Влияние климата на биологические свойства почв юга России

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность исследования.

Несмотря на то, что влияние климата на растительность, почвообразование и почвы исследуется со времен работ А. Гумбольдта и В.В. Докучаева, многие вопросы до сих пор не выяснены. Большой интерес вызывает реакция биоты, биологической активности и плодородия почв на климатические изменения на нашей планете. На кафедре экологии и природопользования Южного федерального университета разработана и апробирована методология использования биологических свойств почв в диагностике их экологического состояния (Казеев и др., 2003, патент №2501009). Ранее была установлена географическая неоднородность биологических свойств почв юга России и закономерности их пространственного распределения (Казеев и др., 2004, 2006), их устойчивость к различным антропогенным факторам: переувлажнению, засолению, сельскохозяйственному использованию, загрязнению и т.д. (Казеев, 1996; Колесников и др., 2000, 2006, 2013; Казеев и др., 2003, 2004, 2006, 2012; Денисова и др., 2005; Репях, 2007). Почвы разных природных зон, разного таксономического положения имеют значительные отличия в разнообразии почвенной биоты, ее составе и биологической активности. Соответственно, при выявлении закономерностей связей биологических показателей почв с климатическими параметрами, будет возможно построение предположений об изменении самих почв, границ их ареалов и площади распространения при изменении климата. Притом, что такие предположения можно строить исходя из генезиса и свойств почв, дополнительные показатели, особенно такие чувствительные, как биологические, помогут делать прогнозы более точно.

Известны работы, посвященные влиянию климатических условий и их изменений на почвы и почвенный покров (Волобуев, 1946, 1956; Димо, 1988; Куст и др., 2008; Кленов, 2010), в том числе посвященных влиянию климата на пространственное распределение фауны, микроорганизмов и биологическую активность почв (Гиляров, 1949, 1976; Мишустин, 1954, 1966; Чернов, 2005; Казеев, 2004; Стриганова, 2005, 2009; Берсенева и др., 2008; Комаров, 2009; Кудеяров и др., 2009; Sowerbyet al., 2005; Bastida et al., 2008). Наряду с уже известным использованием показателей ферментативной активности в диагностике плодородия почв и их экологического состояния, также была показана теоретическая возможность их использования при исследованиях, посвященных климатическим изменениям (Henry, 2013).

Цель работы - выявить закономерности влияния климата на биологические свойства почв юга России.

Задачи исследования:

1. Исследовать биологические особенности разных типов почв юга России, формирующихся в контрастных климатических условиях.

2. Выявить климатические параметры, лимитирующие биологическую активность почв на юге России.

3. Определить набор биологических показателей почв, наиболее тесно связанных с климатическими параметрами.

4. Выявить географические закономерности профильного распределения биологической активности (БА) и общей БА с учетом всего гумусового профиля почв юга России.

5. Определить закономерности влияния климата и отдельных его составляющих на разные биологические свойства и интегральный показатель биологического состояния (ИПБС).

Основные положения выносимые на защиту:

1. Для 12 типов и подтипов зональных почв юга России выявлены закономерности зависимости биологических показателей от климата. Максимальная зависимость биологических показателей выявлена в экстремальных климатических условиях. Наибольшая корреляция биологических показателей отмечена с годовым количеством осадков (прямая зависимость) и амплитудой температур (обратная зависимость).

2. Максимальные значения суммарной биологической активности с учетом всего профиля почв отмечены в теплых и увлажненных условиях климата, где на юге юга России формируются черноземы выщелоченные. При изменении его как в сторону аридизации, так и гумидизации, наблюдается снижение биологической активности.

3. Биологические показатели обладают различной информативностью. Содержание гумуса как аккумулятивный биоиндикатор наиболее тесно коррелирует с большинством климатических показателей. Ферментативная активность как более чувствительный показатель, отражающий отдельные биологические процессы, имеет более сложные непрямолинейные зависимости.

Научная новизна. Впервые изучена зависимость влияния климата на биологическую активность почв юга Европейской территории России. Выявлена степень зависимости почвенных биологических параметров от отдельных климатических показателей, таких как среднегодовое количество осадков, среднегодовая температура, среднегодовая амплитуда температур, и от их совокупного действия с помощью климатических индексов. Выявлены почвенные биологические показатели, наиболее подходящие для прогноза изменения почв при возможных колебаниях климата.

Практическая значимость. Полученные результаты, возможно, использовать при попытке прогноза изменения почвенных свойств, устойчивости и плодородии почв, почвенных ареалов в условиях меняющегося климата. Результаты исследования используются в учебном процессе при преподавании экологии, почвоведения, географии, природопользования и охраны окружающей среды, экологической экспертизы, экологического мониторинга и биоиндикации в Южном федеральном университете и могут быть использованы в учебном процессе других ВУЗов.

Личный вклад автора. Тема, цель, задачи, объекты, методы и план исследования определены автором совместно с научным руководителем. Отбор почв для лабораторного анализа осуществлены в ходе проведения комплексных экспедиций. Лабораторные опыты и анализы проведены лично автором или под его руководством. Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя. По результатам исследований автором или научным коллективом с участием автора опубликован ряд научных работ объемом 3,85 п.л. с долей участия автора - 85 %.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 30 конференциях, в том числе: Eurosoil (Vienna, Austria, 2008), всероссийском съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008; Петрозаводск, 2012), , Международной научно-практической конференции «Экология речных бассейнов» (Владимир, 2013), Международной научной конференции «Современное состояние черноземов» (Ростов-на-Дону, 2013), всероссийской научной конференции «14 Докучаевские молодежные чтения» (Санкт-Петербург, 2011), Международная конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013), Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2010), Научно-практическая конференция «Социально-экономические и экологическое развитие Северо-Кавказкого региона» (Белореченск, 2008, 2009), Международная научно-практическая конференция «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Барнаул, 2008), Международная научно-практическая конференции «Экология биосистем: проблемы, изучения, индикации, прогнозирования» (Астрахань, 2007), Международная научно-практическая конференция «Биогеография почв» (Москва, 2009), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008, 2009, 2010, 2012, 2013, 2014), Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2007), научной конференции сотрудников, студентов и аспирантов кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета «Актуальные вопросы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону-2012) и др.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 61 публикациях, из них 11 работ в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, 56 рисунков. Список использованной литературы включает 263 источников, в том числе 60 на иностранных языках.

Конкурсная поддержка работы. Исследование выполнено при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственные контракты П169, П1298, П322, 16.740.11.0528, 14.740.11.1029, соглашения 14.A18.21.0187, 14.A18.21.1269, 5.5160.2011), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 годы (государственный контракт 14.515.11.0055), Президента РФ (грант НШ-2449.2014.4; НШ-5316.2010.4), грантов Программы развития Южного федерального университета.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе своему научному руководителю д.г.н., профессору К.Ш. Казееву; за ценные рекомендации д.с.-х.н., профессору С.И. Колесникову, за исследование микроартропод к.б.н. Л.С. Самохваловой. Также всем соавторам публикаций и сотрудникам кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета.

1. Значение климата в почвообразовании

1.1 Климат как фактор почвообразования

Климат является одним из факторов почвообразования. Факторы почвообразования - это условия природной среды, под действием или участием которых образуются почвы. К факторам почвообразования относят все условия, силы, закономерности и их различные сложные сочетания, которые влияли в прошлом, влияют в настоящем, и будут влиять в будущем на почвы и их развитие. Список всех почвообразующих составляющих может быть бесконечным. Именно поэтому необходимо было объединить все многочисленные почвообразовательные условия к единому основному перечню. В.В. Докучаев свел все многообразие внешних сил и условий к пяти основным показателям, таким как климат, горные породы, организмы, рельеф и время. В.В. Докучаев первым установил, что отношение между почвами и условиями их образования закономерны и жестко детерминированы. Различия между этими условиями в географическом пространстве и времени приводит к многочисленному разнообразию почв (Цыганенко, 1972).

Все объекты в природе взаимосвязаны и взаимообусловлены. Климат, фитоценозы, зооценозы, почвы и другие составляющие зон и ландшафтов представляют неразрывное единство, и изменение одного из компонентов этого единства неизбежно приводит к изменению других составляющих от первоначального состояния (Вальков, 2008).

В.В. Докучаев выделял пять основных факторов почвообразования: климат, породы, живые организмы, рельеф и время. Изменения одного фактора приводит к изменению почвы. Таким образом, установлено, что если факторы образования почвы одинаковы, то и почвы будут одинаковыми. Так же, зная все факторы почвообразования конкретной местности, можно определить какие почвы там расположены. Это правило используется для прогноза образования почв на беспочвенных субстратах. Благодаря факторам почвообразования можно познать генезис почв и изменяя факторы, можно изменять почвы в необходимую сторону (Щеглов и др., 2008).

В.В. Докучаев считал, что все факторы одинаково значимы для образования почвы, и невозможно заменить отсутствие одного фактора другим. Отсутствие какого-либо фактора делает не возможным образования почвы. Тем не менее, факторы почвообразование оказывают разную степень воздействия на почвообразовательный процесс. Например, в степной равнинной зоне рельеф оказывает второстепенное действие по сравнению с климатом и организмами, а в горах он является доминирующим среди всех факторов почвообразования. В.В. Докучаев допускал разную роль факторов в генезисе почв. Для разных почв доминирующее влияние оказывают разные факторы. Каждая отдельная почва образуется и развивается при доминирующем влиянии одного или двух ведущих факторов и при второстепенном действии других факторов (Зольников, 1970).

Невозможно определить роль конкретного фактора в образовании всех почв на Земле, так как факторы постоянно взаимодействуют между собой. Но для какой-либо конкретной почвы, можно определить какой фактор является доминирующим на данной стадии ее образования. Так, для черноземов доминирующим фактором является биологический фактор, для подзолов - количество осадков, для рендзин - материнская порода, для солончаков - наличие солей.

С.А. Захаров (1927) попытался создать факторную классификацию почв, опираясь на ведущую роль каждого фактора. Он выделил гидрогенные, климатогенные, литогенные, галогенные, орогенные и флювиогенные почвы. Так же С.А. Захаров условно разделил все факторы - почвообразователи на активные и пассивные. К первым он отнес климат и организмы, а ко вторым - рельеф, горные породы и возраст страны. Он считал, что пассивные факторы служат только источниками вещества и условиями, оказывающими воздействие на почвы, а активные кроме того могут являться еще источниками энергии, воздействующими на почвы.

Многие исследователи пытались дополнить ряд факторов, предложенный В.В. Докучаевым. Например, А.А. Роде (1972) выделил как факторы - почвообразования грунтовые воды и земное тяготение. По мнению В.Р. Вильямса (1939) хозяйственная деятельность человека должна обязательно учитываться и как главный фактор почвообразования.

Климат - это закономерная последовательность метеорологических процессов, выражающихся в многолетнем режиме погоды в данной местности (Берг, 1938). Климат - это совокупность всех не случайных для него типов погоды. В свою очередь, погода - это общность всех метеорологических явлений, происходящих в данной местности в данный момент времени (Войков, 1884).

Климат зависит от географического положения территории, которое определяет приток солнечной энергии и количество осадков. Основные составляющие климата - температура воздуха, количество осадков, наличие ветра и многолетней мерзлоты. Осадки и температура определяют водный и тепловой режимы почвы, ее влажность, скорость и характер превращения органических остатков, минерализацию гумуса, разрушение минеральной части почвы (Виленский, 1961).

З.Г. Залибеков (2005) считает, что из комплекса факторов - почвообразователей наибольшее влияние на почвы оказывают климатические условия и растительность.

Русские почвоведы В. В. Докучаев и Н.М. Сибирцев, а также американский почвовед Е. В. Гильгард еще в конце XIX века обратили внимание на тесную связь климата и почвы и предавали данному фактору наибольшее значение. Позже, многие исследователи поддержали мнение о ведущей роли климата в образовании почв. Без климата, а в большей степени без притока солнечной энергии, не возможно существование и жизнедеятельность организмов, без которых никогда бы не образовались почвы.

Хоть климатом и определяется поступление в почвы воды, воздуха и тепла, но климат не может создать почв, так как образование их - процесс биологический. Это положение впервые было обосновано П.А. Костычевым, который показал, что «возьмем ли мы температуру - мы найдем между черноземными местностями громадное разнообразие, возьмем ли количество дождя - и в этом находим различия весьма большие, сочетание обоих климатических элементов тоже разнообразно» Поэтому «Климат не мог оказывать существенного влияния на образование чернозема» (Костычев, 1949). Подобные же воззрения развивал профессор А.Н. Сабанин, который писал: «Мы не признаем за климатом значения почвообразователя, климат, по нашему мнению, есть лишь условие существования, неизбежное для всех земных образований и в том числе и для почвенных образований» (Сабанин, 1908).

Климат оказывает прямое действие на такие почвообразовательные процессы. Без климата не происходили бы такие почвенные процессы как выветривание пород, химическая денудация, перемещение и сортировка увлекаемого ветром и водой материала, выпадение осадков, не происходила бы дифференциация и аккумуляция различных осадочных пород механическог и химического происхождения и т. д. Без климата невозможно существование человека. Своеобразие всех климатических условий обуславливает весь почвообразовательный процесс, приводящий к формированию уникальных типов почв. Из всего этого следует, что очень часто климат является определяющим фактором, но его роль остается не малоизученной (Савинов, 2007).

Среди всех факторов почвообразования климат является единственным, который имеет не земное происхождение, а космическое. В первую очередь он зависит от поступления и распределения по поверхности Земли солнечной радиации. Из-за различий климата от экватора к полюсам, наша планета опоясана широтными климатическими зонами. Но вместе с этим очень важно учитывать климат почв, который определяется локальными, ограниченными условиями конкретной территории (Иенни, 1948).

Климат воздействует на ход и скорость почвообразовательных процессов как напрямую, так и косвенно, изменяя другие факторы почвообразования. Тепловой и водный режим почв - пример прямого воздействия климата на почвы. Тепло и влага почв определяют многие биогеохимические процессы и миграцию вещества и химических элементов в самой почве. Доказано, что между суммой годовых осадков, гидротермическим коэффициентом (ГТК) и главнейшими генетическими характеристиками почв (мощность А+АВ, запасы гумуса, емкость катионного обмена, содержание ила, величина рН) существуют четкие закономерные связи (Вальков, 2008).

Общеизвестно, что для каждой природно-географической зоны свойственен специфический (зональный) тип почвы, формирующейся на равнинно-возвышенных водоразделах: для лесной зоны - подзол, для зоны пустынь - серозем, для степной зоны - чернозем. Образование зональных почв обусловлено климатическими факторами (Матвеев, 2008).

Климат оказывает существенное косвенное воздействие на растительность, жизнедеятельность организмов, почвообразующую породу и почвообразовательные процессы (Добровольский, Урусевская, 1984; Суюндуков, 2001). Так как климат играет значительную роль в образовании почвы, то она в свою очередь является источником познания исторического изменения климата, сохраняя в себе свойства прошлых эпох. Среди компонентов биотопа наибольшей скоростью изменения под влиянием климата обладают режимы температуры и влажности, газовый состав и биотические параметры почв. (Кудеяров, 2009). Причем, по происходящим сейчас процессам в почве можно судить о будущих глобальных изменениях климата. Почва и почвенный покров являются свидетелями и индикаторами глобального изменения климата (Рожков, 2009).

1.2 Значение температуры в почвообразовании

Главным источником энергии для жизни, а, следовательно, и почвообразования является солнечная радиация. Поступление энергии в виде света и тепла на почвенную поверхность определяется характером рельефа, положением местности и особенностями растительного покрова (Тарасов, Сукачев, 1981; Ахтырцев, 1999; Лопатин и др., 2002; Воробьева, 2005; Хромых, 2006, Матвеев, 2008). Из-за изменений радиационного баланса при движении от полярных областей к экватору значительно повышается скорость и интенсивность образования и разложения органического вещества, фотосинтеза, жизнедеятельности организмов, выветривания, выщелачивания, накопления и синтез новых минеральных соединений, увеличивается биологическая активность почв (Ковда, 1973; Волобуев, 1973; Орлов, Бирюкова, 1984). От температуры зависят процессы, протекающие с почвенной органикой (Арчегова, 1984; Дергачева, 1989; Орлов и др., 1997). Степные почвы имеют более тяжелый механический состав, при увеличении среднегодовых температур уменьшается содержание азота и гумуса (Ковда, 1973, 1988; Болдырев, 1993). Тепловой режим почвы оказывает влияние на испарение почвенной влаги тем самым определяет ее водный баланс (Файбишенко, 1983; Qiu et al., 1999). От температуры зависят гидрофизические свойства почвы (Hopmans, Dane, 1985; Liu, Dane, 1993; Bachmann et al., 2002). Температура определяет такие свойства почв как смачиваемость (de Jonge et al., 1983), величину коэффициента фильтрации (Jaynes, 1990) и ненасыщенной гидравлической проводимости (Constantz, 1982). В итоге под действием температуры изменяется скорость инфильтрации воды в почву (Jaynes, 1985; de Jonge et al., 1983; Lin et al., 2003). Благодаря разнице температур осуществляется термоперенос почвенных растворов (Taylor, Cavazza, 1954; Тараканов, 1955; Ончуков, 1956; Абрамова, 1958; Глобус, 1962; Сагу, Taylor, 1962; Кулик, 1963; Сагу, 1965; Rose, 1968; Weeks et al., 1968; Joshua, 1973; Nassar et al., 1997) и различных газов (Александров и др., 1996).

Поток солнечной энергии усиливается от холодных полярных регионов к жарким тропическим, в этом же направлении увеличивается интенсивность процессов выветривания, фотосинтеза, жизнедеятельности животных и бактерий и возрастает интенсивность почвообразования. При этом увеличивается скорость процессов разрушения первичных минералов, разложения и минерализации органического вещества и выщелачивания, скорость созидательных процесс синтеза, накопления новых вторичных минералов и органических соединений. Известное правило Вант-Гоффа гласит, что при повышении температуры на каждые 10 °С, скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза. Диссоциация воды увеличивается в 8 раз при изменении температуры от 0 до 50 °С. В связи с этим скорость геохимических реакций в почвах различается в десятки раз в разных районах земного шара. Температура определяет величину энергии взаимодействия жидкой и твердой фазы почвы, энергии поверхностного натяжения. Под действием температуры изменяется энергия сорбции и константа термодинамического равновесия в почвенных растворах (Файбишенко, 1983; Воронин, 1986; Шеин, 2005 и др.).

Именно по этой причине в тропиках темпы почвообразования и выветривания, мощность почв и коры выветривания почв одного возраста несравненно больше, чем в умеренных и холодных областях.

Минералы отличаются друг от друга величиной объемного расширения. Величина объемного расширения полевого шпата почти в 2 раза меньше, чем у кварца. Поэтому периодическое нагревание массивнокристаллических пород днем и их остывание ночью приводит к возникновению многочисленного напряжения из-за которых образуются трещины и разрушение пород. Переход воды в лед повышает капиллярное давление в тонких трещинах, в результате чего происходит их расклинивание. Растворимость солей и газов в почвенных растворах, соотношение жидкой и твердой фаз почв, явления сорбции и десорбции, переход аморфных соединений в кристаллические также зависят от температуры. Чем выше среднегодовая температура, тем больше скорость образования в почвах вторичных глинистых минералов. Таким образом, температурный режим почв определяет и контролирует интенсивность химических, физических, механических, а также биологических процессов в почвах (Виленский, 1961). На поверхности Земли, в зависимости от поступающего тепла, формируются термические пояса, которые выделяют в зависимости от разницы в сумме среднегодовых температур выше 10°С (табл. 1).

По причине того, что поверхность нашей планеты не является идеально гладкой, на ней присутствуют разнообразные формы рельефа, которые изменяют теоретически ожидаемую схему распределения термических поясов.

Таблица 1. Планетарные термические пояса

Так же большое значение имеет градация климата по его степени континентальности. Наибольшие различия континентальности климата резко выделяются в полярной, бореальной и суббореальной группах климатов. Они обусловливают термический режим нижних горизонтов почв в зависимости от мощности снегового покрова и глубины зимнего промерзания почв и находят отражение, в классификации почв при выделении фациальных подтипов. Атмосферный климат определяет климат почвы. От него в большей степени зависит термический режим почвы, который в свою очередь имеет решающее значение в начальный период жизни растений (Шульгин, 1940, 1957; Худяков, 2010). Температура почвы является одним из основных факторов, определяющих функционирование и продуктивность агроэкосистем (Тольский, 1901; Шульгин, 1940; Степанов 1948; Горышина, Макаревич, 1973). Для сельского хозяйства большую роль играет температура почвы в зимний период. От глубина промерзания почвы, ее влажности и температуры, зависит перезимовка сельскохозяйственных растений, а также возможность накопления почвенной влаги весной, от которой зависят сроки проведения полевых сельскохозяйственных работ. Температура поверхностных горизонтов почв определяет микроклимат растительного покрова, а также от него в большей степени зависит интенсивность эвапотранспирации (Сох, Boersma, 1967; 1968; Bachmann et al., 2001). Температура влияет на эффективность вносимых удобрений (Дадыкин, 1951; Дубовик, 1956; Журбицкий, 1963; Weber, Caldwell, 1964; Филимонов, Стрельникова, 1979; Никитишен и др., 1998, 2007). Практически все протекающие в почве процессы, в том числе физические, накладываются на непрерывные изменения температуры активного слоя почвы. Температура определяет скорости протекания внутрипочвенных химических реакций и активность почвенной биоты (Мишустин, 1925; Великанов и др., 1971; Radmer, Кок, 1979; Афонина, Усьяров, 1984; King, Adamsen, 1992; Grundmann et al., 1995; Scanlon, Moore, 2000; Nielsen et al., 2001; Христенко, Шатохина, 2002; Курганова, Типе, 2003; Parkin, Kaspar, 2003 и др.). Существует много литературных данных посвященных влиянию термического фактора на самые разные стороны функционирования почв, приводящее к закономерному изменению почвенных свойств (Федорова, 1970; Федорова, Ярилова, 1972; Коковина, Лебедева, 1986; Филимонов, Стрельникова, 1979; Лепорский и др., 1990; Скворцова, Сапожников, 1998; Караваева и др., 1998; Конищев, 1998; Бахлаева и др., 2002; Базыкина и др., 2007,).

1.3 Значение осадков в почвообразовании

Почвообразующий эффект тепла и света проявляется только в том случае, если в почвах содержится достаточное для жизни растений количество влаги. Поэтому значение количества атмосферных осадков в почвообразовательном процессе также велико, как и тепла. Среднегодовая сумма осадков в разных районах Земли варьирует очень сильно. Без осадков процесс почвообразования невозможен. При среднегодовом количестве осадков 300-400 мм почвообразование угнетается. Повышение влажности до 550-650 мм (при условии равенства осадков и их испаряемости) приводит к увеличению степной растительности, под покровом которой происходит образование черноземов. 700-800 мм в год получают леса умеренного пояса обоих полушарий. Данного количества осадков вполне достаточно для того чтобы лесная растительность вытеснила степную и заняла доминирующее положение. В субтропиках выпадает до 2500 мм ежегодно, а во влажных экваториальных лесах с количество осадков достигает 7000-10000 мм в год. В связи с условиями увлажнения территории выделено шесть главных групп климата. Критерием служат среднегодовое осадков и отношение осадков к величине испаряемости (коэффициент увлажнения - КУ) (табл. 2).

биологический гумусовый климат

Таблица 2. Планетарные пояса влажности

В планетарном масштабе среднегодовое количество осадков от экватора к полюсам снижается. Однако распределение осадков на суше имеет пятнистый характер (Ковда, 1973). Основные причины такого распределения: разница высоты, форм и размеров континентов, близость или удаленности горных хребтов от мирового океана, а так же их высота над уровнем моря, их влияние на передвижение воздушных масс, циркуляцию морских течений существуют. Именно по этим причинам существуют отклонения от общей планетарной схемы зональности. Горные хребты, расположенные вдоль берега, влияют на потоки воздушных океанических масс. И на склоны горных массивов, обращенных к океану, выпадает большое количество осадков. А глубинные, отгороженные горными хребтами или отдаленные от мирового океана внутриконтинентальные районы не обеспеченны большим количеством осадков.

Влажность почвы напрямую зависит от количества и режима поступления атмосферных осадков. Растворение и перераспределение (выщелачивание) подвижных соединений в почве, перенос почвенных суспензий и химических веществ с водами подземного и поверхностного стока на дальние расстояния напрямую зависят от влажности почвы. Благодаря атмосферным осадкам в почве протекают такие процессы как гидролиз первичных минералов и замещение их вторичными глинистыми минералами. Вместе с атмосферными осадками в почву попадают не только пыль, но и аммиак, оксиды азота, угольная кислота и многочисленные отходы производства. Впитываемая почвой влага задерживается в ней и передается растениям для синтеза органического вещества.

Так же осадки вносят вклад при образовании почвенных профилей и основных генетических горизонтов. Просачивание влаги приводит к образованию геоклиматической стратификации почвенного профиля. Влага участвует в вымывании из верхних горизонтов почвы веществ и вмывании их в нижние горизонты. Так, например, вымывание карбонатов, создает обособленные иллювиальные генетические горизонты.

Разность осадков и испаряемости, испарение, валовое увлажнение наиболее значимые климатические показатели, участвующие в формировании горизонтов. Средняя температуры июля, сумма активных температур воздуха, продолжительность периода с активными температурами воздуха и суммы активных температур в почве проявляют меньшее действие на почвы. Наименьшее воздействие на формирование и распространение горизонтов оказывает глубина проникновения температур выше 10°С в почву (Неданчук, 2010).

При увеличении аридности климата наблюдается снижение общего проективного покрытия и запасов фитомассы, числа ярусов и количества встречающихся видов (Саблина, 2010).

1.4 Влияние Теневого эффекта гор на почвы

Воздействие горного рельефа на климат велико и многосторонне. Оно ярко проявляется в изменении с высотой всех метеорологических элементов, приводит к формированию особого, так называемого «горного климата» и находит наглядное выражение в вертикальной поясности почв и растительности. В горах по мере увеличения высоты уменьшается атмосферное давление, на уровне моря при поднятии в среднем на 10,5 м на 1 мм, выше же - меньше, и на высоте 6000 м 1 мм на 22,5 м. Одновременно понижается температура в среднем на 0,5єC на каждые 100 м высоты. Состав воздуха, содержание в нем азота и кислорода не изменяется, но понижается содержание водяных паров, пыли и бактерий. Вследствие уменьшения пути солнечных лучей в атмосфере и понижения содержания водяных паров и пыли, увеличивается солнечная радиация, уменьшается рассеивание лучей в атмосфере и возрастает приток биологически активных ультрафиолетовых лучей. В связи с задерживающим влиянием гор на переливание воздушных масс на наветренной стороне горных систем обычно выпадает большое количество атмосферных осадков, например на юго-западном склоне Главного Кавказского хребта до 2000 - 3000 мм. В центральных же частях обширных высоких плоскогорий и нагорий выпадает мало осадков. На подветренной стороне горных систем, в связи с возникающими в атмосфере волновыми движениями, тоже могут выпадать в начале склона осадки, но режим их здесь является значительно более сложным. Под влиянием всех этих условий в горных областях развиваются высотные пояса растительности и вертикальные почвенные зоны, которые обычно следуют в вертикальном направлении в определенном порядке, от пустынных и степных в предгорьях к лесным на горных склонах и травянистым субальпийским и альпийским в высокогорном поясе (Виленский,1961). Влияние гор на климат не ограничивается пределами самой горной страны, а распространяется более или менее далеко на прилегающие равнины (Цыганенко, 1972), образуя тем самым уникальные предгорные ландшафты. К настоящему времени существует множество работ, описывающих природные условия и отдельные компоненты ландшафтных комплексов предгорий. Однако, до сих пор не существует единого определения, характеризующего предгорья как ландшафтный комплекс. Хотя и не существует четкого понятии о границах предгорных ландшафтов и определений видно, что предгорья охватывают как окраинные низкогорья горных массивов, так и холмистые равнины, расположенные у подножья гор (Максютов, 1979, 1980, 1981; Миллер, 1972). Одни исследователи предгорных ландшафтов представляют их как часть равнин, другие же относят их к частям гор. Некоторые рассматривают горные массивы и прилегающие к ним равнины как единое целое (Четыркин, 1960; Когай, 1969, 1971; Чупахин, 1974; Алибеков, 1988).

Ряд исследователей выделяют предгорные ландшафты как самостоятельные единицы. Так, в 1946 году А.И. Яунпутнинь высказал идею о существовании ландшафтов барьерного подножия (ландшафты низин и предгорий у наветренней стороны горных хребтов, отличающиеся повышенным атмосферным увлажнением) и дождевой тени (ландшафты низин и предгорий у подветренной стороны горных хребтов, отличающиеся благодаря теневому эффекту повышенной сухостью). Н.Н. Розов (1954) почвенные зоны территорий, примыкающие к горам, группирует в предгорные провинции. Своеобразную гумидно-предгорную и аридно-теневую зональность почвенного покрова предгорных территорий описывают Ю.А. Ливеровский и Э.А. Корнблюм (1960, 1987).

Как считает А.Г. Исаченко (1965), что горные и равнинные ландшафты, относящиеся к одному типу, связанные между собой генетически и часто соединены постепенными переходами -предгорными ландшафтами, которые бывает трудно категорически отнести к определённому классу.

Ф.Н. Мильков (1966) выделяет предгорья и примыкающие к ним равнины в особый класс предгорных ландшафтов ,понятие о которыхболее широкое, чем предгорья в собственном (преимущественно в геоморфологическом) смысле этого слова. Мощное ландшафтное воздействие горных массивов распространяется далеко за пределы предгорья, охватывает широкую зону прилегающих равнин. Это находит свое выражение в образовании на равнинах ландшафтов «барьерного подножия с повышенным увлажнением, или ландшафтов «дождевой тени», характеризующихся относительной сухостью». По Ф.Н. Милькову (1981), горные страны представляют собой комплекс не одного, а четырех классов ландшафтов - горных, равнинных, межгорно-котловинных и предгорных, причем «предгорные ландшафты по периферии гор принадлежат горной стране не в большей степени, чем окружающим низменным равнинам».

Интересные исследования барьерных ландшафтов проводились Ф.А. Максютовым (1979, 1980, 1981). Их образование он связывает с находящимися под влиянием гор атмосферными процессами. Ф.А. Максютов (1981) пишет, что «формирование собственно горных, низкогорно-предгорных и пригорных барьерных ландшафтов связано с тем, что рельеф изменяет нормальный ход циркуляционных процессов, величины осадков, влажности, температуры воздуха, почв, характер почвенно-растительного покрова». Им разработана формула определения величины барьерного эффекта гор в формировании ландшафтных комплексов. Ф.А. Максютов считает, что предгорные ландшафты должны рассматриваться в составе двух классов - низкогорно-предгорного и пригорного.

В связи с этим было сформулировано понятие «Теной эффект гор Кавказа». Горы Большого Кавказа затрудняют перенос теплых воздушных масс и являются преградой для проникновения дождевых облаков в Предкавказье. В связи с этим Северный Кавказ относится к умеренному поясу, а не к субтропическому (Мильков, Гвоздецкий, 1976). Теневой эффект гор - особая зональность на равнинах, не входящая в систему горной зональности и не подчиняющаяся закономерностям широтной зональности, однако обусловленная присутствием горных систем. Почвенные зоны теневого эффекта формируются в условиях усиленной конденсации атмосферной влаги или, наоборот, с ее подавлением в связи горно-континентальным перегревом воздушных масс (Вальков, 2001).

2. Влияние климата на почвенные характеристики

2.1 Зависимость физико-химических свойств почв от климата

Увлажнение почвы усиливает влияние температуры на теплофизические свойства. Чем выше влажность, тем больше темп возрастания объемной теплоемкости (Макарычев, 2010). Высушивание почвы может увеличить подвижность фосфора и калия (Савченко, 2004).

С увеличением среднегодового количества осадков увеличиваются содержание азота, емкость поглощения, возрастает глубина залегания карбонатов (Раменский, 1938, 1950; Возбуцкая, 1964; Соколов, Иваницкая, 1971; Титлянова и др., 1996; Розанов, 2004; Уткаева, 2005)..

Климатический фактор (режим выпадения осадков) определяет характер перераспределения солей в профиле почв. Зимне-весенние осадки способствуют более активному выносу легкорастворимых солей. Этот процесс наблюдается в среднеазиатском регионе, где верхняя часть профиля отмыта от солей. Континентальность климата на соленакопление в автоморфных условиях особого влияния не оказывает, хотя очевидно, что она тормозит процесс выветривания и биогенной аккумуляции солей (Панкова, 2013). Иная ситуация наблюдается в почвах гидроморфных ландшафтов пустынь, в которых такие показатели, как степень засоления поверхностных горизонтов, распределение солей по профилю почв и площадь распространения засоленных почв напрямую связаны с современными климатическими условиями (Панкова, 2013).

Участие засоленных почв в почвенном покрове округа возрастает с запада на восток, от лесостепной к полупустынной зоне по мере увеличения аридности и континентальности климата. Также меняется химизм засоления: сульфатный и содово-сульфатный в лесостепной зоне, сульфатный, в том числе с участием соды в степной, хлоридно-сульфатный и сульфатно-хлоридный в сухостепной и преимущественно хлоридный в почвах полупустынной зоны (Новикова, 2011).

Изменение климатических условий в связи с потеплением климата и повышением аридности будет способствовать усилению процессов засоления, в первую очередь, в гидроморфных почвах. В автоморфных почвах потепление климата будет благоприятствовать лишь сохранению солевых запасов, унаследованных от предыдущих этапов развития территории (Панкова, 2013).

С усилением засушливости климата возрастает доля процессов опустынивания, проявляющихся в сильной и очень сильной степенях. Примером может служить территория республики Калмыкия, где распространены очаги развеваемых песков (Андреева, 2006).

С 70-х годов прошлого столетия, увеличение температуры холодного периода на 1,8°, а коэффициента увлажнения до 0,8-1,2 на территории Центральной чернозёмной области активизировало два разнонаправленных процесса, протекающих в чернозёмах, - карбонатизацию и выщелачивание. Эти процессы проявляются во всех исследованных почвах, но с разной интенсивностью. Например, выщелачивание более интенсивно протекает в черноземах с режимом абсолютного заповедования, а карбонатизация в чернозёмах с режимом ежегодного кошения. Выщелачивание проявляется: 1) в понижении уровня залегания карбонатов; 2) в смещении вниз зон карбонатных выделений; 3) в преобладании формирования карбонатных выделений из нисходящих токов. С процессами карбонатизации почвенного профиля связано: 1) формирование большого количества лабильных форм выделений, ранее не встречавшихся в профиле лесостепных чернозёмов; 2) расширение границ за счёт смещения вглубь профиля, пространства формирования характерных для этих черноземов форм карбонатных новообразований (Овечкин, 1979).

2.2 Зависимость содержания гумуса от климата

Следовательно, от осадков напрямую и косвенно связан процесс гумусообразования и возникновение верхнего биогенного гумусо-аккумулятивного горизонта почвы. Показано, что при повышении влажности интенсивность минерализации органического вещества оподзоленного чернозема и темно-каштановой почвы увеличивалась, а серой лесной почвы не менялась, что было связано с низким содержанием в структуре ее активного органического вещества легкоминерализуемой фракции (Тулина и др., 2009).

В зависимости от географических условий имеет место закономерное изменение количества гумуса в зональных типах почв. Содержание гумуса увеличивается от таежных подзолистых почв (2-3%) на юг к дерново-подзолистым, серым лесным (4-6%) и далее к черноземам (в среднем около 10%), а потом также закономерно уменьшается до 2-4% в каштановых почвах сухих степей и до 1-2% в почвах пустынь. Одновременно меняется соотношение компонентов почвенного гумуса -- гуминовых кислот и фульвокислот (Кононова,1951).

Более разительным примером непосредственной связи климатических и погодных условий с плодородием и гумусовым состоянием черноземных почв, не имеющих негативные для сельскохозяйственных растений родовые признаки (солонцеватость, засоленность, эродированность и др.), дает анализ их бонитета, рассчитанного по запасам гумуса и количеству выпадающих осадков. Получается совпадение бальной оценки земель по гумусовому состоянию и климатическим условиям увлажнения при исключительной однородности почвенного покрова (Вальков и др., 2002). Климатические факторы и, в первую очередь количество выпадающих осадков в зоне степей определяет интенсивность биологических процессов, а, следовательно, запасы органического вещества, их количественный бонитет, уровень плодородия черноземов.

Установлено, что содержание органического углерода в почве обратно пропорционально температуре окружающей среды. Содержание органического углерода в почвах, сформированных в более холодных климатических областях выше, чем в теплых (Ершов, 2004).

Но, в то же время, при изучении влияния температуры на содержание органического вещества в лесных почвах, такой закономерности не обнаружено. При увеличении температуры в лесных почвах Западного Орегона увеличивается запас органического углерода (Homann and al., 1995).

Отмечена тесная корреляционная связь между среднегодовым количеством осадков и содержанием в почве органического углерода (Jobbagy, Jackson, 2000).

Содержание органического углерода в верхнем слое почвы (0-30 см) определяется, в основном, климатическим фактором, в частности, среднегодовым количеством осадков. В более глубоких слоях почвы (30-100 см) в большей степени зависит от гранулометрического состава (Wang, 2013).

С усилением континентальности климата снижается не только запас гумуса в почвах, соотношение основных групп гумусовых кислот, но и один из основных показатель структурного состояния ГК - степень ароматичности (Чимитдоржива, 2011, Кленов, 2011).

Климат играет важную роль в регулировании баланса между атмосферным и почвенным углеродом (Epstein, 2002).

Процессы прогрева поверхности почвы под влиянием солнечной радиации, проникая внутрь почвенной массы, оказывают существенное влияние на преобразование органической и минеральной части почв (Залибеков, 2005).

2.3 Зависимость ферментативной и микробиологической активности почв от климата

Климатические условия являются наиболее важным из факторов, регулирующих почвенные процессы. Специфика почвы как среды обитания состоит в том, что это трехфазная система с развитой твердой поверхностью, которая соседствует с жидкой и газовой фазами (Звягинцев, 2007). Гидротермический режим определяет тонус жизнедеятельности почвенных организмов, растений, активность биохимических процессов почвы (Хазиев, 1982, 1991).

Ферментативная активность - это элементарная почвенная характеристика. Это выявлено в результате исследований В.Ф. Купревича, Я.В. Пейве, А.Ш. Галстяна, Ф.Х. Хазиева, Л.Г. Звягинцева, С.А. Абрамяна, К.Ш. Казеева и др.

Ферментативная активность почвы - интегральная характеристика, показывающая функциональную деятельность почвенной биоты и потенциальную способность к осуществлению различных биохимических превращений, а также ферментативная активность почв является относительно стабильным параметром среди показателей, характеризующих биологическую активность почв (Звягинцев, 1976, 1978).

Ферментативная активность почв - это результат совокупности процессов поступления, иммобилизации и действия ферментов в почве. Источниками почвенных ферментов является все живое вещество почв: растения, животные, микроорганизмы, грибы, водоросли и т.д. Накапливаясь в почве, ферменты становятся неотъемлемым реактивным компонентом экосистемы. Почва является самой богатой системой по ферментному разнообразию и ферментному пулу (Купревич, 1966, 1974). Разнообразие и богатство ферментов в почве позволяет осуществляться последовательным биохимическим превращениям различных поступающих органических остатков. Ферментативная активность затрагивает наиболее важные повторяющиеся превращения в биохимических циклах углерода, азота, фосфора, серы и других соединений. Функциональная роль ферментов как катализаторов в почвенных процессах огромна. В почве функционируют системы ферментов, последовательно осуществляющие биохимические реакции, выполняющие материальные и энергетические обмены, в основе которых лежат синтетические и деструктивные функции. Под действием ферментов органических веществ почвы распадаются до различных промежуточных и конечных продуктов минерализации. При этом образуются доступные растениям и микроорганизмам питательные вещества, а также освобождается энергия (Купревич, 1951).

С увеличением запаса продуктивной влаги и понижением температуры наблюдается сопряженное возрастание активности гидролитических ферментов инвертазы, фосфатазы, уреазы, АТФазы, а из оксидоредуктаз - дегидрогеназы. Высокая влажность и низкие температуры способствуют накоплению значительной биомассы, гумуса и органических соединений азота, фосфора, серы в почве, которые регулируют уровень активности соответствующих гидролитических ферментов азотного, фосфорного и серного обмена. Между активностью инвертазы, фосфатазы, уреазы и температурой почвы обнаружена тесная отрицательная связь, коэффициент корреляции от -0,91 до -0,96. Каталаза положительно коррелирует с температурой (Хазиев, 1982, 1983; Абрамян, 1992).

Температура и влажность являются одними из важных компонентов экологических условий, регулирующих почвенные процессы, вследствие чего между влажностью почвы и ее ферментативной активностью существует прямая зависимость (Козлов, 1962, 1966).

Зависимость ферментативной активности почвы от ее влажности в первую очередь связана с тем, что влажность оказывает влияние на микробиологическую активность и на деятельность корневой системы. Поскольку жизнедеятельность микроорганизмов практически прекращается при влажности почвы ниже 10% (1962,1966), по-видимому, при низкой влажности проявляется действие лишь ранее накопленных ферментов. Также при снижении влажности происходит изменение коллоидно-химического свойства почвы и происходит частично необратимая инактивация ферментов (Хазиев, 1972, 1976; Вухрер и Шамшиева, 1968).

Выведены уравнения регрессии для всех изученных ферментов в зависимости от температуры и влажности. Согласно этим уравнениям, при уменьшении температуры на 10єС активность инвертазы возрастает на 4,45 мг глюкозы, фосфатазы - 0,99 мг фосфора, уреазы - 0,52 мг NН3, арилсульфатазы - 0,7 мг SО4, АТФазы - 0,32 мг фосфора, дегидрогеназы - 0,3 мг ТФФ, активность каталазы, наоборот, уменьшается на 0,27 миллилитров кислорода, так как она находится в положительной связи с температурой. Установлено, что все изученные ферменты, за исключением каталазы, находятся в положительной зависимости с запасом продуктивной влаги. Увеличение влажности на 1 мл приведет к возрастанию активности инвертазы на 2,39 мг глюкозы, фосфатазы на 0,39 мг фосфора, уреазы - 0,12 мг NН3, арилсульфатазы - 0,38 мг SО4, АТФазы - 0,12 мг фосфора, дегидрогеназы - 0,15 мг ТФФ, активность каталазы при этом уменьшается на 0,14 миллилитров кислорода (Абрамян, 1992).

Водно-воздушный режим в почве в значительной степени определяет численность микроорганизмов, накопление ферментов и витаминов, которые в совокупности характеризуют интенсивность и направленность биохимических процессов, протекающих в почве (Абрамян, 1992).

Мало исследований посвящено изменению ферментативной активности почв вследствие потепления почвы в естественных полевых исследованиях. Так, например, в бореальных лесах отмечено снижение микробной биомассы при увеличении температуры почвы на 0,5°С, но этот незначительный подогрев почвы не оказывает достоверного влияния на активность ферментов (Allison, Treseder, 2008). На залежи, потепление почвы на 1°C не оказывает влияния на активность почвенных ферментов, хотя отмечено повышение микробной биомассы (Bell, Henry, 2011). В другом эксперименте на залежи, не было также никаких долгосрочных последствий экспериментального потепления на ферментативную активность (Steinweg, 2011). При потеплении климата наблюдается снижение активности гидролаз, активность оксидоредуктаз не изменяется (Cusack et all., 2010). Установлено снижение активностей Я-ксилозидазы и Я-гликозидазы по сравнению с не нагретой почвой (Kardol, 2010). Другие исследования подтверждают увеличение ферментативной активности почв при увеличении ее температуры (Bell et all., 2010; Weedon et all., 2011). В связи с противодействующим эффектом синтеза и деградации фермента, трудно предсказать последствия потепления на запас почвенных ферментов. Кроме того, каждый фермент имеет разную чувствительность к температуре и поэтому изменения климата могут привести к не одинаковым последствиям для каждого фермента (Luxhoi et al., 2002; Koch et al., 2007). Таким образом, механизмы лежащие в основе изменения ферментативной активности почв при потеплении климата остаются неизвестными, возможно это связано с уменьшением влажности почвы при нагревании (Carlyle et al., 2011). Последствия изменений в абиотической среде, связанные с краткосрочными изменениями погоды или долгосрочными изменениями климата, и оказывающие влияние на ферментативную активность, очень сложно предсказать. Например, активность ферментов возрастает с повышением температуры (до некоторого оптимума) и из-за потепления климата, по крайней мере теоретически, должна увеличится скорость ферментативных реакций (Wallenstein, Weintraub, 2008) . С другой стороны, микробы могут снизить синтез фермента и его секрецию в ответ на потепление (Allison, 2005; Wallenstein et al.,2012). Кроме того, скорость ферментативной денатурации (и деструкции активности внеклеточных протеаз) также может увеличиться с потеплением (Wallenstein et al., 2011). Значительное влияние на ферментативную активность оказывают частые и прерывистые сушки почвы, данные условия являются стрессовыми для микробного сообщества и ферментативной активности (Schimel et al., 2007; Chowdhury et al., 2011). Установлена корреляция между влажностью и температурой почвы и ферментативной активностью (Sinsabaugh et al., 2008; Baldrian et al., 2010), но вопрос о изменении ферментативной активности вследствие изменения влажности остается открытым. В результате смачивания высушенной почвы, наблюдается увеличение органического вещества и ферментативной активности, вероятно, это связано с лизисом клеток, вызванным осмотическим шоком (Fierer, Schimel, 2002). Увеличение органического вещества порождает быстрый рост микробной биомассы, повышение почвенного углерода и минерализацию азота (Fierer, Schimel, 2002). После повторного смачивания наблюдается резкое увеличение выделения почвой углекислого газа (Miller et al., 2005) . Вследствие, продолжительных засух, вероятно, уменьшится продуцирование фермента и произойдет их инактивация. Однако, существуют работы утверждающие, что во время засухи ферменты не только не инактивируются, но и наоборот увеличивают свою активность (Steinweg, 2011). Во многих регионах, изменение сезонной закономерности выпадения осадков приводит к увеличению стресса, связанного с гидратацией / дегидратацией. Потому повторное увлажнение иногда приводит к резкому возрастанию микробной биомассы (Fierer et al., 2003; Schimel et al., 2007), что в свою очередь является причиной попадания многих внутриклеточных ферментов в окружающую среду. Некоторые из них способны выживать достаточно долго, чтобы создать временное увеличение биологической активности почв. И наоборот, снижение биомассы может привести к снижению продуцирования ферментов и их относительной численности (Weintraub et al., 2007).