Иногда (5-8 раз в десятилетие) ливни сопровождаются выпадением града. Наиболее вероятно выпадение града в мае- июне.

В теплый период дневная относительная влажность воздуха резко снижается, и уже в апреле средняя месячная относительная влажность в 13 часов держится на уровне 50%. В годовом ходе относительной влажности по всей территории наблюдается 2 минимума: основной - в августе и менее глубокий - в мае.

В течение всего года резко ощущается недостаток осадков. Слаборазвитая циклоническая деятельность и обильная инсоляция являются причиной длительных бездождевых периодов, почвенных засух и суховеев. Ежегодные почвенные засухи и суховеи всех типов вероятны практически на всей территории Астраханской области.

В конце мая - начале июня почвы почти полностью иссушаются, многие виды растений засыхают, степь остается покрытой полынью, верблюжьей колючкой, солянкой и разными видами типчака.

Батовская Е.К., Лавелина Т.П. [12] указывают, что за последние 50 лет XX столетия климатические условия Астраханской области претерпели следующие изменения:

снизилась амплитуда максимальных температур с 42 до 400 С;

увеличилась сумма положительных температур с 3632 до 40490 С;

повысилась средняя годовая температура воздуха с 7,4 до 7,80С;

сократилось количество осадков за год с 278 до 231 мм.

Особенности географического положения, климата и почвенного покрова предопределили существование в Астраханской области степной растительности и растительности северных пустынь, представленной полукустарничковыми и кустарничковыми сообществами [98].

Согласно последнему зональному расчленению растительности европейской части России, в пределах юго-востока России выделяются следующие подзоны степной зоны:

- луговые степи (Steppa subpratensia);

- настоящие, или типичные, степи (Steppa genuine vel typical), включающие: а) (богато) разнотравно-дерновиннозлаковые степи; б) дерновиннозлаковые (бедноразнотравные) степи;

- опустыненные степи (Steppa subdeserta) [140; 83].

Почвенный покров севера Астраханской области характеризуется трехчленным комплексом с преобладанием легко- и среднесугли-нистых светло-каштановых, светло-каштановых солонцеватых почв и солонцов средних. Преобладающим почвам комплекса соответствуют участки ковыльно-типчаковой растительности с примесью разнотравья.

Орошение пашни на раннехвалынской террасе (КАРОС) вследствие нарушения водного и солевого режима привело к существенным изменениям почв и почвенного покрова, подвергнутым вторичному засолению, на которых развиваются луговые (мокрые) солончаки, покрытые исключительно галофитами.

Поверхность раннехвалынской морской террасы сменяется увалисто-бугристым участком шириной 2 км, отделяющим ее от межтеррасовой депрессии. По характеру рельефа можно предположить, что это остатки древних притеррасных грив или береговых валов. Это подтверждается существенным облегчением гранулометрического состава почв (от песчаного до мелкосуглинистого).

Почвы солонцового комплекса преимущественно среднесуглинистые с утяжелением гранулометрического состава у лугово-каштановых солонцеватых почв западин.

В сочетании с участками солонцовых комплексов по днищам лиманов развиваются лугово-лиманные осолоделые (часто заболоченные) почвы, остаточно глеевые и глеевые, глинистого и иловано-глинистого гранулометрического состава.

В соответствии со сменой компонентов почвенных комплексов, меняются растительные ассоциации. Трехчленным солонцовым комплексам соответствуют две основные группы растительных сообществ. На плоских микроповышениях с солонцами и светло-каштановыми солонцеватыми почвами распространены белополынно-чернополынные ассоциации с редким участием типчака. Ареалам белой полыни с типчаком строго соответствуют средние солонцы, реже, светло-каштановые сильносолонцеватые почвы. Под растительными сообществами с преобладанием черной полыни всегда формируются мелкие солонцы, а на участках с единичными экземплярами черной полыни или полностью лишенных растительности - корковые солонцы.

По микрозападинам распространена вторая группа сообществ, это разнотравно-осоково-злаковые ассоциации с полынью австрийской на лугово-каштановых почвах. Причем, увеличение участия житняка и полыни австрийской в видовом составе ассоциации свидетельствует о повышении степени солонцеватости лугово - каштановых почв западин. Днища лиманов заняты злаково- разнотравными ассоциациями и различаются между собой преобладанием либо злаков (пырей, житняк), либо разнотравья (тысячелистник, ромашник). Таким образом, естественный растительный покров здесь является жестким индикатором почв и его пространственная изменчивость строго соответствует смене компонентов почвенных комплексов и сочетаний.

Сезонные изменения растительного покрова обусловлены погодными сезонными явлениями, в результате чего в течение года пастбища имеют различный аспект. В весенний и раннелетний периоды аспекты образуют эфемероид мятлик луковичный и эфемер мортук пшеничный. В летний период выделяются ярко-оранжевые аспекты, образуемые цветущим пиретрумом тысячелистниковым, а также золотистые и беловатые аспекты дерновинных злаков: ковыля волосовидного, ковыля сарептского, овсяницы валисской, житняка пустынного. Осенью доминируют беловато-седоватые аспекты полыни Лерха, темно-зеленые - полыни малоцветковой (черной), ярко-зеленые - мятлика луковичного и осенних однолетников. Зимой господствуют аспекты полыни Лерха и полыни черной. Такая смена растительности обусловливает изменения урожайности ценозов по сезонам года [66].

Погодичные изменения продуктивности пастбищных ценозов, в первую очередь, обусловливаются складывающимся гидротермическим режимом. Урожай надземной фитомассы находится в прямой зависимости от количества выпавших осадков, поскольку грунтовые воды, залегающие на глубине более 10 м, не оказывают никакого влияния на рост и развитие растительности. В силу этого, продуктивность пастбищ в значительной мере зависит от количества и характера распределения атмосферных осадков и колеблется в очень широком диапазоне: в средние годы составляет 0,150,25 т/га воздушно-сухой массы, в благоприятные может достигать 0,7-1,0 т/га. Продуктивность средне- и сильносбитых пастбищ, доля которых составляет более 60%, в 24 раза ниже указанного значения.

2.2 Объекты и методика проведения исследований

Место исследования - северная часть Астраханской области, южная часть Черноярского района. Объектами исследования явились участки естественных пастбищ с различной нагрузкой сельскохозяйственных животных. Для того, чтобы стационары были репрезентативными по отношению к исследуемому региону, было проведено его крупномасштабное районирование (М 1: 10000) для выбора типичных точек наблюдения. Во внимание принимались все условия, которые впоследствии будут влиять на фиксируемые данные, включая такие физические факторы, как наличие ветрозащиты, затененности, подтопляемости и т. д. Выбор опытных участков для исследований был обоснован их идентичностью между собой по истории, рельефу, почвам и растительности. Рельеф опытных участков выровненный.

Схема опыта № 1

Мониторинг сукцессионных процессов в пастбищных фитоценозах под воздействием разной степени животноводческой нагрузки

Опытный участок № 1. Естественная растительность без животноводческой нагрузки - контроль. Площадь - 1 га.

Опытный участок № 2. Естественная растительность; расчетная животноводческая нагрузка - 0,5 гол/га - оптимальная (нормальная). Площадь-1га.

Опытный участок № 3. Естественная растительность; расчетная животноводческая нагрузка - 0,73 гол/га - повышенная. Площадь-1га.

Опытный участок № 4. Естественная растительность; расчетная животноводческая нагрузка - 0,88 гол/га - высокая. Площадь-1га.

Выбранные участки расположены на землях, арендованных отдельными овцеводческими крестьянскими хозяйствами, контрольный участок - землепользование ГНУ ПНИИАЗ. Крестьянские хозяйства имеют идентичный породный и половозрастной состав поголовья. Способ содержания и выпаса овец на всех точках одинаков: круглогодичная вольная пастьба.

Нагрузку животных на опытные участки регулировали количеством кормодней выпасаемых овец. Для этого сначала определили оптимальную для емкости опытных участков нагрузку по результатам геоботанического обследования.

Исследования выполнялись с использованием экспедиционных и стационарных методов в сочетании с лабораторным анализом образцов.

Схема опыта № 2

Исследование потенциала самовосстановления естественного травостоя кормовых угодий при различной степени животноводческой нагрузки

Для исследования была использована естественная растительность природных пастбищ Опыта № 1; опытные участки №№ 2-4. На каждом из них были выделены и изолированы с помощью сетки-рабицы от воздействия человека и животного площадки - «восстановители» в четырех повторностях. Общая площадь каждого «восстановителя» - 36 м2 ; учетная площадь - 25 м2. Каждый «восстановитель» учитывался как отдельная повторность.

Для проведения исследований использовались следующие методические указания и рекомендации.

1. Мониторинг кормовых угодий проводился по методике ВНИИ кормов им. В.Р.Вильямса (1971). В результате полевых обследований были получены следующие материалы по каждому участку землепользования:

- общие сведения о землепользовании - местонахождение участков, зона, климатические особенности, состав выпасаемого скота и сроки использования пастбищ;

- особенности рельефа;

- описание растительности отдельных типичных площадей;

- характеристика почв;

- определение урожая пастбищ [75;76].

При выборе опытных участков использовались методики Доспехова Б.А. (1985) - требование типичности (репрезентативности) и однородности почвенного покрова опытных участков, и Виноградова Б.В. (1964) - использование пастбищной растительности в качестве индикатора экологического состояния пастбищ [57; 39].

2.Сбор гербария по методике Бородиной Н.А., Некрасова В.И. и др. (1966) [29].

3. Описание феноаспектов проводилось по схеме Гаевской Л.Н. (1971) и Зволинского В.П. (1992). Определяется аспект, представляющий собой внешний вид (физиономичность) растительного сообщества. При этом указываются окраска и перечень растений, его образующих, в течение сезонов года [45; 66].

4.Экологическую оценку степных пастбищ проводили по методике Л.Г. Раменского, И.А. Цаценкина (1952). Названия растительных ассоциаций принимали по доминантным (эдификаторным) и содоминантным (соэдификаторным) видам растений в травостое. Для определения фитоценоза устанавливали доминантные виды (компоненты) растительного покрова стационара и промеры протяженности каждого компонента комплекса. При расчетах за основу бралось положение, что площади компонентов пропорциональны их протяженности, т.е. общей длине всех их отрезков, измеренных на трансекте. Далее выделялись комплексные контуры с показом (в процентах) компонентов комплекса, определяемых методом линейной таксации [146].

5. Определение влажности почвы - по методике Доспехова Б.А. (1985), послойно (через 0,01м), термостатно-весовым методом в метровом слое почвы и почвенным влагомером на глубине 0-02 м. Отбор образцов проводился 1 раз в декаду в 3-х-кратной повторности в постоянно закрепленных точках [57].

6. Определение урожайности проводилось укосным методом по методике ВНИИ кормов (1971) - метод квадрата. В различных местах опытного участка на высоте 3-4 см срезалась трава с площади 1 м2 в 10-ти повторностях. Учетные площадки при каждом определении урожая менялись [75].