Агроэкологическое обоснование формирования адаптивных фитоценозов в условиях Северного Прикаспия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Агроэкологическое обоснование формирования адаптивных фитоценозов в условиях Северного Прикаспия

Специальности: 06.01.09 - растениеводство,

03.00.16 - экология

Пучков М.Ю.

Астрахань - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО Астраханском государственном университете и ГНУ Прикаспийском научно-исследовательском институте аридного земледелия Российской академии сельскохозяйственных наук

Официальные оппоненты:

академик РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук

Кулик Константин Николаевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Габуншина Эмма Борисовна

доктор сельскохозяйственных наук

Кравцов Виктор Васильевич

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований

Прикаспий является совокупностью аридных комплексов остро реагирующих на антропогенную нагрузку из-за недостаточного увлажнения, засоленности почвенного горизонта, подвержености земель эрозии, дефляции и т.д.

Прикаспий служит географическим эталоном аридного пояса РФ. Он охватывает все климатические зоны включенные ЮНЕП в аридные территории.

В его состав входит степная (около 5.5 млн га), сухостепная (13.7 млн. га), полупустынная (6.4 млн. га), пустынная (5.7 млн. га). В пределах данной зоны лежат земли Астраханской, Волгоградской, Саратовской областей, 6 районов Ростовской области, 7 районов Ставропольского края, республики Калмыкия, Дагестан, Чечня, Ингушетия. На данной территории проживает около 6 млн. человек.

Территория характеризуется недостаточным и меняющимся по периодам увлажнением. Нормализованный индекс аридности (NIA) превышает 0,70. Средняя величина гидротермического коэффициента (ГТК) колеблется от 0,3-0,4 и ниже.

Годовая потеря продуктивности ландшафтов в изучаемом районе составляет 4632,9 тыс. центнеров в зерновом эквиваленте.

В результате нерационального использования земель, чрезмерных антропогенных нагрузок на территории Северного Прикаспия развиваются процессы опустынивания. Суммарный индекс деградации (ИДс) угодий юга европейской части РФ составляет 54,5-57,2 балла, а в границах изучаемого района он возрастает до 61,4 балла. Суммарный индекс опустынивания для данной территории составляет около 100 баллов. В результате этих процессов происходит обеднение растительного разнообразия. Развиваются процессы дефляции и засоления. Снижается продуктивность естественных фитоценозов

Проблеме восстановления естественных фитоценозов на территории Северного Прикаспия в настоящее время уделено значительное внимание. Однако, на сегодняшний день, в силу развивающихся экологических и экономических ситуаций вопросы восстановления и повышение продуктивности деградированных ландшафтов не теряют своей актуальности.

Цель и задачи исследований. Разработка научных основ создания адаптивных фитоценозов на принципах комплексного подхода к решению проблем улучшения экологической ситуации в условиях Северного Прикаспия.

Цель исследования предопределила необходимость решения следующих задач:

- на основе анализа флористического состава естественных и антропогенных ландшафтов произвести подбор наиболее адаптивных видов и экотипов древесно-кустарниковой и травянистой растительности для формирования устойчивых и долговременных фитоценозов;

- выявить закономерностей действия эдафических факторов на устойчивость фитоценозов;

- выявить потенциал физиологических и биохимических особенностей с целью определения основных адаптационных возможностей;

- изучить особенности влияния древесно-кустарниковых и травянистых растений на повышение почвенного плодородия;

- создать адаптированные фитоценозы с целью улучшения экологической ситуации в регионе;

- провести эколого-экономическую оценку создания адаптированных фитоценозов.

Научная новизна.

Выявлены и введены в состав фитоценозов адаптированные виды и экотипы растений природных и техногенных территорий Северного Прикаспия.

Впервые на основе биометрических, физиологических и биохимических показателей растений определены адаптационные возможности и условия оптимизации устойчивости фитоценозов в условиях Северного Прикаспия.

Выявлены закономерности функционирования естественных экосистем и агроэкосистем.

Теоретически обоснованы и определены типы реакции фитоценозов на антропогенное воздействие.

Разработаны технологические модели многолетних адаптивных фитоценозов и дана их эколого-экономическая оценка.

Практическая значимость работы и реализация полученных результатов. Обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций и предложений диссертационной работы подтверждена многолетним их использованием в регионе. Материалы диссертационного исследования положены в основу проектов создания поликомпонентных фитоценозов на землях Астраханской области: в Лиманском районе - 136 га (Департамент дорожного хозяйства Астраханской обл.); в Володарском районе - 161 га (Департамент дорожного хозяйства Астраханской обл.; Володарский лесхоз Астраханской обл.); в Красноярском районе - 292 га (Департамент дорожного хозяйства Астраханской обл.; Красноярский лесхоз Астраханской обл.); в Камызякском районе - 21 га (Камызякский лесхоз Астранской обл.); в Наримановском районе - 123 га, что отражено в актах о внедрении.

Научная разработка «Технология восстановления деградированных пастбищ аридной зоны Северного Прикаспия» удостоена Золотой медали «Innovations for investments to the future» American-Russian business union (2009 г.) и Дипломом 2-й степени на Каспийском инновационном форуме (Астрахань 2009 г.)

Подтверждение факта создания поликомпонентных фитоценозов получено в виде космоснимков высокого разрешения при помощи компьютерной программы Googl Earth (Googl Планета Земля).

Результаты исследования используются при чтении лекционных курсов по следующим дисциплинам: «Прикладная экология», «Инженерная экология», «Правовые основы использования земельных ресурсов» и ряда других при подготовке студентов по специальностям «Экология», «Биоэкология», «Природовользование», «Эколог-природопользователь» и «Агрономия» Геолого-географического, Биологического и Аграрного факультетов Астраханского государственного университета.

Основные положения выносимые на защиту.

- выявление доминантов флористического состава растительности природных и антропогенных ландшафтов как перспективных видов для создания адаптированных фитоценозов в различных экологических зонах Северного Прикаспия;

- определение экологического оптимума создаваемых фитоценозов по оценке биометрических, физиологических и биохимических показателей растительности;

- определение влияния древесно-кустарниковой и травянистой растительности (однолетней и многолетней) на комплекс агрофизических и агрохимических свойств почвы фитоценозов и прилегающих территорий;

- эколого-экономическая оценка создания адаптированных фитоценозов.

Личный вклад автора. Диссертационная работа основана на экспериментальном материале полевых и лабораторных исследований, а также анализе литературных источников. Все полевые и лабораторные исследования проводились при непосредственном участии автора с 1999 по 2009 годы. Лабораторные исследования и обработка данных проводились в лабораториях Астраханского государственного университета и Прикаспийского научно-исследовательского института аридного земледелия.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических, всероссийских и международных конференциях, в т.ч. на III Всероссийской научной конференции «Эколого-биологические проблемы Волжского региона и Северного Прикаспия» (Астрахань, 2000 г.); III Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2001 г.); III Международной научной заочной конференции «Проблемы сохранения и рационального использования биоразнообразия Прикаспия и сопредельных регионов» (Элиста, 2004 г.); Всероссийской научной конференции «География и экология регионов России» (Великий Новгород, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Состояние экосистем Прикаспийского региона: проблемы и перспективы» (Атырау, 2005г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития АПК» (Волгоград, 2005г.)

Публикации. Автором по теме диссертации опубликовано 85 научных работ, в том числе 3 монографии, 19 статей в ведущих рецензируемых журналах рекомендованных ВАК РФ, 5 методических рекомендации и 45 публикации в виде докладов международных и всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству, списка литературы и предложений. Работа изложена на 352 стр. Включает 36 таблиц, иллюстрирована 184 рисунком, 9 приложений. Список используемой литературы включает 352 наименований, в т.ч. 16 на иностранном языке.

Автор выражает глубокую благодарность академику РАСХН, доктору сельскохозяйственных наук, профессору В.П. Зволинскому; академику РАСХН, доктору сельскохозяйственных наук К.Н. Кулику; доктору сельскохозяйственных наук, профессору В.В.Коринцу; доктору сельскохозяйственных наук, профессору И.Ш. Шахмедову; доктору сельскохозяйственных наук, профессору Е.Н. Григоренковой; доктору биологических наук, профессору В.Н. Фурсову; доктору сельскохозяйственных наук, профессору Лачко О.А. за поддержку и содействие в выполнении исследования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.Объекты и методика исследования

Выбор объектов, методов и объемов исследования определялся поставленной целью и задачами исследования.

1.1. Обоснование выбора объектов исследования

Объектами исследований явились естественные природные ландшафтные комплексы, которые характерны для наиболее аридных территорий Северного Прикаспия, а также поликомпонентные фитоценозы создаваемые на территории данных комплексов. На территории данных ландшафтных комплексов были заложены полигоны с сетью стационарных ключевых участков. Полигон «Восточный» расположен в границах Восточно ильменно-бугрового ландшафтного района. Полигон «Западный» - в границах Западно ильменно-бугрового ландшафтного района. Местоположение полигона «Дельтовый» характерно для дельтового внутризонального ландшафтного района.

Территория каждого ключевого участка дополнительно была разделена на несколько экологических микрозон.

1.2. Методы исследований

Во время выполнения экспериментальных работ нами проводились следующие полевые и лабораторные наблюдения и исследования:

· Изучение морфологических, водно-физических и химических свойств почвы.

Для каждой экологической зоны определялись почвенно-геохимические профили, на которых закладывались контрольные разрезы. Для каждого почвенного разреза проводилось подробное морфологическое описание генетических горизонтов. Для каждого горизонта определяли влажность (термостатно-весовым методом), плотность (буровым методом), солевой состав (по величине плотного остатка и анализу водной вытяжки). Графическое варьирование почвенных свойств представляли в виде столбчатых диаграмм, рисунков, графиков и изоплет. Данные почвенные профили были выделены в качестве контрольных и наблюдались до конца исследования. После закладки поликомпонентных фитоценозов проводили изучение влияния каждого его компонента на почвенно-грунтовые условия.

· Геоботаническое изучение растительного покрова стационарных участков.

Для получения достоверных данных о травянистом покрове закладывались пробные площадки. Размеры этих площадок равнялись 1м². Степень покрытия пробной площадки определяли пользуясь шкалой оценок обилия видов по Друде.

· Систематическое определение и отбор видов древесно-кустарниковой растительности.

Флористический состав древесно-кустарниковой растительности определялся в парках, скверах и других объектах озеленения города Астрахани, населенных пунктах Астраханской области, а так же ленточных лесах и защитных лесополосах расположенных в изучаемых ландшафтных районах.

· Создание поликомпонентных фитоценозов и изучение их влияние на природный комплекс.

При закладке поликомпонентного фитоценозов придерживались стандартных методик (Раменский, 1971; Шенников, 1964). Сроками посадки саженцев древесно-кустарниковой растительности и посева семенного материала многолетних травянистых растений были определены осенний (октябрь) и весенний (март, апрель) периоды.

Биометрическую оценку посадочного материала и растений проводили по следующим признакам: высота растений, высота штамба, диаметр кроны, глубина проникновения корневой системы, строение и размеры корней. Особенность развития и строения корневых систем определяли методом раскопок.

Подготовку почвы под посадку саженцев осуществляли следующими способами: двух отвальная вспашка на глубину 30-35 см, с последующим культивированием БДТ и изготовление посадочных ям методом откопки; изготовление посадочных ям по целине методом ручной откопки и изготовление посадочных ям по целине механизированным путем при помощи бура на автомобильной платформе ГАЗ-66.

Посадку саженцев древесно-кустарниковых пород осуществляли в посадочные ямы, ленточным способом. Расстояние в ряду 1,5 м. Посадочный материал древесно-кустарниковых видов приобретен в Камызякском лесхозе Астраханской области; посадочный материал полукустарничков отобран из естественных мест обитания на территории Астраханской области во время экспедиционных работ методом индивидуального отбора. Семенной материал многолетних трав (злаковые культуры) предоставлен оригинатором сортов д.с-х.н., профессором Кравцовым В.В. (Ставропольский НИИСХ).

Посадку полукустарничков осуществляли по бороздам многолетними побегами и семенами.

Оценку полукустарничков и многолетних травянистых растений оценивали по следующим признакам: биометрические показатели семян, всхожесть, способы посева и норма высева семян, динамика выживаемости растений, биометрические показатели надземной и подземной частей растения, урожайность, содержание эфирных масел, биохимический состав вегетативных частей (Методические указания …, 1987).

Из 220 видов древесно-кустарниковой и травянистой растительности на конкурсное испытание были отобраны следующие виды, экотипы и сорта растений, экологическая характеристика которых приводится в главе 4 диссертационной работы (табл. 1).

Таблица 1. Виды растений, включенные в конкурсное испытание

Жизненная форма	Вид	Вид
Древесные растения	Айлант высочайший	Ailantus altissima (Mill.) Swingle
	Вяз мелколистный	Ulmus pumila L.
	Ива белая	Salex alba L.
	Клен ясенелистный	Acer negundo Maxim.
	Робиния лжеакация, псевдоакациевая	Robinia pseudoacacia L.
	Тополь черный	Populus nigra L.
	Шелковица белая	Morus alba L.
	Шелковица черная	Мorus nigra L.
	Ясень обыкновенный	Fraxinus excelsior L.
Кустарниковые растения	Лох узколистный	Elaeagnus angustifolia L.
Полукустарничковые растения	Кохия простертая	Coсhia prostrate (L.) Schrad
	Полынь белая	Artemisia lerchiana Web.
	Полынь черная	Artemisia pauciflora Web.
Многолетние травянистые растения	Житняк гребневидный - сорт Викрав	Agropyron pectiniforme Roem. et Schult.
	Пырей удлиненный - сорт Ставропольский 10, сорт Солончаковый	Elytrigia elongata (Host) Nevski
	Волоснец ситниковый	Elymus junceus (Fischer) Nevski
	Кострец безостый - сорт Ставропольский 31	Bromopsis inermis (Leysser) Holub.
	Житняк сибирский -	Agropyron fragile (Roth) P. Candargy
	Пырей ползучий	Elytrigia repens (L.) Desv. Ex Nevski.(L.)
Однолетние травянистые растения	Донник белый	Melilotus albus Medic.
	Клевер персидский	Trifolium resupinatum L. сорт Вахшский 3;
	Клевер александрийский	Trifolium alexandrinum L. сорт Вахшский 1;
	Вика яровая	Vicia sativa L. сорт Таджикская 60
	Пажитник пряморогий	Trigonella orthoceras Kar. et Kir.

Физиологические исследования водного режима растений.

Физиологические наблюдения проводили по следующим параметрам: фракционный состав воды в листьях и побегах (Баславская С.С., Трубецкова О.М., 1964); водоудерживающая способность растений (Баславская С.С., Трубецкова О.М., 1964); интенсивность транспирации (Иванов Л.А. и др.; 1950).

· Математическая обработка данных проводилась при помощи компьютерных программ Statistica и Microsoft Office Excel 2003.

· Эколого-экономическую оценку создания адаптированных фитоценозов (Энергетическая оценка …, 1994; Экономика сохранения биоразнообразия, 2002).

2. Оценка экологического состояния растительного потенциала антропогенных ландшафтов

Для облегчения создания новых и реставрации старых поликомпонентных фитоценозов созданных на основе древесно-кустарниковой растительности, необходимо комплексное изучение видового состава растений потенциально претендующих на их широкое внедрение в состав фитоценоза. В связи с чем, были изучены древесно-кустарниковые растения, произрастающие в населенных пунктах Астраханской области, а так же растения ленточных лесов и лесополос, расположенных на территории изучаемых ландшафтных районов.

Установлено, что флористический состав древесно-кустарниковой растительности представлен 161 видом из 37 семейств и 79 родов. Анализ семейственных спектров установил преобладание во флоре (57 %) семейств, представленных одним или несколькими видами. Спектр семейств флоры, древесно-кустарниковой растительности, позволил выделить наиболее крупные семейства содержащих 54,7% всей флоры: Rosaceae (40 видов), Salicaceae (13), Pinaceae (13), Oleaceae (10); Fabaceae (6) и Асегасеае (6).

Оценка экологического состояния древесно-кустарниковой растительности произрастающей на антропогенезированных территориях, позволила выделить наиболее адаптированные виды. Из 5686 экземпляров изученных растений выделено 7 доминантных видов, составляющих 23,3 % общего видового состава (табл. 2).

Таблица 2. Доминантные виды древесно-кустарниковой растительности

Вид	Кол-во	%
Ulmus pumila	вяз мелколистный	1790	31,1
Robinia pseudoacacia	робиния псевдоакациевая	1144	19,9
Fraxinus excelsior	ясень обыкновенный	963	16,7
Acer negundo	клён ясенелистный	680	11,8
Populus nigra	тополь черный	419	7,3
Morus alba	шелковица белая	296	5,1
Morus nigra	шелковица черная
Ailantus altissima	айлант высочайший	100	1,7

Анализ флористического состава древесно-кустарниковой растительности антропогенезированных ландшафтов позволил выделить наиболее адаптированные виды для дальнейшего их включения в состав поликомпонентных фитоценозов.

3. Создание поликомпонентных фитоценозов в условиях Восточно ильменно-бугрового ландшафтного района

Вся работа построена по одному плану, исходя из этого структура глав идентична

Полигон «Восточный» расположен в границах Восточно ильменно-бугрового ландшафтного района (ВИБР). В пределах данного полигона заложена сеть ключевых стационарных участков на которых были выделены экологические зоны. Экологическая зона 1, или вершинная, расположена на вершине бугра Бэра. На восточном склоне бугра Бэра расположена экологическая зона 2, или склоновая. В шлейфовой зоне бугра Бэра определена экологическая зона 3, или шлейфовая, которая во время весеннего паводка затопляется речными водами. С северной части полигон омывается водами протоки Алгара, а с восточной протоки Кигач.

Эколого-ресурсный потенциал территории Восточно ильменно-бугрового ландшафтного района велик. Из наиболее благоприятных условий следует выделить изотермы сумм средних температур воздуха за период с устойчивой температурой выше 10°С - 3550°С. Количество дней с туманами - 50. Из неблагоприятных климатических условий следует отметить незначительное количество осадков - менее 120 мм, пестроту почвенного покров, высокую степень минерализации грунтовых вод и т.д..

Почвенный покров вершинной экологической зоны представлен комплексом светло-бурых полупустынных почв различной степени засоления и гранулометрического состава. Основными морфологическими особенностями светло-бурых почв является преобладание бурой и светло-бурой окраски по всему профилю, малая мощность гумусового горизонта, уплотненность, вскипание с поверхности, присутствие признаков солонцеватости, низкая полевая влажность (рис. 1).

Рис. 1. Морфологическое описание почвенных разрезов стационарного участка 1

Для почв, изучаемого участка, характерно наличие более плотного горизонта, характеризующегося изменением в сложении, появлением слоистости и разной степенью выраженности столбчато-глыбистой структурой. Глубина залегания сцементированного слоя увеличивается с приближением к водоему. Данный горизонт является диагностическим признаком солонцеватой разности бурых почв.

Почвенная структура шлейфовой экологической зоны отличается разнообразием гранулометрического состава. Наиболее тяжелый по гранулометрическому составу является верхний горизонт. В весеннее-летний период данная территория испытывает на себе влияние паводковых вод, что определяет миграционные процессы легкорастворимых солей. После ухода паводковых вод почвы данной территории переувлажнены. В результате снижения уровня грунтовых вод и изменением температурного режима почвы происходит изменение в миграции солей. Легкорастворимые соли, в основном, концентрируются в верхних почвенных горизонтах. В то же время, паводковые воды приносят изменения в гранулометрическую структуру почвенного горизонта, изменяя его плотность в сторону увеличения.

Для каждой экологической зоны установлена зависимость распределения растительности от эдафических факторов с выделением доминантных видов (табл. 3), определена продуктивность естественных фитоценозов и выделены наиболее перспективные экотипы полукустарниковых растений.

Таблица 3. Доминантные виды растительных ассоциаций

	Экологическая зона 1	Экологическая зона 2	Экологическая зона 3
Виоленты	полынь Лерха	полынь Лерха, мятлик луковичный, житняк сибирский	полыни Лерха, бескильница расставленная
Патиенты			кермек полукустарниковый
Эксплеренты	мортук восточный, мортук пшеничный	плоскоплодник льнолистный

Действие лимитирующих факторов на формирование фитоценозов

Одной из задач исследования явилось определение порога действия лимитирующих факторов на растительный организм и разработка мероприятий по их снижению.

Изучение приживаемости посадочного материала древесно-кустарниковых культур в условиях Восточно ильменно-бугрового ландшафтного района позволило подразделить все растения на 3 группы. В первую вошли растения имеющие 77-85 % приживаемости посадочного материала - тополь черный, вяз мелколистный. Во вторую группу вошли растения, имеющие 50% приживаемости саженцев - айлант высочайший. В третью группу - растения менее 42 % - акация белая, ясень обыкновенный, клен ясенелистный, шелковица белая и черная. Осенние сроки посадки саженцев растений древесно-кустарниковых видов более предпочтительны по сравнению с весенними.

Наблюдения за ростом и состоянием посадок изучаемых видов древесно-кустарниковой растительности показали влияние способов подготовки почвы на рост и развитие растений (рис. 2-9).

Рис. 2. Динамика развития надземной части растений Populus nigra L. в зависимости от способов обработки почвы

Рис. 3. Динамика развития подземной части растений Populus nigra L.в зависимости от способов обработки почвы

Рис. 4. Динамика развития надземной части растений Ulmus pumila L. в зависимости от способов обработки почвы

Рис. 5. Динамика развития подземной части растений Ulmus pumila L.в зависимости от способов обработки почвы



Рис. 6. Динамика развития надземной части растений Elaeagnus angustifolia L в зависимости от способов обработки почвы

Рис. 7. Динамика развития подземной части растений Elaeagnus angustifolia L в зависимости от способов обработки почвы

Эколого-физиологические особенности формирования фитоценозов

Характер протекания физиологических процессов (фракционный состав воды в тканях, водоудерживающая способность, интенсивность транспирации, концентрация клеточного сока) является одним из важных показателей адаптации растений к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Фракционный состав воды в тканях (листьях и однолетних побегах). Динамика количественного соотношения различных форм воды в растениях представлена на рисунках 8-10.

Рис. 8. Фракционный состав воды в побегах изучаемых растений в начале вегетационного периода (май)

Рис. 9. Фракционный состав воды в побегах изучаемых растений в начале вегетационного периода (июль)

Рис. 10. Фракционный состав воды в побегах изучаемых растений в начале вегетационного периода (сентябрь)

У тополя черного в течение вегетационного периода происходит равномерное снижение содержания свободной воды (май - 58,38%; июль - 44,49%; сентябрь - 41,62%). При этом концентрация связанной воды в побегах значительно меньше (май - 23,09%; июль - 22,55%; сентябрь - 23,44%). Незначительно количество связанной воды в конце вегетационного периода указывает, что молодые части однолетних побегов не подготовлены к состоянию зимнего покоя.

В связи с чем, у тополей в зимний период часто происходит повреждение «не одревесневших» частей побегов и их отмирание. Подобная динамика изменения содержания свободной и связанной воды наблюдается и в листьях тополя черного.

Анализируя результаты полученных данных, характеризующие состояние свободной и связанной воды в листьях и побегах лоха серебристого и вяза мелколистного, можно заключить следующее. С середины вегетационного периода содержание связанной воды превышает данный показатель по свободной воде. Подобное указывает, что у растений изучаемых видов снижается ростовая активность. Они адекватно реагирует на повышение летних температур, на снижение почвенной и воздушной влаги. К концу вегетационного периода многократное превышение показателя по связанной воде над свободной, указывает на полную подготовку растения к периода зимнего покоя. За все время наблюдений, мы не разу не обнаружили побеги, поврежденные в результате зимних морозов.

Водоудерживающая способность растений. Изменения водоудерживающей способности растений на фоне умеренной засухи обусловлено изменениями обменных процессов - увеличением количества водорастворимых белков и осмотически деятельных веществ. В связи с чем, большой интерес представляет сравнительное изучение водоудерживающей способности растений в условиях стабилизированного водообмена.

Проведенные исследования показали, что у растений ксерофитов - лоха узколистного и вяза мелколистного, максимальная водоотдача наблюдается в весенний период с активизацией ростовой деятельности (рис. 11-13). С началом жаркого периода, происходит возрастание водоудерживающей способности клеток обусловленное изменениями в обменных процессах - увеличением количества водорастворимых белков и осмотически деятельных веществ. Рост содержания водорастворимых белков у лоха узколистного и вяза мелколистного - приспособительная реакция на действие неблагоприятных факторов.

Рис. 11. Водоудерживающая способность растений, май.

Рис. 12. Водоудерживающая способность растений, июль.

Рис. 13. Водоудерживающая способность растений, сентябрь.

Тополь черный является растением, относящимся к группе мезофитов. Тополю черному, в течение вегетационного периода, для обеспечения нормального протекания обменных процессов необходимо значительное количество влаги. В течение вегетационного периода у тополя наблюдается два пика ростовой активности. Первый пик приходится на весенне-летний период, а второй летне-осенний. Этим объясняется сравнительно незначительное расхождение по показателям водоудерживающей способности в весенне-летний и летний периоды.

Интенсивность транспирации. Произрастая в условиях повышенного температурного режима, растения, в течение вегетационного периода, испытывают стресс. Благодаря транспирации осуществляется снижение температуры растений. Необходимо отметить, что перегрев растений приводит к нарушению протекания биохимических и физиологических процессов. В связи с чем, изучение интенсивности протекания транспираторных процессов в растениях рекомендуемых для создания поликомпонентных фитоценозов нам видится актуальным.

На рисунке 14 представлена динамика протекания транспирации у изучаемых растений в течение вегетационного периода.

Рис. 14. Интенсивность транспирации

Интенсивность протекания транспираторных процессов в течение вегетационного периода у тополя черного находится на постоянно высоком уровне. Все это указывает на высокую ростовую активность в течение вегетационного периода.

У лоха узколистного и вяза мелколистного максимум ростовой активности приходится на начало вегетации.

С наступлением стабильно жаркого периода побегообразование прекращается, что подтверждается данными по транспирации.

В результате проведенных исследований можно заключить, что направленность водного режима у лоха узколистного и вяза мелколистного позволяет им не только сравнительно легко переносить недостаток влаги, но и продуктивно её использовать. В отличие от них тополь черный наиболее реагирует на изменение влаги. Но при нормализации водного баланса почвы данная реакция исчезает и позволяет включать данное растение в состав фитоценозов в условиях Восточно ильменно-бугрового ландшафтного района.

Направленность водного режима у лоха узколистного и вяза мелколистного позволяет им не только сравнительно легко переносить недостаток влаги, но и продуктивно её использовать. В отличие от них тополь черный наиболее реагирует на изменение влаги. Но при нормализации водного баланса почвы данная реакция исчезает и позволяет включать данное растение в состав фитоценозов в условиях восточно ильменно-бугрового ландшафтного района.

Создание поликомпонентных фитоценозов на основе полукустарничковой растительности

Анализ флористического состава природных ландшафтов с выделением доминантных видов позволил обосновать введение в состав поликомпонентных фитоценозов полукустарничковых видов: полыни белой, полыни черной и кохии простертой, а именно отобранных форм.

У изучаемых форм, несмотря на их различную фенотипическую принадлежность, размеры и масса семян находилась норм для данных видов. Всхожесть семян находилась в пределах 17-59 % (лабораторная) и 7-38 % (полевая).

Всхожесть семян кохии простертой находилась в пределах 92,5-97,6 % (лабораторная). Семенная продуктивность изучаемых образцов составляла 0,09-0,19 т/га.

Анализ основных агротехнических показателей при возделывании полыни белой и черной позволил установить, что при рядном посеве норма высева семян полыни черной составила 0,3-0,4 кг/га, при сплошном 0,5-0,6 кг/га. У полыни белой: для рядного посева - 0,5-0,6 кг/га, для сплошного 0,8-1,0 кг/га. Отработка методики посева полыни позволил констатировать преимущество способа заделки семян вместе с побегами перед обычным посевом.

Изучение динамики ростовой активности указывает на активный прирост в течении первых 3 лет жизни (0,48-0,54 см). В последующие годы высота растения увеличивается незначительно и достигает в высоту 0,58-0,65 см.

Проведенные исследования позволяют заключить, что в условиях Восточно ильменно-бугрового ландшафтного района включение в состав поликомпонентных фитоценозов полукустарничковых видов полыни белой, полыни черной и кохия простертая позволяют в полной мере использовать потенциал биогоризонтов, а также улучшить экологические условия в регионе.

Создание поликомпонентных фитоценозов на основе многолетней травянистой растительности

Помимо простейших кустарничков в состав фитоценозов включали и многолетние травянистые растения из семейства злаковые: пырей удлиненный сортов Ставропольский 10 и Солончаковый, житняк гребневидный сорт Викрав, кострец безостый сорт Ставропольский 31. В качестве контроля был отобран представитель местной флоры житняк сибирский.

Установлено, что полнота всходов у изучаемых растений в пределах 1 и 2 экологических зон варьировала в пределах 45-55 %. В условиях засоления (3 экологическая зона) максимальная всхожесть наблюдалась у пырея удлиненного сорта Солончаковый (62 %).

От видовой принадлежности зависели и параметры габитуса куста: кустистость и высота растения. В условиях вершины и склона бугра (1 и 2 экологические зоны) среднее количество побегов на одно растение составляло 60-74 шт. В условиях третьей экологической зоны (основание бугра) максимальный показатель наблюдался у пырея удлиненного сорта Солончаковый (80 шт). При этом у костреца безостого сорт Ставропольский 31, также как и у контрольного варианта наблюдалось минимальное количество побегов 12-14 шт.

Наблюдения за высотой растения позволил выделить наиболее перспективные сорта для произрастания во всех изучаемых экологических зонах. В 1 и 2 зонах все сорта имели среднюю высоту свыше 80±2,16 см (контроль - 54±1,91 см). В условиях засоления лучшими показателями обладал пырей удлиненный сорта Солончаковый - 128±1,47 см.

Адаптационную особенность растений к произрастанию в различных условиях характеризовали и по площади листового аппарата. В условиях вершины и склона бугра Бэра Максимальная площадь наблюдалась у пырея удлиненного сорта Ставропольский 10 (0,26±0,01 см²) и житняка гребневидного сорт Викрав (0,28±0,03 см²). минимальная площадь наблюдалась у представителя местной флоры - житняка сибирского (0,19±0,11). Со сменой экологических зон, характеризующихся повышением в почвенном профиле легкорастворимых солей, изменяется и доминантные растений. У житняка гребневидного сорт Солончаковый площадь листьев на одном растении составляет 0,3 м²/растение (±0,02), что значительно превышает площадь листьев у других растений.

Результаты исследований показывают необходимость введения в состав поликомпонентых фитоценозов многолетних злаковых растений. В сравнении с рудеральным видом житняком сибирским испытываемые сорта характеризовались как более адаптированные для произрастания в условиях Восточно ильменно-бугровом ландшафтном районе. Особенно данные различия проявлялись при произрастании на почвах богатых легкорастворимых солями.

Влияние поликомпонентных фитоценозов на природные условия

Начиная исследования, нами высказывалась гипотеза, что созданный фитоценоз, независимо от его пространственной ориентации, должен оказывать воздействие не только на территорию на которой он создается, но также и на окружающую территорию путем максимального использования потенциала биогоризонтов и внесения в данные биогоризонты энергетических запасов.

Влияние многолетней растительности на почвенно-грунтовые условия фитоценозов и прилегающих территорий. Девятилетние наблюдения за почвенно-грунтовыми условиями показали, что скважность почвенного профиля всех экологических зон увеличилась за счет изменения связанного с уменьшением плотности (рис. 16-18).

Рис. 16. Динамика изменения плотности почвы. Экологическая зона 1

Рис. 17. Динамика изменения плотности почвы. Экологическая зона 2

Рис. 18. Динамика изменения плотности почвы. Экологическая зона 3

Рост и развитие злаковых растений приводит к улучшению структурированности почвы. Подобные изменения наблюдаются и в варианте с полукустарничковыми растениями.

Необходимо отметить, что посадки древесно-кустарниковых растений оказывают влияние не только на почвенные комплексы под фитоценозами, но также, и прилегающих территорий.

Структурные изменения, связанные с произрастанием злаковых и полукустарничковых растений, особенно хорошо прослеживаются на почвах богатых солями.

Снижение структурированности почвы начинает проявляться уже на второй год развития растений.Результат исследования, приведенные на рисунках 19-21, указывают на положительное влияние произрастания изучаемых групп растений на изменение влагообеспечение почвы.

Рис. 19. Изменение полевой влажности почвы.

Экологическая зона 1

Рис. 20. Изменение полевой влажности почвы.

Экологическая зона 2



Рис. 21. Изменение полевой влажности почвы.

Экологическая зона 3

Древесно-кустарниковые растения оказывает влияние на изменение почвенно-грунтовых условий прилегающих территорий. Наблюдается увеличение полевой влажности на 2,0±0,01 % в поверхностных горизонтах и 2,2±0,03 % на глубине. Подобное увеличение влагообеспеченности прежде всего связано с созданием деревьями защитного фона, который позволяет снизить нагрев почвенной поверхности и скоростные характеристики ветра.

На данном фоне активизируется рост рудеральной растительности, как в количественно видовом, так и в качественном отношении. Введение в состав естественного ценоза наиболее устойчивых групп растений устойчивых к условиям внешней среды на наш взгляд является наиболее перспективным.

Произрастание злаковых растений приводит к увеличению влаообеспеченности почвенного профиля. Так в поверхностных горизонтах наблюдается превышение по изучаемому признаку на 21±0,8 % по сравнению с почвой до начала эксперимента. Подобная тенденция наблюдается и в более глубоких почвенных горизонтах.

Несмотря на иное, чем у злаковых растений, строение корневой системы полукустарнички также оказывают влияние на положительные изменения по влагообеспеченности почвенного профиля.

Влияние однолетних растений фитоценозов на изменение почвенно-грунтовых условий. Помимо многолетних растений в состав фитоценоза были включены и однолетние растения из семейства бобовые. Основное назначение данных растений изменение почвенно-грунтовых условий в течение короткого промежутка времени. В условиях полигона Восточный района мы наблюдали следующие однолетние бобовые растения: вика яровая, клевер персидский, клевер александрийский, пажитник пряморогий, донник лекарственный.

Все изученные растения оказали положительное воздействие на улучшение почвенной структуры за счет увеличения водорастворимых почвенных элементов, при этом максимальное изменение наблюдается в поверхностном горизонте.

Улучшение почвенной структуры происходит и за счет осенней запашке надземной массы. При данном мероприятии в почву попадает от 6 до 9 т/га органического вещества. При этом необходимо также учитывать и образующийся на корнях растений симбиотический аппарат. Максимальное количество клубеньков наблюдалось у клевера александрийского (14,2 шт/растении). При этом количество активных клубеньков достигало 6,4 шт/растении.

При запахивании растений в почву наблюдается процесс превращения органического вещества, который определяет биологическую активность почвы. Исследованиями установлено, что при одновременном внесении азотного и фосфорного удобрения и запахивании растений коэффициент использования азота повысился с 27 до 45 %, а содержание фосфорной кислоты с 1,0 до 1,23 %. Через сутки после запашки в почву вегетативной массы, активизируется процессы, связанные с образование аммиака. Уже на третьи сутки выделение аммиака достигает максимального показателя - 63,2 мг/кг сух. почвы. В контроле данный показатель находился в пределах 4,8 мг/кг сух. почвы. Выделение аммиака продолжалось в течение 25 суток. При этом активная стадия - до 12 суток.

Полученные результаты подтверждают возможность использовать однолетние бобовые культуры для улучшения почвенно-грунтовых условий на территории отводимой под фитоценоз. При этом сроки реализации данной работы могут быть сведены к минимуму

4. Создание поликомпонентных фитоценозов в условиях Западного ильменно-бугрового ландшафтного района

Полигон «Западный» расположен в границах Западно ильменно-бугрового ландшафтного района. В пределах полигона заложена сеть стационарных ключевых участков с выделением экологических зон: экологическая зона 1 располагается на вершине бугра Бэра, экологическая зона 2 - на восточном склоне бугра Бэра и экологическая зона 3 - в шлейфовой части бугра. К северу и к югу от стационара находятся линейно вытянутые пресноводные озера-ильмени Гурбут и Пятиерик. Перепад высот составляет от минус 13.1 м на вершине бугра до минус 26.2 м - урез воды в озерах-ильменях.

Эколого-ресурсный потенциал территории Западно ильменно-бугрового ландшафтного района значителен. Из наиболее благоприятных условий следует отметить сумарные показатели положительных температцр. Изотермы сумм средних температур воздуха за период с устойчивой температурой выше 5°С составляет - 3850°С. Изотермы сумм средних температур воздуха за период с устойчивой температурой выше 10°С равна 3600°С. Количество дней с туманами - 69. Из неблагоприятных условий наиболее значимыми являются количество осадков - 140-160 мм, при этом на долю зимнего периода приходится максимум - 70-90 мм. Число дней с температурой более 30°С составляет 87. часто наблюдаются пыльные бури - 16 дней. Число дней в году со скоростью ветра более 30 составляет 34 м/с. В зимний период нередки оттепели - 89 дней, гололеды - 14 дней.

Почвенный покров экологической зоны 1 и 2 представлен комплексом светло-бурых полупустынных почв различного гранулометрического состава и различной степени засоления (рис. 22).

Рис. 22. Морфологическое описание почвенных разрезов стационарного участка 2

Основными морфологическими особенностями данных почв является преобладание бурой и светло-бурой окраски по всему профилю. Для данного вида почв характерна малая мощность гумусового горизонта, уплотненность, вскипание с поверхности, присутствие признаков солонцеватости, низкая полевая влажность.

Для гранулометрического состава характерна резкая двучленность профиля. В механическом составе супесей преобладала фракция мелкого песка (частиц диаметром 0,25-0,05 мм).

Почвы участка обладают малой емкостью поглощения - от 5,78 м-экв/100г до 6,71 м-экв/100г. Почвы имеют щелочную реакцию, все они содержат общую щелочность в HCO₃^- выше 0,019%.

Почвенные структуры изучаемого стационарного участка неравномерно обеспечены почвенной влагой. При этом ее распределение в почвенном профиле также неравномерно. Так в условиях вершины бугра Бэра (1 экологическая зона) с глубиной происходит увеличение запаса влаги. В условиях 2 экологической зоны (склон бугра Бэра) увеличение запаса влаги наблюдается, но оно незначительно. Для 3 экологической зоны (основание бугра Бэра) увеличение запаса влаги ощутимо с 24,4 мм в поверхностных горизонтах до 133,8 мм в глубинных. Количество почвенной влаги во многом зависит от регулирования уровня воды в пресноводных озерах-ильменях.

Для каждой экологической зоны установлена зависимость распределения растительности от эдафических факторов с выделением доминантных видов (табл. 3), определена продуктивность естественных фитоценозов и выделены наиболее перспективные экотипы полукустарниковых растений.

Таблица 3. Доминантные виды растительных ассоциаций

	Экологическая зона 1	Экологическая зона 2	Экологическая зона 3
Виоленты	верблюжья колючка	полынь Лерха полынь сантонская
Патиенты			солерос европейский прибрежница растопыренная
Эксплеренты	мортук восточный мортук пшеничный	костер японский	петросимония толстолистная

В работе также приведен анализ экологических потенций всех описанных видов. Для каждой экологической зоны определена продуктивность естественных фитоценозов.

Влияние действия лимитирующих факторов на формирование фитоценозов

По степени приживаемости саженцев данные виды подразделяются на 3 группы. В первую группу вошли растения имеющие высокий процент приживаемости 74,5-79 %. К ним относятся лох узколистный и вяз мелколистный. Во вторую группу вошли растения, у которых процент приживаемости в осенний и весенний периоды составлял 44-48 %. Помимо айланта высочайшего в данную группу вошли тополь черный и робиния псевдоакациевая. Третья группа включает растения, у которых процент приживаемости посадочного материала был ниже 30 % - ясень обыкновенный, клён ясенелистный, шелковица черная и шелковица белая.

Наблюдения за ростом и состоянием посадок изучаемых видов древесно-кустарниковой растительности (группа 1 и 2) выявили зависимость способов подготовки почвы и ростовой активности растений. Набольшая зависимость способов подготовки почвы прооявилась у лоха узколистного и вяза мелколистного (рис. 23-26).

фитоценоз почвенное плодородие эдафический

Рис. 23. Динамика развития надземной части растений Ulmus pumila L. в зависимости от способов обработки почвы

Рис. 24. Динамика развития подземной части растений Ulmus pumila L.в зависимости от способов обработки почвы



Рис. 25. Динамика развития надземной части растений Elaeagnus angustifolia L в зависимости от способов обработки почвы

Рис. 26. Динамика развития подземной части растений Elaeagnus angustifolia L в зависимости от способов обработки почвы

(Эколого-физиологические особенности формирования фитоценозов

Фракционный состав воды в тканях (листьях и однолетних побегах). Динамика количественного соотношения различных форм воды в растениях представленны на рисунках (рис. 27-29).

Рис. 27. Фракционный состав воды в побегах изучаемых растений в начале вегетационного периода (май)

Рис. 28. Фракционный состав воды в побегах изучаемых растений в начале вегетационного периода (июль)

Рис. 29. Фракционный состав воды в побегах изучаемых растений в начале вегетационного периода (сентябрь)

Фракционный состав воды в листьях и побегах характеризует лох серебристый и вяз мелколистный как растения-ксерофиты. Вначале вегетационного периода у лоха серебристого и вяза мелколистного наблюдается превышение содержания свободной воды над связанной. Данный факт объясняется активизацией ростовых процессов и ростом листьев и побегов.

В середине вегетационного периода, с наступлением стабильно жаркой погоды, содержание связанной воды выше, чем свободной, что говорит о хороших адаптационных качествах данных растений. В конце вегетационного периода, подобное соотношение связанной воды к свободной продолжает наблюдаться, что говорит о готовности растений к периоду зимнего покоя.

Водоудерживающая способность растений. Ксерофитность вяза мелколистного и лоха серебристого подтверждается характером протекания процессов, связанных с водоудерживающей способностью (рис. 30-32).

В весенний период у лоха серебристого и вяза мелколистного наблюдается тенденция поддержания количества водорастворимых белков и осмотически деятельных белков в стабильных пределах.

Рис. 30. Водоудерживающая способность растений, май

Рис. 31. Водоудерживающая способность растений, июль

Рис. 32. Водоудерживающая способность растений, сентябрь

После сухого летнего периода, осенью у растений наблюдается небольшая активность в протекании ряда физиологических процессов, способствующая подготовке к зимнему периоду. В данный период потеря воды составляет для лоха серебристого: через 30 минут - 2,80 %; через 60 минут - 3,20 %; через 120 минут - 6,60 %. У вяза мелколистного: через 30 минут - 4,00 %; через 60 минут - 4,60 %; через 120 минут - 7,00 %.

Интенсивность транспирации. В течение вегетационного периода, у изучаемых растений наблюдалась тенденция снижения активизации интенсивности протекания транспираторных процессов.

Рис. 33. Интенсивность транспирации

В течение вегетационного периода у лоха серебристого и вяза мелколистного наблюдается тенденция изменения транспираторной активности в сторону уменьшения. Максимальные показатели, характеризующие транспирацию, приходятся на период ростовой активности. В середине летнего периода у ксерофитных растений характер протекания физиологических процессов указывает на реакцию растений на измененные условия окружающей среды.

С наступлением повышенных летних температур транспирационная активность снижается. В осенний период, несмотря на снижение дневных температур, наблюдается снижение интенсивность транспирации. На повышение процессов транспирации не оказывает влияние не увеличение осенних осадков, не постоянно стабильные туманы.

Создание поликомпонентных фитоценозов на основе полукустарничковой растительности

Создание многолетних, высокопродуктивных, поликомпонентных фитоценозов это процесс создания экосистемы. При этом во время создании и тем более во время эксплуатации фитоценоза необходимо знание особенностей взаимодействия всех его компонентов, тем более растений, которые мы в него вводим. В связи с чем, для дальнейших исследований были включены простейшие кустарнички полынь белая и полынь черная.

Результаты изучения биометрических показателей семян изучаемых видов полыни указывает, что несмотря на их различную экотипическую принадлежность размеры и масса семян находилась в пределах норм для данных видов. Так для полыни черной размер семян варьировал в пределах 0,9-1,3 мм, а для полыни белой 0,7-1,0 мм. Масса семян у полыни черной составляла 275-310 мг, а для полыни белой 260-300 мг. По размеру семенного материала изучаемые виды полыни можно отнести к мелкосемянным вида, что значительно затрудняет процесс заготовления семенного материала.

В связи с особенностями высева и распространения семян у полыней отрабатывалась методика посева семян. Изучались два способа: сев семенами и заделка семян вместе с побегами. Второй способ более предпочтителен, так как наблюдается превышение численности всхожих растений на 31% для полыни белой и 29 % для полыни черной. К тому же второй способ позволяет сохранить все фенотипические и генотипические характеристики исходной материнской формы, что в условиях отсутствия семеноводческой базы является актуальным.

Анализ основных агротехнических показателей при возделывании полыни белой и черной позволил установить, что при рядном посеве норма высева семян полыни черной составила 0,3-0,4 кг/га, при сплошном 0,5-0,6 кг/га. У полыни белой: для рядного посева - 0,5-0,6 кг/га, для сплошного 0,8-1,0 кг/га.

...