Влияние климата на биологические свойства почв юга России

Активность гидролаз на пашне увеличивается при увеличении полива превышающего среднегодовое количество осадков. Активности фенолоксидазы и пероксидазы, наоборот, увеличились (Henry и et al., 2005). Отмечено снижение активности каталазы при переувлажнении черноземов (Cтрелкова, 2006). Избыточное увлажнение залежных почв привело к увеличению N-ацетилглюкозаминидазы и фенолоксидазы (Bell, Henry, 2011). Таким образом, для регионов, в которых возможно увеличение среднегодового количества осадков, невозможно предсказать увеличение или уменьшение активности внеклеточных ферментов.

В условиях глобального потепления климата изменение запасов почвенного гумуса зависит от температурной чувствительности полифенолпероксидаз и полифенолоксидаз. Они играют важную роль в разложении лигнина, минерализации и образовании гумуса. Зависимость потенциальной активности ферментов от температуры изучали в современной и погребенной серой лесной почве в ходе ее инкубации при температуре 10 или 20°С. Результаты эксперимента свидетельствуют, что она определялась доступностью субстрата и наличием кислорода. Активность полифенолоксидазы в ходе двухмесячной инкубации без доступа кислорода уменьшилась в 2-2.5 раза, что компенсировалось возросшей в 2-3 раза активностью полифенолпероксидазы. Увеличение температуры инкубации до 20°С и внесение глюкозы ускоряло этот переход за счет более резкого уменьшения активности полифенолоксидазы. Предынкубация почвы с глюкозой приводила к двукратному увеличению активности полифенолпероксидазы, но недостоверно изменяла активность полифенолоксидазы. Различный эффект влияния температуры на две группы исследованных оксидаз и возможность “замещения” активности одного типа ферментов другим при изменении условий аэрации следует учитывать при прогнозировании эффекта потепления климата на минерализацию органического вещества почвы (Якушев, 2014).

Чередование засух с выпадением осадков в течение вегетации не увеличило годовую эмиссию СО2 из почвы под сеяным лугом и агроценозом. В лабораторных экспериментах увлажнение высушенной почвы высвобождало 1-1.5% от органического углерода с высокой константой разложения и очень быстрым временем обновления, поэтому резкая смена режима увлажнения не приводила к интенсификации потерь углерода почвы в полевых условиях (Ларионова и др., 2010).

3. Общая характеристика климата на юге России

Неоднородность форм рельефа, близость Черного, Азовского и Каспийского морей, омывающих территорию с запада и востока, наличие возвышающихся хребтов Кавказских гор на юге обусловливают климатическое разнообразие Юга России (Вальков, 2008).

Климаты Южного Федерального округа изменяются от полупустынь Прикаспия до сухих и влажных субтропиков Черноморского побережья. Весь Южный Федеральный округ расположен в двух биоклиматических поясах - умеренном (суббориальном) и субтропическом, с чем связаны особенности циркуляции атмосферы и радиационного режима.

На юго-востоке, в Прикаспии, климат принимает черты полупустынь, а к югу переходит во влажный предгорный и горный климат. С поднятием в горы он становится суровее и в высокогорной зоне принимает черты полярного климата. На Черноморском побережье выделяется климат сухих и влажных субтропиков. Адекватно изменению климатических условий формируется особая почвенная зональность, определяемая сферой влияния Кавказских гор. Зональность специфична как в горах, так и на равнинах, где прослеживается воздействие теневого эффекта горных систем.

Южный федеральный округ расположен между Черным, Азовским и Каспийским морями, Главным Кавказским хребтом, Кумо-Манычской впадиной и южной оконечностью Русской (Восточно-Европейской) равнины. По природным условиям округ можно разделить на три зоны: степную (равнинную), предгорную и горную. От северной границы района до рек Кубани и Терека простирается зона степей. Южнее начинается предгорная область, переходящая в систему хребтов, образующих Черноморский, Кубанский, Терский и Дагестанский Кавказ.

Для климата характерна широтная и вертикальная зональность, которая отражает изменение температуры и распределение осадков на всей территории региона. Лето, за исключением высокогорий, жаркое. Средние температуры июля составляют +18-22°С. Обилие света и тепла обеспечивает развитие растительности в течение семи месяцев в зоне степей, предгорий - восьми, а на побережье Черного моря - до одиннадцати. Это позволяет при соответствующем подборе сельскохозяйственных культур собирать до двух урожаев в год (Воейков, 1884).

Зима в разных зонах юга России неодинакова. Зимние температуры изменяются от +2-5°С на Черноморском побережье до -4-8°С в центральных , более континентальных районах. На распределение осадков решающее влияние оказывают сухие среднеазиатские ветры, проникающие через Каспийское море, и влажные черноморские. Ставропольское плато служит водоразделом и барьером, ограничивающим проникновение на восток района черноморских ветров. Поэтому юго-западные районы округа достаточно увлажненные (1410 мм осадков в год в Сочи), восточные - довольно сухие (Кизляр - 340 мм) территории на севере региона характеризуются непостоянным увлажнением (Ростов-на-Дону - 470 мм).

На формирование климата юга России оказывают влияние многие факторы. Важнейшие из них -- широтная зональность и вертикальная поясность. Однако действие этих основных факторов в значительной степени корректируется особенностями географического положения Кавказского перешейка и его рельефа. Например, барьер Большого Кавказского хребта резко усиливает климатическую грань между умеренным поясом, к которому принадлежит Предкавказье, и субтропическим, охватывающим Закавказье. Этот барьер, а также другие особенности расположения хребтов определяют макроклиматические различия отдельных частей Кавказа и характерные для них мезоклиматические вариации. Эти различия обусловлены главным образом резким нарушением зонального характера распределения тепла и влаги, которое вызывается, прежде всего, существенной перестройкой в структуре радиационного и теплового баланса, происходящей над поверхностями Черного, Азовского и Каспийского морей и в предгорных и горных районах Кавказа. Затем они связаны с изменениями циркуляции атмосферы под воздействием орографии. Такое воздействие многообразно и, в частности, выражается в следующем. При воздушных потоках с севера наблюдается конвергенция их над предгорьями и северным склоном Большого Кавказа. При западном переносе -- конвергенция воздушных течений происходит над Колхидской низменностью, южным склоном Большого Кавказа, северным склоном Малого Кавказа и над западным склоном Сурамского хребта, а дивергенция имеет место над долинами Куры и Аракса. При восточном, более слабо выраженном переносе, наблюдается обратная картина (Кайгоров, 1955).

На низменностях Кавказа особенности в распределении тепла и влаги проявляются во многих свойствах климата. Наблюдаются большие различия в величинах относительного увлажнения, выраженного отношением годовых сумм осадков к широтной норме. Так, при норме годовой суммы осадков в 950 и 925 мм, для широт 40 и 45° с. ш. относительное увлажнение в Прикаспийской и Кура-Араксинской низменностях составляет лишь 15--30% нормы, а в Колхидской низменности оно достигает 150-250% (Чупахин, 1974).

Различие в радиационном режиме проявляется, в частности, в специфическом распределении изолиний суммарной солнечной радиации. Над степными районами юга Европейской территории России оно подчиняется широтной зональности, а при переходе к Черному морю и, в особенности, к Каспийскому изолинии принимают меридиональное расположение.

Большое значение в формировании важнейших свойств климата Кавказа имеют также различия в структуре теплового баланса тех или иных мест, выражающиеся в изменяющихся соотношениях тепла, расходуемого на испарение и турбулентный теплообмен между подстилающей поверхностью и атмосферой. Все это предопределяет довольно большое многообразие климатов Кавказского перешейка (Чупахин, 1974).

На равнинах Западного Предкавказья в основном распространены климаты степей (Азово-Кубанская равнина), а в Восточном Предкавказье -- климаты полупустынь и пустынь (долина Чаныча, Ергени, Прикаспийская низменность). Лишь на Ставропольском плато, в связи с явлениями вертикальной поясности, засушливость выражена менее ярко, и естественные ландшафты имели здесь раньше лесостепной характер.

На междуречье Дона и Маныча в Ростовской области и в северной части равнин Предкавказья климат имеет черты бореального и характеризуется довольно низким термическим режимом зимы. На юге, преимущественно в предгорьях Большого Кавказа, он приобретает черты умеренно-теплого, имея более высокий термический уровень холодного периода. Предкавказье и северный склон Большого Кавказа (до высоты 2000 м) образуют единую климатическую область. Климаты гор здесь тесно связаны с примыкающей к ним равниной; ее засушливые климаты по мере увеличения высоты переходят в связи с изменяющимися условиями термического режима и естественного увлажнения в бореальные климаты лесов и горных лугов, распространенные в низкогорных и среднегорных районах (Чупахин, 1974).

Остальную часть Кавказа (до высоты 2000 м) большинство исследователей подразделяет в климатическом отношении на три крупные части: Западное и Восточное Закавказье, между которыми проходит Сурамский хребет, и среднегорную область Армянского вулканического нагорья.

В низменных частях Закавказья преобладают умеренно-теплые климаты, которые, в зависимости от соотношения тепла и влаги как в годовом, так и в сезонных аспектах представлены различными типами. В Западном Закавказье, на относительно небольшом участке Черноморского побережья (несколько севернее Сочи), распространен климат средиземноморского типа с заметно выраженным недостатком летних, осадков. Южнее Сочи, вплоть до Батуми, а также на всей Колхидской низменности господствует климат влажных субтропиков. Он отличается достаточно равномерным распределением значительных осадков в течение всего года и мягкой зимой (Чупахин, 1974).

В Восточном Закавказье, на Куринской низменности, распространены, в основном, разновидности сухого субтропического климата полупустынь и сухих степей с наименьшим количеством осадков зимой (среднее течение Куры до р. Тертер) или летом (нижнее течение Курь; ниже р. Тертер). Климат Ленкоранской низменности, благодаря влиянию Каспия и хребтов Талыша близок к климату влажных субтропиков, но из-за хорошо выраженной засушливости второй половины весны и лета его следует отнести к умеренно-влажному субтропическому. Армянское вулканическое нагорье, огражденное с севера и северо-востока хребтами Малого Кавказа, составляет единое целое с внутренней, юго-западной частью альпийской геосинклинальной зоны, занятой Переднеазиатскими нагорьями, высоко поднятыми новейшими тектоническими движениями (в среднем от 1500 до 2000 м). Поэтому здесь, распространены засушливые климаты с преимущественно небольшим количеством осадков и относительно низким термическим режимом зимы.

В связи с особенностями циркуляции атмосферы, радиационного режима и рельефа на территории Кавказа можно выделить следующие климатические области: Северный склон Большого Кавказа и равнины Предкавказья; Западное Закавказье; Восточное Закавказье; Среднегорные области Армянского вулканического нагорья; Высокогорные области Большого Кавказа, Малого Кавказа и Армянского вулканического нагорья и Каспийское море. При приводимой ниже характеристике климатических областей по сезонам года мы выделили границы сезонов по совокупности ряда признаков, среди которых наиболее важное значение принадлежит радиационным и циркуляционным условиям, свойствам подстилающей поверхности и особенностям многолетнего режима местной погоды. Такой подход к выделению сезонов решает вопрос о характерных чертах лета в высокогорных районах и зимы в субтропических областях (Кайгоров, 1955).

Что касается изменений климата, происходящих на территории Южного федерального округа, то в «Докладе об особенностях климата на территории Российской Федерации» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (2013) подтверждено повышение среднегодовой температуры и увеличение количества осадков. Установлено, что за 2005-2013 годы отклонение среднегодовой температуры от нормы 1961-1990 составило 1,7. В 2013 году отклонение составило 1,85°C. Тренд увеличения скорости среднегодовой температуры за 1976-2013 годы на юге России составил 0,56°C за 10 лет. Причем больший вклад в повышение вносят летние температуры. Летние температуры увеличиваются на 0,76 °C за 10 лет, в то время как зимние на 0,41 °C.

Так же отмечено увеличение количества осадков. Среднегодовое количество осадков за последние 8 лет составило 110% от нормы. Тренд увеличения годового количества осадков за 1976-2013 годы составил 0,6% от нормы за 10 лет (Доклад об особенностях…, 2013).

4. Методика и методы исследования

При получении аналитических данных, используемых в настоящей работе, применялась разработанная и апробированная методология исследования биологической активности (Казеев, 1996; Валькови др., 1999; Колесников и др., 2000) с использованием общепринятых в почвоведении и биологии методов (Агрохимические методы исследования почв, 1975; Практикум по агрохимии, 1989; Хазиев, 1990; Звягинцев, 1991).

В основу исследований был положен системный подход к познанию природных объектов и явлений. Изучение биологической активности почв проводилось в двух аспектах: сравнительно-географическом и профильно-генетическом. Сравнительно-географический метод - один из первых в течение длительного времени исследования в почвоведении (Прасолов, 1939). Его основателем считают В.В. Докучаева, который писал «…для истинного познания всякого естественно - исторического тела необходимо изучить по возможности все условия, влияющие на его образование и характер, необходимо пользоваться именно сравнительным методом исследования данного тела, в различной среде, при наличии разнообразнейших форм географических данных» (Докучаев, 1948). И.П. Герасимов и М.А. Глазовская (1960) отмечают, что основным методом научного исследования почв должно быть всестороннее изучение почвы и всех основных факторов почвообразования. Анализируя сущность сравнительно - географического метода в целом, А.А. Роде (1971) отмечал: «Сущность его (комплексного географического метода полевого исследования) заключается в сопряженном неразрывном изучении почв и факторов, их образующих». Докучаевский сравнительно-географический метод изучения почв заключается в познании почв в неразрывной связи с условиями и факторами почвообразования в различных географических условиях. Многие авторы увлекаются исследованием поверхностных или пахотных горизонтов, оставляя вне внимания большую часть почвенного профиля. Это сложный набор генетических горизонтов или слоев различного генезиса и свойств, безусловно, имеющие свои биологические особенности, не совпадающие со свойствами наиболее биологически активного поверхностного горизонта. Пахотные горизонты различных почв в различных природных зонах по своих характеристикам сравнительно уравниваются, приобретая свойства, необходимые для ведущих сельскохозяйственных культур. Поэтому профильное изучение биологии почв - актуальная задача, которая позволяет раскрыть новые закономерности генезиса почв информирования ее плодородия.

Для изучения морфологии почв и отбора почвенных образцов для последующих лабораторных работ были заложены полнопрофильные разрезы и прикопки к ним на типичных по рельефу и растительности ключевых участках. Географические координаты определены GPS навигатором Garmin. Были определены содержание гумуса, карбонатов, легкорастворимых солей, рН, активность каталазы, инвертазы и дегидрогеназы, интенсивность начального роста редиса, обилие микроартропод и микрофлоры и др. (Казеев и др., 2003). Поскольку биологические свойства почв отличаются значительным природным варьированием, все образцы восточной (широтной) трансекты были отобраны в течение одного дня в сходных погодных условиях в августе 2007 и 2009 гг., При исследовании северной и южной частей меридиональной трансекты образцы также отбирали в течение светового дня в августе 2010 г. и июле 2012 г. Летний период наблюдения определен наиболее устойчивой погодой без резких изменений температуры и влажности.

Для определения численности мелких членистоногих (микроартропод) проводили отбор почвенных образов (по 10 на каждом участке типа почв) на глубину 0-20 см, послойно, через 5 см (объемом 125 см3) Экстракцию микроартропод проводили в воронках без электрического обогрева в течение 7 суток. Учитывали численность клещей и ногохвосток.

Для исследования микрофлоры были использованы свежеотобранные образцы почв при естественной влажности. Численность бактерий определяли на мясопептонном агаре (МПА). Обилие КОЕ грибов учитывали на подкисленной среде Чапека. Бактерии рода Azotobacter определяли методом комочков обрастания на безазотистой среде Эшби. О ферментативной активности почв судили по активности ферментов разных классов: оксидоредуктаз (каталаза, дегидрогеназа) и гидролаз - (-фруктофуранозидаза (инвертаза)). Активность почвенных ферментов изучали при естественной рН почвы. "Дыхание" почв определяли по Макарову в модификации Галстяна. Реакцию почв (рН) и окислительно-восстановительный потенциал определяли потенциометрическим методом. Содержание гумуса определяли методом Тюрина в модификации Никитина по окисляемости хромовой смесью. Содержание легкорастворимых солей определяли кондуктометрическим методом. Продуктивность почв определяли по изменению показателей интенсивности начального роста проростков редиса (длина корней, длина зеленых побегов). Исследования проводили в 3-9-кратной повторности.

Для определения различий в уровне биогенности и биологической активности разных почв определяли интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы (Вальков и др.,1999; Казеев и др., 2003; Казеев, Колесников, 2012). Этот показатель оценивает совокупность биологических показателей, выраженных в разных единицах, и позволяет абстрагироваться от случайных колебаний, характерных для большинства биологических параметров. Для расчета ИПБС максимальное значение каждого из показателей в выборке принимается за 100% и по отношению к нему в процентах выражается значение этого же показателя в остальных образцах.

Б1 = (Бх / Бmax) 100%,

где Б1 -- относительный балл показателя, Бх -- фактическое значение показателя, Бmax -- максимальное значение показателя.

После этого рассчитывается средний оценочный балл изученных показателей. ИПБС почвы рассчитывают аналогично расчету относительного балла показателя.

Поскольку биологические свойства почв варьируют в широком диапазоне (Казеев и др., 2003, 2004; Казеев, Колесников, 2012) полученные в работе значения эколого-биологических показателей были подвергнуты вариационно-статистическому анализу, дисперсионному и корреляционному анализу (Дмитриев, 1995).

Для статистического анализа отобраны следующие климатические признаки: средняя годовая температура, годовая амплитуда температур, средние температуры января и июля, УТ10, количество осадков: среднегодовое, за вегетационный период (апрель-октябрь), зимнее и летнее (Справочник по климату …, 1968), индексы континентальности (ИК) Ценкера, Хромова, Горчинского и Конрада, коэффициенты увлажнения (КУ) по Мезенцеву и Высоцкому, индексы аридности (ИА) де Мартонна, Емберже и Стенца (Григорьев, 1964; Дажо, 1975; Хромов, 2001; Хрусталев, 2002; Eds Oliver , 1987). Коэффициенты и индексы рассчитывались по формулам:

Индекс аридности Емберже: Ia=(M+m)Ч(M-m)/100P,

где М- средняя максимальная температура июля, m - средняя минимальная температура января, Р- годовое количество осадков (в мм)

Индекс аридности Де Мартонна: Ia=P/(T+10),

где Р- годовое количество осадков, Т- среднегодовая температура

Индекс аридности Стенца: Ia= Е/R,

где R- годовое количество осадков, Е- испаряемость

Индекс континентальности по Горчинскому: К=1,74А/sinц,

где А- годовая амплитуда температуры, ц- широта местности

Индекс континентальности по Хромову: К=(А-5,4Чsinц)/А,

где А- годовая амплитуда температуры, ц- широта местности

Индекс континентальности по Ценкеру: К=(А/ц)Ч100,

где А- годовая амплитуда температуры, ц- широта местности

Индекс континентальности по Конраду: К=1,7*А/sin(ц+10)-14,

где А- годовая амплитуда температуры, ц- широта местности

Коэффициент увлажнения Мезенцева: К=R/(0,2ЧТ10-306),

где R-годовое количество осадков, Т10-сумма активных температур выше 10?С

Коэффициент увлажнения Высоцкого: К=R/Е,

где R- годовое количество осадков, Е- испаряемость

Годовая испаряемость напрямую зависит от средней июльской температуры и рассчитывается по формуле: Е = 1384-161,6 tиюля + 6,245 tІиюля (Коломыц, 2003).

5. Объекты исследования

При выявлении влияния климата на биологические особенности почв юга России были выбраны две трансекты, с наиболее резко меняющимися климатическими условиями. Первая трансекта протянута от г. Ростова-на-Дону до г. Астрахани (750 км). На протяжении трансекты происходит смена природных зон: степи - сухие степи - полупустыни (рис. 1). Вторая трансекта пролегает от ст. Вешенской (Ростовская обл.) до пос. Гузерипль (Адыгея) (650 км): степи - луговые степи - лесостепи - широколиственные леса - хвойные леса - высокогорные луга.

Объектами исследований являются зональные и азональные почвы, расположенные на исследуемых трансектах.

Рис. 1. Географическое расположение исследуемых участков

5.1 Широтная трансекта

Исследования по восточной трансекте проведены в августе 2007 и 2009г. в Ростовской и Астраханской областях и Республике Калмыкия. Трансекта общим направлением запад-восток, на протяжении которой в значительной мере изменяются климат, ландшафты и почвенный покров, пролегала вдоль трассы г. Ростов-на-Дону - г. Астрахань (табл.3). Исследуемая территория расположена примерно на одной широте, поэтому получает одинаковое количество солнечной энергии. Изменение природных зон с настоящей степной на сухостепную и далее на восток до опустыненных степей и полупустынь происходит в результате изменения континентальности климата (Агроклиматические ресурсы…, 1972; Батова, 1966; Хрусталев, 2002). Соответственно изменяется и почвенный покров от черноземов до каштановых и бурых полупустынных почв (Вальков, 2004). Изменение природных зон происходит в результате снижения среднегодового количества осадков, с чем связано изменение континентальности климата. При передвижении на восток региона наблюдается резкое снижение среднегодового количества осадков (от 495 мм/год в г. Ростове-на-Дону до 160 мм/год в г. Астрахань), увеличение среднегодовой температуры. Максимальная амплитуда температур на юге России отмечена для территории бурых полупустынных почв. Для аридной зоны юга России, несмотря на увеличение температуры воздуха и количества выпадающих осадков, в последние 10-15 лет такие интегральные показатели климатических условий, как гидротермический коэффициент и коэффициент увлажнения, остаются в пределах, характерных для полупустынь и сухих степей (Братков, 2008).

Это район сухих степей и полупустынь представлен каштановыми и бурыми полупустынными почвами. Исследуемая территория отнесена П.П. Кречетовым и О.В. Чернецовой (2007) на карте эколого-педотермического районирования Восточно-Европейской равнины к группе глубоко-прогреваемых очень теплых почв степной зоны и подзоны северных пустынь. Почвы исследуемой территории подробно описаны в работах В.В. Акимцева (1957), Т.И. Бакиновой с соавторами (1999), В.Ф. Валькова с соавторами (1999), Л.П. Будиной (1974), Т.И. Евдокимовой (1958). Однако биологические свойства почв аридной зоны практически не освещены. Также слабо изучено влияние климатических факторов на биоту и биологическую активность почв, в отличие от растительности и животных.

На исследуемой территории изменяется почвенный покров от черноземов обыкновенных (г. Ростов-на-Дону) до каштановых (пос. Зимовники, с. Ремонтное, г. Элиста) и бурых полупустынных (пос. Яшкуль, с. Хулхута, г. Астрахань) почв (Классификация…, 1977).

Характеристика исследуемых почв приведена по работам профессоров кафедры экологии и природопользования В.Ф. Валькова с соавторами (2002, 2008) и К.Ш. Казеева с соавторами (2010).

Таблица 3. Географические координаты и климатические показатели исследуемых зональных почв восточной трансекты (по Справочнику по климату…, 1966, 1968; Панов и др., 2006)

Черноземы обыкновенные.

Черноземы обыкновенные карбонатные, занимают обширные равнины Азово-Кубанской низменности в пределах Краснодарского края и южной части Ростовской области с количеством выпадающих осадков 400-500 мм. Черноземы обыкновенные карбонатные миграционно-мицелярные - уникальны и за пределами Юга России могут наблюдаться только в Молдавии.

Образцы почвы были отобраны на залежи в ботаническом саду г. Ростова-на-Дону. Высота травянистого покрова достигала 40 см, проективное покрытие 60-70 % (рис.6). Поверхность почвы полностью покрыта ветошью. Наличие карбонатов в профиле наблюдается с 10 см, с 30 см начинается бурное кипение почвы.

На момент отбора образцов верхний горизонт почвы сухой, влажность горизонта Ад составляет 10,5%, глубиной влажность почвы увеличивается. Зернисто-мелкокомковатая и комковатая оструктуренность гумусово-аккумулятивного горизонта. Рыхлое и слабоуплотненное экологически оптимальное сложение профиля: плотность горизонта А 0,9 г/см3. Тяжело-суглинистый гранулометрический состав (табл.4).

Таблица 4. Описание профиля чернозема обыкновенного, ботанического сада ЮФУ

Высокие запасы гумуса (около 500 т/га) при малой гумусности горизонта А (3,5-4,5 %), и сверхмощном гумусовом профиле (140-150 см). Высокая потенциальная обеспеченность соединениями азота, фосфора и калия при богатстве зольными элементами. Значение рН в горизонте А 7,0-8,0, в горизонте АВ и ССа - 8,0-8,5. Типична бикарбонатно-кальциевая природа повышенной щелочности. ЕКО около 40-45 мг-экв./100 г, соотношение Са2+ : Мg2+ = 5:1. Насыщенность 100 %. Отсутствие дифференциации по генетическим горизонтам компонентов алюмосиликатного состава почвенной массы.

Рис. 6. Внешний вид Персиановской степи и профиль чернозема обыкновенного

Для этих почв характерна высокая биологическая активность по всему почвенному профилю и даже в почвообразующей породе. Следы землероющих животных в виде кротовин и червороин наблюдаются до глубины 220-250 см. Во влажной почве отмечается обилие мезофауны.

Каштановые почвы.

На Юге России каштановые почвы в основном относятся к восточно-европейской фации. В основном распространены в Волгоградской области, в Калмыкии, на юго-востоке Ростовской области (рис.7). Также встречаются в Дагестане, Чечне, Кабардино-Балкарии. Каштановые почвы формируются в сухом климате с теплым летом и холодной зимой. Средняя годовая температура воздуха около 9оС. Сумма температур выше 10оС составляет 3300-3500оС.

Коэффициент увлажнения составляет около 0,30. В растительном покрове преобладают полынно-типчаковые и полынно-типчаково-ковыльные степи. Почвенные образцы отобраны на пастбища в с. Ремонтное и залежи п. Зимовники. На участках преобладала полынно-злаковая растительность высотой до 80 см.

Каштановые почвы обладают малой гумусностью гуматно-фульватного типа с мощностью гумусового горизонта не более 40-50 см, слабая выщелоченность от легко растворимых солей с формированием иллювиального карбонатно-дессуктивного горизонта и горизонта и гипса и легкорастворимых солей.

Рис. 7. Внешний вид степи в окрестностях села Ремонтного и профиль каштановой почвы

Тяжелосуглинистый гранулометрический состав при отсутствии явлений солонцеватости создает рыхлое сложение горизонта А (плотность 1,20 г/см3). Однако оструктуренность порошисто-комковатая, не типично дерновая. Горизонт АВ как ксерометаморфический несколько уплотнен и с крупно-комковатой и даже глыбистой структурой, однако плотность не достигает критических величин (1,45-1,50 г/см3). Профиль отличается хорошей водопроницаемостью и водовместимостью при глубине промачивания 1,5-2,0 м (табл.5).

Таблица 5. Описание профиля каштановой почвы, с. Ремонтное

Каштановые почвы малогумусные с содержанием органического вещества в горизонте А около 3,0% со среднемощным и мощным профилем, до 60-80 см, но всегда с преобладанием коричневых тонов при фульватно-гуматном гумусе (Сгк:Сфк более 1,0).

В профиле почвы всегда присутствует CaCO3. Вскипание от HCl наблюдается с глубины 40 см. Карбонатность профиля определяется в первую очередь смектитовыми минералами имеют величины 23-27 мг-экв./100 г. При количестве Na+ до 5%. Типична склонность к появлению солонцеватых родов почв. Молярные отношения SiO2:R2O3 6,6-7,5, что отражает сиаллитный характер почвенной массы.

Бурые полупустынные почвы.

На территории России природные экологические системы полупустынь или пустынных степей присутствуют только в южном Поволжье и входят в основном в состав территории Южного федерального округа (рис.8). Эти почвы типичны для Астраханской области, южных районов Калмыкии и представляют самый сухой вариант почвообразования в России, граничащий с пустынями суббореального пояса (серо-бурые пустынные почвы). Характерны биоклиматические показатели: сильная континентальность, умеренно-мягкая и умеренно-холодная зима (-5…-15оС), сумма активных температур выше +10 от 3300 до 4100єС, промерзание почвы до глубины менее 0,5 м, количество осадков 150-200 мм, коэффициент увлажнения 0,12-0,33.

Рис. 8. Полупустынный ландшафт Прикаспийской низменности и профиль бурой полупустынной почвы

Основные черты диагностики: низкая продолжительность биологически активного периода почвообразования из-за длительных засухи и морозной зимы, малая мощность гумусовой толщи при слабой гумификации, крайне слабая выщелоченность от карбонатов и солей при неглубоком среднегодовом промачивании почвенной толщи, слабощелочные условия почвенной среды. Для зоны бурых полупустынных почв типично варьирование гранулометрического состава в структуре почвенного, как результат древне-водного происхождения рельефа Прикаспийской низменности.

Природные свойства бурых полупустынных почв отличаются экологической оптимальностью для естественных биоценозов, несмотря на кажущуюся бесструктурность (непрочно-комковато-пылеватое слоистое сложение горизонта А) и некоторая дисперсность часто солонцеватой природы горизонта В (плотность 1,40-1,45 г/см3). Почва полностью впитывает выпадающие осадки, но естественное влагонакопление ограничивается мощностью не более 60-70 см. Дефицит влаги предопределяет биоценотическую продуктивность, практическую невозможность использования почв в агрокультуре. Широко разнообразие бурых полупустынных почв по гранулометрическому составу, от супесчаных до легкоглинистых (табл.6).

Таблица 6. Описание профиля бурой полупустынной почвы, г. Элиста

Малая гумусность профиля. В горизонте А типичны значения 1-2% гумуса. Характерна прямая корреляция с гранулометрическим составом. Запасы гумуса невелики, менее 70 т/га.

Реакция среды слабо и среднещелочная, pH в пределах 4,5-8,5. Щелочность обуславливается бикарбонатом кальция. Содовое засоление исключается. Карбонатность профиля с поверхности почвы или с горизонта В - явление типичное. Наблюдается карбонатно-дессуктивное накопление CaCO3 с 35 до 100 см. В нижней части профиля наблюдаются или по данным анализа водной вытяжки или морфологически скопления солей и гипса. Плотный остаток на глубине 110-130 см 0,20-0,45%. Засоление сульфатное или хлоридно-сульфатное.

Низкая поглотительная способность, определяемая малой гумусностью почв и малым содержанием смектитовых минералов, составляет всего 8-10 мг-экв./100 г. Помимо Ca2+ и Mg2+ постоянно присутствует Na+ в количестве 3-6 мг-экв. Хотя типичные солонцы - явление не столь частое, как среди сухих степей с каштановыми почвами. Алюмосиликатные компоненты валового состава очень слабо дифференцированы по генетическим горизонтам.

Влага определяет биологическую активность почвенной массы. Типичны длительные периоды летнего сухого покоя и зимнего мерзлотного. Роющие почвообитающие животные находят возможность для активной жизнедеятельности. Полупустынная растительность пока еще обеспечивает пока еще единственные в России стада сайгаков, а Черноземные земли Калмыкии - уникальные бесснежные зимние пастбища для овцеводства.

5.2 Меридиональная трансекта

биологический гумусовый климат

В 2010, 2012 годах изучена меридиональная трансекта, общим направлением север-юг, на протяжении которой вследствие теневого эффекта гор Кавказа значительно изменяется климат. При передвижении с севера на юг он становится более гумидным, с увеличением высоты над уровнем моря среднегодовое количество осадков увеличивается в несколько раз, а среднегодовая температура снижается по сравнению с предгорными районами (табл.7). При передвижении на юг снижается среднегодовая амплитуда температур. Степные равнинные ландшафты заменяются лесостепью, а затем и горными лесами и лугами. Мощные черноземы заменяются маломощные горными лесными почвами (рис.9). На исследуемой трансекте изучены черноземы южные (пос. Октябрьский, х. Кружилинский, г. Кашары, г. Каменск-Шахтинский), черноземы обыкновенные (г. Ростов-на-Дону, с. Степное), черноземы типичные (ст. Березанская), черноземы выщелоченные (ст. Кирпильская), черноземы слитые (г. Белореченск), серые лесостепные (г. Майкоп), серые лесные (ст. Даховская), темно-серые лесные (с. Хамышки), бурые лесные (пос. Гузерипль) и луговые субальпийские на плато Абаго. Зональные почвы, пересекаемые исследуемой трансектой, подробно описаны в ряде работ (Вальков и др., 2008; Вальков, 2006; Казеев и др., 2004; Казеев и др., 2010; Безуглова, Хырхырова, 2008).

Среди азональных почв, на исследуемой трансекте изучены рендзины выщелоченные (Партизанская поляна, Республика. Адыгея) и серопески (ст. Вешенская).

Рис. 9. Изменение высоты местности (км) исследуемых пунктов и мощности (м) гумусовых горизонтов А+АВ зональных почв

Серопески.

Встречаются в подзонах распространения черноземных почв на песчаных отложениях разного генезиса и в отличие от развеваемых и слабозатронутых почвообразованием песков и супесей являются квазиравновесными почвенными образованиями. Чаще всего серопески зонально приурочены к обыкновенным и южным черноземам и географически относятся к интразональным почвам. Встречаются в Ростовской области, как серопески, и как черноземы южные и обыкновенные песчаные и супесчаные в Волгоградской области (рис.10).

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Таблица 7. Географические координаты и климатические показатели исследуемых зональных почв восточной трансекты (по Справочнику по климату…, 1966,1968)

Рис. 10. Внешний вид степи, ст. Вешенская. Профиль серопесок

Разрез заложен на целинном участке в 9 км на восток от ст. Вешенской. На участке преобладает разнотравно-злаковая растительность, встречаются сорные растения. На поверхности почвы много ветоши и мха. Проективное покрытие растительности 40-50%.

Таблица 8. Описание профиля серопесок, ст. Вешенская

Главные черты диагностики: легкий гранулометрический состав, очень слабая гумусированность, неоформленность генетических горизонтов бескарбонатность по всему профилю и глубокая выщелоченность от легкорастворимых солей и карбонатов, нейтральная и слабокислая реакция среды, экологическая оптимальность для соснового леса (табл. 8). Глубокие горизонты серопесков (более 200 см) отличаются выделением гидроморфных форм окислов железа.

Типично рыхлое песчаное сыпучее строение, провальная водопроницаемость, обеспечивающая элювирование легкорастворимых солей, отсутствие водоупорных горизонтов. Содержание физической глины около 10% без генетической дифференциации по горизонтам. Высокая способность аккумулировать парообразную влагу, переводя ее в жидко-капельную в глубоких слоях в теплые периоды года.

Алюмосиликатный полевошпатовый состав песков и супесей. Глубокая выщелоченность от легкорастворимых солей, гипса и карбонатов (глубже 3-4 м) нейтральная и слабокислая реакция среды с варьированием от 5,6, около лесной подстилки, до 7,1 в гумусово-аккумулятивном горизонте А и 6,1-6,5 в элювиальных нижних горизонтах профиля. Низкая поглотительная способность: ЕКО 5-8 мг-экв./100 г при насыщенности основаниями 90-95%. Слабая гумусированность 1,8-2,0% в горизонте А и около 0,2-0,4% в горизонтах АВ и С при гуматно-фульватном составе гумуса. Крайняя обедненность валовыми и доступными растениям формами элементов питания.

Черноземы южные.

Черноземы южные в Южном федеральном округе встречаются в Ростовской и Волгоградской областях. В Волгоградской области они расположены на северо-западе. Главная территория Ростовской области занята черноземами южными (рис.11).

Разрезы заложены на четырех участках в окрестностях поселков Кружилинского и Октябрьского, а также городов Кашары и Каменск-Шахтинского. На участках преобладает разнотравно-злаковая растительность высотой до 50 см. Проективное покрытие изменяется от 40% до 80%. На всех участках почва покрыта ветошью.

Содержание SiO2, TiO2, R2O3 в основном мало изменяется по профилю. Это подтверждается и характером молекулярных отношений, которые в гумусовом горизонте близки (SiO2: R2О3 - 6,3-6,7); в почвообразующей породе С и особенно в подстилающей они выше вследствие смены пород с глубины более 240 см. Содержание физической глины в горизонте А в глинистых разновидностях 67-72% (в том числе илистой фракции 38-40%), в тяжелосуглинистых 52-53% (в том числе ила 33-34%). Количество крупной пыли (лессовидной фракции) составляет в глинистых разновидностях в тяжелосуглинистых 23 -- 24%. По профилю гранулометрический состав изменяется незначительно. Количество физической глины в тяжелосуглинистых почвах составляет 53-56%, в среднесуглинистых - 37-45%, в легкосуглинистых - 20-30%. Оптимальный водно-воздушный режим при высокой водоудерживающей способности (полевая влагоемкость 35-45%) обеспечивается хорошей водопроницаемостью почвенных горизонтов, почвообразующей породы, а также известняков и мергелей (табл. 9).

Таблица 9. Описание профиля чернозема южного, г. Кашары

Рис. 11. Внешний вид степи, г. Кашары. Профиль чернозема обыкновенного

Количество гумуса у черноземов южных в пахотном слое 4-5 % (в западной части подзоны 4,0-4,5 %, в северной 4,5-5,5 %, в восточной 3,5-4,0 %). Емкость поглощения в верхних горизонтах довольно высокая, около 40 мг-экв. на 100 г почвы. В составе поглощенных оснований преобладает кальций, на долю которого приходится 80--90%, магния содержится 10--15%, и в небольших количествах (1,0--2,5%) присутствует натрий. Высокая потенциальная обеспеченность профиля элементами питания растений. Вредные для растений легкорастворимые соли вымыты. Самостоятельных солевых горизонтов на южных черноземах они не образуют, а сопутствуют новообразованиям гипса, и основная масса их находится в сульфатном горизонте. Тип засоления в этом горизонте, преимущественно, сульфатный и очень редко (у небольшой части карбонатных почв) хлоридно-сульфатный. Степень засоления преимущественно средняя и сильная, величина плотного остатка (сумма солей) колеблется от 0,5 до 1,2%.

Черноземы выщелоченные.

Предгорные равнины Северного Кавказа с количеством выпадающих осадков 500-650 мм - единственное место в России распространения выщелоченных черноземов южно-европейского варианта. За пределами близкие по свойствам черноземы встречаются в Молдавии.

Основные диагностические признаки: сверхмощная гумусо-аккумулятивная толща профиля, достигающая 180 см, при малой гумусированности (4,0-5,0 %) в горизонте А (рис.12). Характерны глубокая выщелоченность от карбонатов, но не выходящая за пределы гумусовых горизонтов. Отличие от черноземов выщелоченных восточно-европейской фации - отсутствие элювиально-иллювиальной дифференциации профиля в отношении алюмосиликатной массы почвы, т.е. по гранулометрическому и валовому составу, а также безгумусового и бескарбонатного горизонта В.

Зернисто-мелкокомковатая и комковатая оструктуренность гумусово-аккумулятивного горизонта почти без порошистых и глыбистых фракций. Рыхлое и слабоуплотненное сложение профиля (плотность не превышает 1,45 г/см3 в горизонте АВ2.

Рис. 12. Пастбище ст. Кирпильской и профиль чернозема выщелоченного

Благоприятная порозность (45-55 %), хорошая водопроницаемость, отсутствие явлений переувлажнения. Однако, при избыточном увлажнении типична склонность к слитогенезу. К применению орошения затоплением чернозем не рекомендуется. Тяжелосуглинистый и легкоглинистый гранулометрический состав. Высокие запасы гумуса (около 550-650 т/га) при малой гумусности горизонта А (4,0-4,5 %), и сверхмощном гумусовом профиле (150-180 см). Высокая потен...