Информационно-образовательный портал
e-mail: mail@infobraz.ru

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ СКЛОНОВ ПО ИНТЕНСИВНОСТИ ТРАНСФОРМАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Реферат. Оценка устойчивости экологических систем в настоящее время является важным направлением в экологии. Целью исследований явились изучение особенностей накопления растительного опада и гумуса на разных высотных отметках склоновых земель и использование данных показателей для разработки шкалы оценки устойчивости. Объектами исследований служили склоновые экологические системы на территории Чувашской Республики и Республики Татарстан. Мощность подстилки на исследованных участках склонов отличается горизонтальной и вертикальной неоднородностью. В основном подстилка состоит из полуразложившихся остатков травянистой растительности: она сухая на высоких отметках склона, влажноватая или влажная в долинной части. Подстилка на верхних участках южного склона маломощная, что затрудняет даже выделение слоя гумуса, а на склонах северной экспозиции мощность подстилки больше, чем на южных склонах. По мере снижения пробных участков вниз по склону мощность подстилки увеличивается, в долинной части крутых склонов наблюдаются наибольшие данные толщины подстилки. Обработка данных методами вариационной статистики показала тесную корреляцию между показателями массы подстилки и высоты пробного участка (R = 0,98), стандартное отклонение S = 3,58 для южного склона, (R = 0,99), стандартное отклонение S = 3,14 для северного склона. Данные ОПК позволили выделить зоны устойчивости склонов. По результатам зонирования участков склоновых экологических систем разной экспозиции и на разных высотных отметках по показателю ОПК разработана шкала устойчивости склоновых земель. Наиболее устойчивы к воздействию разрушающих факторов склоны северных экспозиций и средние и долинные участки западных и восточных. Предложена математическая модель зависимости массы подстилки от высоты расположения пробной площадки на склоне.

Ключевые слова: склон, опадно-подстилочный коэффициент, органическое вещество, экспозиция склона, гумус, устойчивость.

Одним из основных компонентов биосферы, который определяет свойства почв и происходящие в них процессы и в конечном счете влияет на биологическую продуктивность растений, экологические функции почв, сохранение и восстановление их плодородия, устойчивость функционирования биогеоценозов в целом, является органическое вещество [4]. В процессе роста и развития растений первичная продукция постепенно превращается в органическую массу, величина которой зависит от продуктивности биоценоза в целом. Количественные и качественные показатели органической массы во временном интервале могут охарактеризовать как динамические процессы, так и устойчивость всей системы в целом. Проблеме изучения накопления органической массы, процессов трансформации органического вещества в биогеоценозах посвящены многие работы [2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13]. В некоторых исследованиях для характеристики процессов трансформации органического вещества используют показатели опадно-подстилочного коэффициента (ОПК), который определяется отношением массы подстилки к величине наземного опада [1].

Материалы и методы исследований

Смысл определения ОПК заключается в том, что по растительным поясам в зависимости от природно-климатических условий степень трансформации органического вещества бывает разной. Исходя из данного принципа поставлена цель определения устойчивости склоновых экологических систем по показателю ОПК. Основой гипотезы возможного использования данного коэффициента явились различия условий существования растительных организмов по склонам разной экспозиции и на разных высотных отметках. Ориентироваться на показатели опадно-подстилочного коэффициента по работе Н. В. Поповой [10] методически было бы неверно. В данной работе ОПК определялся с целью установления процессов накопления органического вещества на разных участках поверхности склонов полярных экспозиций и крутизны. Изученные склоновые экологические системы заняты фитоценозом из ­травянистых одно- и многолетних растений.

Экспериментальную работу по изучению трансформации органического вещества на склоновых землях проводили в 2008–2011 гг. на постоянных пробных участках, заложенных на склонах экзогенного типа разной экспозиции в Чувашской Республике и Республике Татарстан. Содержание гумуса определяли по методу Тюрина. На пробных площадках размером 0,25 × 0,25 м измеряли мощность подстилки и гумусового горизонта, а для изучения морфологии подстилки отбирали образцы на разных высотных уровнях склона.

В процессе проведения исследований использовали полевые и вегетационные методы, методы корреляционного и регрессионного анализов для установки тесноты связи между показателями высоты участка склона и массы органического вещества, а также методы математической статистики для обработки результатов исследований.

Результаты и обсуждения

Неоднородность подстилки по разным высотным отметкам и ориентации склоновых экологических систем объясняется в основном морфологией склона и различиями почвенно-экологических условий. В пределах изученных склонов можно выделять границы условных участков, которые характеризуются неоднородным сложением травостоя. Доминирование отдельных видов зависит от экологических условий склона. Исследования показали, что содержание гумуса в почве зависит от высотного положения участка по склону (табл. 1). Мощность подстилки на исследованных участках склонов отличается горизонтальной и вертикальной неоднородностью (рис. 1, 2). В основном подстилка состоит из полуразложившихся остатков травянистой растительности: она сухая на высоких отметках склона, влажноватая или влажная в долинной его части. Подстилка на верхних участках южного склона маломощная, до 1 см, что затрудняет даже выделение слоя гумуса, а на склонах северной экспозиции мощность достигает 2 см. По мере снижения пробных участков вниз по склону мощность подстилки увеличивается до 2,7 см, в долинной части крутых склонов – до 3–3,5 см.

Таблица 1 – Содержание гумуса почвы на склонах разной экспозиции, %

Расстояние

вниз по склону, м

­Высота над уровнем моря, м

2012 г.

2013 г.

2014 г.

2015г.

0–10

10–20

0–10

10–20

0–10

10–20

0–10

10–20

южный склон

10

72,8

1,12

1,18

1,08

1,06

1,07

1,05

1,06

1,03

20

71,8

1,23

1,22

1,18

1,14

1,16

1,13

1,16

1,12

30

70,2

1,26

1,21

1,24

1,18

1,22

1,15

1,17

1,13

40

69,0

1,45

1,37

1,42

1,28

1,39

1,24

1,37

1,22

50

68,2

2,41

2,39

2,40

2,34

2,39

2,32

2,37

2,31

60

67,8

2,52

2,43

2,56

2,41

2,53

2,38

2,47

2,39

70

67,4

2,66

2,59

2,65

2,56

2,59

2,41

2,81

2,70

северный склон

10

72,8

2,12

2,11

2,07

2,02

2,06

2,03

2,07

2,04

20

71,8

2,23

2,20

217

2,16

2,17

2,10

2,15

2,11

30

70,2

2,26

2,21

2,23

2,19

2,23

2,13

2,18

2,12

40

69,0

2,45

2,38

2,42

2,25

2,38

2,22

2,37

2,20

50

68,2

2,57

2,56

2,61

2,58

2,64

2,59

2,65

2,60

60

67,8

2,65

2,58

2,63

2,54

2,57

2,42

2,82

2,69

70

67,4

2,84

2,77

2,68

2,60

2,67

2,65

2,76

2,72

западный склон

10

72,8

1,85

1,83

1,82

1,79

1,81

1,77

1,79

1.74

20

71,8

1,87

1,84

1,85

1,83

1,82

1,76

1,78

1,73

30

70,2

1,89

1,87

1,86

1,84

1,83

1,79

1,82

1,76

40

69,0

1,94

1,90

1,91

1,87

1,88

1,78

1,86

1,77

50

68,2

2,24

2,21

2,20

2,15

2,14

2,11

2,12

2,11

60

67,8

2,54

2,48

2,49

2,46

2,46

2,41

2,43

2,39

70

67,4

2,79

2,68

2,63

2,54

2,63

2,62

2,78

2,70

Анализ таблицы 1 показывает, что содержание гумуса в почве зависит от расстояния вниз по склону и высоты над уровнем моря. На всех участках наблюдается аккумуляция органического вещества в нижней части склона и выявляется закономерность зависимости снижения органической массы по годам, что объясняется выносом почвы с верхней части вниз по склону. При определении устойчивости склоновых экологических систем по показателю опадно-подстилочного коэффициента в данной работе использовали вариант расчета по работе [12], так как он позволяет ориентироваться в имеющихся данных по запасам подстилки и величине наземного опада в разных экотопах.

ОПК для северных склонов крутизной от 20 до 45° составляет от 1,8 в верхней части склона до 2,9. Наименьшие значения получены для южных склонов, где коэффициент составляет в среднем 1,2 в верхней части и до 2,6 – в нижней. Западный и восточный склоны занимают промежуточное положение. Надо отметить, что верхняя часть склона, независимо от ориентации и его крутизны подвержена влиянию температуры и недостатка влаги. Запасы подстилки с 982 до 2499 ц/га сосредоточены в основном на северных склонах, в долинной части южных и средней части восточных и западных склоновых экологических систем, где происходит аккумуляция почв в результате механического перемещения или смыва взвешенных частиц.

Равновесное состояние экосистем долины и средней части восточного и западного склонов обусловлено благоприятным и экологическими условиями. Запасы подстилки с 131 до 346 ц/га наблюдаются на южных склонах и в верхней части восточных и западных. Если на западных и восточных склонах запасы подстилки минимальные на высотной отметке 205–210 м, то на южных неустойчивая зона начинается с отметки 192 м. Южные склоны характеризуются низкими удельными показателями подстилки (рис. 3). ОПК снижается по мере увеличения высотной отметки, особенно это характерно для склонов южной экспозиции. На основании вычислений ОПК для склоновых земель Чувашской Республики и восточных районов Республики Татарстан можно предложить шкалу устойчивости склоновых экологических систем по данному показателю (табл. 2).

К первой группе устойчивости отнесены 5,56% площади изученных склонов южной экспозиции. Наибольшие участки по устойчивости занимают 55,6% площади северных склонов и от 22,2 до 27,8% площади западных и восточных. Неустойчивые участки склоновых земель сосредоточены в средней и верхней части южных склонов и занимают 50,0% площади, а на восточных и западных склонах – 22,2 и 27,78% площади соответственно.

Таблица 2 – Шкала устойчивости склоновых экологических систем

Балл ­устойчивости

Опадно-подстилочный ­коэффициент

Запасы подстилки, ц/га

1

2,48–2,84

966–2499

2

2,02–2,47

477–965

3

2,31–2,49

347–476

4

1,22–2,30

131–346

Ко второй группе устойчивости  устойчивые к влиянию факторов среды формирования склона отнесены участки западных и восточных склонов с высотных отметок от 176 до 190 м, а на южных на отметках 165185 м (рис. 3).

Графики изменения массы подстилки на склонах полярных экспозиций приведены на рисунках 4 и 5. Из них видно, что максимальное накопление органической массы наблюдается в нижней части склона.

Обработка данных методами вариационной статистики показала тесную корреляцию между показателями массы подстилки и высоты пробного участка (R = 0,98), стандартное отклонение S = 3,58 для южного склона, ­
(R = 0,99), стандартное отклонение
= 3,14 для северного склона.

Ряд показателей массы подстилки и высоты расположения пробной площадки на склоне в процессе эксперимента позволил нам построить модели зависимости, которые можно представить следующими формулами.

Для южного склона:

m = 278,15669 · exp(–0,63445522 · Н) + 0,0016663239 ·

exp(–1,9754059–006 · Н). (1)

Для северного склона:

m = 861257,58 · exp(–17968,203 · Н) + 138,55465 · exp(0,46957928 · Н); (2)

Выводы

Сравнение фактических величин массы подстилки на нижних отметках южного и северного склонов показывает, что значение ОПК на площадках склона южной экспозиции занимает всего 41% от массы ОПК северного склона. Данное обстоятельство объясняется более благоприятными условиями формирования надземной массы и высокой продуктивностью травостоя в долинной части склонов.

Результаты зонирования склоновых экологических систем экзогенного типа разной экспозиции и на разных высотных отметках по показателю ОПК позволили разделить склоновые земли по устойчивости на четыре группы: 1-я – устойчивые участки склонов; 2-я – участки, устойчивые влиянию факторов среды формирования склона; 3-я – участки склона с характерными динамическими процессами; ­
4-я – неустойчивые участки.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Биопродукционный процесс в лесных экосистемах Севера. – СПб.: Наука, 2001. – 278 с.
  2. Бобкова К. С. Биологическая продуктивность хвойных лесов Европейского Северо-Востока. – Л. : Наука, 1987. – 160 с.
  3. Гродзинский М. Д. Устойчивость геосистем: теоретический подход к анализу и методы количественной оценки // Известия АН СССР. Серия: Географическая. – 1987. – № 6. – С. 5–15.
  4. Ершов Ю. И. Органическое вещество биосферы и почвы. – Новосибирск : Наука, 2004. –
    104 с.
  5. Ильина Т. М. Роль подстилки как индикатора катастрофических из­ме­нений лесных экосистем // Ритмы и катастрофы в растительном покрове Дальнего Востока : мат.­междунар. конференции. – Владивосток, 2005. – С. 255–260.
  6. Керженцев А. С., Шульженко Ю. В. Возобновимый ресурсный потенциал экорегиона // Использование и охрана природных ресурсов в России. – 2009. – № 3. – С. 46–50.
  7. Ковда В.  А. Биогеохимия почвенного покрова / отв. ред. О. В. Зонн. – М. : Наука, 1985. – 263 с.
  8. Коломыц Э. Г. Региональная модель глобальных изменений природной среды. – М. : Наука, 2003. – 371 c.
  9. Одум Ю. Основы экологии. – М. : Мир, 1975. – 740 с.
  10. Попова Н. В. Диагностика устойчивости экосистем по интенсивности процессов трансформации органического вещества // Экологические системы и приборы. – 2007. – № 5. – С. 3–5.
  11. Разумовский С. М. Законо­мерности динамики биогеоценозов. – М. : Наука, 1981. – 231 с.
  12. Родин Л. Е., Базилевич Н. И. Динамика органического вещества и биологический круговорот в основных типах растительности. – М.-Л. : Наука, 1965. – 253 с.
  13. Шульженко Ю. В. Количественная оценка ресурсного потенциала экосистем Окского бассейна : автореф. дис. ... канд. геогр. наук. – М., 2010. – 26 с.

Метки: Агрономия, лесное и водное хозяйство