Оценка агроэкологической устойчивости почв степных экосистем Западного Забайкалья в условиях аридизации климата

Вишнякова О.В., Убугунов В.Л. Оценка агроэкологической устойчивости почв степных экосистем Западного Забайкалья в условиях аридизации климата // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2017. -№4 (11) октябрь - декабрь. - URL http://e-journal.omgau.ru/images/issues/2017/4/00463.pdf. - ISSN 2413-4066

УДК 631.41+57.045

Вишнякова Оксана Владимировна

Кандидат биологических наук

ФГБУНИнститут общей и экспериментальной биологии СО РАН, г. Улан-Удэ ok_vish@mail.ru

Убугунов Василий Леонидович

Кандидат биологических наук

ФГБУН Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, г. Улан-Удэ ubugunovv@mail.ru

Оценка агроэкологической устойчивости почв степных экосистем Западного Забайкалья в условиях аридизации климата

Аннотация: В статье рассмотрены результаты исследований каштановых, светлогумусовых и сероземовидных почв аридных и семиаридных экосистем Западного Забайкалья в пределах российского участка Восточно-Европейского степного трансекта. Проведена оценка их агроэкологической устойчивости по данным гранулометрического состава. Выявлено, что по отношению к риску развития ветровой эрозии при сельскохозяйственном освоении, почвы относятся к группам «очень сильной и сильной эродируемости ветром». В условиях аридизации климата такие показатели исключают возможность применения изученных почв под распашку и требуют строгого нормирования пастбищной нагрузки при использовании их в качестве естественных пастбищ.

Ключевые слова: Западное Забайкалье, степи, гранулометрический состав почв, агроэкологическая устойчивость, аридизация.

Введение

Происходящие в последние десятилетия глобальные изменения климата, обусловленные как естественными, так и антропогенными факторами, приводят к повышению среднегодовых температур, неравномерности распределения атмосферных осадков и росту частоты катастрофических природных явлений [1, 2]. К середине века (20402060 гг.) на территории Западного Забайкалья прогнозируется увеличение зимних температур на 2-3° С, летних - на 1-2° С. Осадки также увеличатся до 20-25% в зимнее время, и до 5% - в летнее [3]. Прогнозируемый рост количества осадков в течение вегетационного периода незначителен по сравнению с изменением температур, что приведет к росту испаряемости, снижению коэффициентов увлажнения и, следовательно, к усилению аридизации климата. Это неизбежно отразится на состоянии почв степных экосистем региона, которые составляют основной фонд сельскохозяйственных угодий, интенсивно используемых в животноводстве и земледелии [4].

В условиях экстраконтинентального климата Байкальского региона степи традиционно используются в качестве естественных пастбищ, что является экологически

оправданным. Естественные кормовые угодья занимают площадь более 1,8 млн. га, на которых в разное время содержалось поголовье овец, достигающее 1,7 млн. особей, не считая КРС и лошадей. В настоящее время пастбищная нагрузка в целом стала ниже, но отмечается ее большая пространственная неоднородность и значительное превышение норм на территориях, прилегающих к населенным пунктам. Около 254 тыс. га степных пастбищ относится к категории сильно сбитых [5].

С экологических позиций, основное негативное воздействие при сельскохозяйственном освоении территории заключается в нарушении естественного растительного покрова, защищающего почвы от деградации. В частности, при распашке естественная растительность сводится полностью и заменяется культурными растениями на непродолжительный период. Большую часть времени пахотные почвы остаются незащищенными. Поэтому с точки зрения развития дефляционных процессов в аридных регионах, именно распашка земель без проведения противоэрозионных мероприятий может приводить к особенно негативным последствиям.

Помимо развития процессов дефляции, другим не менее важным фактором отрицательного воздействия пахотной нагрузки является деградация почвенного плодородия. Во-первых, при дефляции выдуванию подвергается верхний самый плодородный слой, а во-вторых, в аридных условиях в пахотных почвах существенно изменяются водно-физические свойства и режимы. В лишенных растительного покрова почвах возрастает испаряемость, активизируются процессы окисления органического вещества, что приводит к минерализации гумуса, снижению его содержания в почвах, и соответственно, к снижению плодородия. Отмечается, что уже сейчас потери гумуса основных пахотных почв региона составляют 20-25 % и более [5]. Причем они могут существенно возрасти в условиях аридизации климата, так как интенсивность всех приведенных выше негативных процессов при распашке будет усиливаться.

В результате происходит сокращение площади сельскохозяйственных земель и их отчуждение, нагрузка на оставшиеся в обороте земли существенно возрастает. Поэтому необходима оценка экологической устойчивости почв при сельскохозяйственном освоении для разработки мероприятий по экологической оптимизации структуры землепользования в аграрных районах, эффективного использования и защиты почвенного покрова от деградации.

Объекты и методы исследований

Степные экосистемы Западного Забайкалья с характерным для них почвенным покровом формируются в аридных и семиаридных условиях экстраконтинентального климата, имеют островной характер распространения и приурочены к межгорным впадинам или склонам южной экспозиции. Среднегодовая температура воздуха в степных районах изменяется от -3,3 до 0°С с севера на юг [6], среднегодовое количество осадков составляет 250-350 мм. Тип увлажнения в течение вегетационного периода характеризуется как контрастный: очень сухой весенне-раннелетний (коэффициент увлажнения (КУ) 0,1-0,2) и влажный позднелетний (КУ 0,8-1,0) В последние годы коэффициент увлажнения в степных районах во второй половине лета не достигает этих значений. Кроме того, в горнокотловинном Забайкалье установлена пространственная неоднородность в выпадении осадков: наблюдается гумидизация склонов и аридизация днищ котловин, где преимущественно расположены степные массивы [7].

Исследования проводились в пределах российского участка Восточно-Евразийского степного трансекта [8], имеющего протяженность с севера на юг на территории Республики Бурятия свыше 500 км. Изучались экосистемы типичных, или умеренных, степей (temperate steepe), растительность которых относится к классу Cleistogenetea squarrosae Mirkin et al. 1986. Среди настоящих степей доминирующими являются ковыльная (Stipa krylovii) и типчаковая (Festuca lenensis) формации и различные их варианты с участием Artemisia frigida, Carex duriuscula, Potentilla acaulis, Neopallasia pectinata. Почвенный покров региона имеет сложную пространственную организацию, так как ярко выраженная вертикальная

поясность смещает границы природных зон, обусловленные широтной зональностью. С этим связано, например, присутствие степных почв, простирающихся далеко на север по аридным межгорным котловинам, в таежной зоне (Баргузинская котловина) [9]. Основной массив степных почв сосредоточен в южной части региона, в долине р. Селенга и ее притоков.

С учетом аридного климата, склонового характера земель, легкого гранулометрического состава, слабой оструктуренности и низкого плодородия почв, существуют высокие риски развития водной и ветровой эрозии при возрастании антропогенной нагрузки [10]. На территории Республики Бурятия среди почв сельскохозяйственных угодий преимущественно преобладают супесчаные (около 30 %), а на легко- и среднесуглинистые разности приходится по 22 % [11]. Поэтому необходимо учитывать устойчивость основных типов почв к возникающим при интенсивном освоении негативным деградационным процессам, в частности к ветровой эрозии, которая очень распространена в регионе [12].

Оценка потенциальной устойчивости почв к ветровой эрозии базируется на выявлении степени эродируемости почв ветром. М.И. Долгилевич [13] предложил классификацию почв, подверженных ветровой эрозии. Диагностическими признаками, позволяющими отнести те или иные почвы к определенной категории, являются содержание физической глины, механическая прочность агрегатов, соотношение содержания гумуса и карбонатов кальция. Все почвы распределены в пять групп по степени эродируемости: очень слабая, слабая, средняя, сильная и очень сильная.

Подготовка почвенных образцов и физико-химическая характеристика почв проводились общепринятыми в почвоведении методами [14].

Результаты и обсуждение

Горный характер рельефа, криоаридные климатические условия Забайкалья, щебнистость и опесчаненность почвообразующих пород способствуют формированию почв с провинциальными особенностями: малой мощностью генетического профиля, низкой гумусированностью и мучнистой формой карбонатов.

В соответствии с «Классификацией и диагностикой почв России» [15], основными типами почв степных экосистем на изученной территории, являются светлогумусовые и каштановые почвы, также встречаются сероземовидные почвы и псаммоземы гумусовые. Почвы характеризуются нейтральной или слабощелочной реакцией среды, малой мощностью гумусового горизонта (10-30см), низким содержанием гумуса (0,82-3,24 %) (табл.). В таблице 1 приведены мощности и основные физико-химические свойства верхних гумусовых горизонтов почв. По гранулометрическому составу все изученные почвы Баргузинской котловины относятся к связному песку. Степные почвы Селенгинского среднегорья в основном характеризуются супесчаным гранулометрическим составом, только один вариант каштановой почвы - легкосуглинистый.

В связи с низким содержанием тонкодисперсной фракции структура в почвах практически не выражена или представлена непрочнокомковатыми агрегатами. Гумусовые горизонты изученных почв не содержат карбонатов. Педогенная аккумуляция карбонатов в почвах автоморфных ландшафтов встречается ниже по профилю в пределах карбонатного горизонта. Поэтому в данном случае основным критерием оценки устойчивости почв к ветровой эрозии является гранулометрический состав.

Таблица 1. Основные физико-химические свойства почв аридных и семиаридных __территорий Западного Забайкалья _

№ Тип почвы Горизонт Слой рН Гумус, % ЕКО, мг-экв/ 100г Содержание частиц

< 0,01мм > 0,01мм

Селенгинское среднегорье

1 Каштановая AJ 0-20 7,2 1,64 18,0 20 80

2 Светлогумусовая AJ 0-25(30) 7,2 0,82 15,3 10 90

3 Светлогумусовая AJ 0-10 7,2 3,22 25,7 20 80

4 Светлогумусовая AJ 0-20 7,8 1,81 22,4 16 84

5 Каштановая AJ 0-28 7,1 0,99 17,7 13 87

6 Каштановая AJ 0-28 7,4 1,52 16,2 15 85

7 Каштановая AJ 0-11 (22) 6,7 2,93 21,0 21 79

Баргузинская котловина

8 Каштановая AJ 0-26(34) 7,9 1,26 12,0 6 94

9 Сероземовидная AJ 0-15(20) 8,0 1,33 15,5 7 93

10 Светлогумусовая AJ 0-25(29) 7,8 2,23 18,9 7 93

11 Каштановая AJ 0-28(38) 7,2 3,24 23,2 8 92

12 Каштановая AJ 0-30 8,0 1,95 20,3 8 92

На основе содержания фракции физической глины определялась принадлежность изученных почв к конкретной группе по степени их эродируемости. Выявлено, что все степные почвы Баргузинской котловины относятся к пятой, самой дефляционноопасной группе «очень сильной эродируемости ветром». Количественным критерием служит содержание фракции физической глины менее 15 %. Даже три варианта почв Селенгинского среднегорья, содержащие относительно меньше песчаных фракций, не выходят из этой градации. Остальные почвы южной части республики относятся к четвертой группе «сильной эродируемости ветром» (с содержанием физической глины 15-30 %). Если сравнивать абсолютные показатели, то степные почвы Баргузинской котловины имеют более высокий риск развития дефляции, что подтверждается ландшафтными особенностями: наличием многочисленных песчаных наносов в пределах котловины, широким распространением незакрепленных песков, эоловых слоистых почв и стратоземов [16].

Проведенная оценка устойчивости почв степных экосистем в пределах изученного трансекта по данным гранулометрического состава свидетельствует о высоких рисках развития дефляции при сельскохозяйственном освоении. При разработке мероприятий по оптимизации структуры землепользования, данные почвы, даже в пределах Селенгинского среднегорья, нецелесообразно использовать под пашню не только из-за периодических засух и низкой продуктивности, но и с экологических позиций, так как сохранение естественного растительного покрова здесь имеет первостепенное значение. Традиционное их использование в качестве пастбищ должно сопровождаться обязательным нормированием пастбищной нагрузки, а в отдельных случаях ее ограничением, так как интенсивный выпас становится дополнительным фактором аридизации степных экосистем. Под влиянием выпаса в почвах аридных и семиаридных регионов усиливается дефицит влаги за счет нарушения и уплотнения, уменьшения инфильтрации воды, возрастания испаряемости и почвенной эрозии. Результаты исследований показали существенные различия в плотности почвы и ее водообеспеченности на участках с различной степенью деградации. В сильно трансформированных выпасом вариантах с увеличением плотности уменьшалось содержание влаги в почве, что, в свою очередь, приводило к изменениям в составе и

структуре растительного покрова, а также снижению продуктивности степных сообществ

[17, 18].

Увеличение пастбищной нагрузки в условиях аридизации климата может привести к усилению дефляционных процессов и движению песков, что создает угрозу опустынивания территории. При интенсивном выпасе возрастает расход влаги растениями из-за постоянного отчуждения биомассы, в результате чего происходит ее снижение из-за нехватки водных ресурсов, ограничивающих рост растений. При исследовании влияния температуры и количества осадков на растительную продукцию в условиях выпаса было выявлено, что надземная фитомасса наиболее чувствительна к изменению уровня увлажнения [19]. Моделирование прогнозируемых климатических параметров в этом эксперименте показало, что даже при умеренном выпасе в течение 50 лет, состояние растительного покрова существенно изменится: травянистая растительность может смениться кустарниками. Поэтому антропогенно-нарушенные степные экосистемы наиболее уязвимы при повышении среднегодовых температур и неравномерности выпадения осадков.

Работа выполнена в рамках темы госзадания, № госрегистрации: АААА-А17-117011810038-7.

Ссылки на источники:

1. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): 2001, Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group 1 to Third Assessment Report of the IPCC, J. Houghton and Y. Ding (chairs), Cambridge University Press, Cambridge. - 881 pp.

2. Литвинова О.С., Гуляева Н.В. Микроциркуляционные условия атмосферных засух на юге Урала и Западной Сибири в XX и начале XXI вв // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2017. - №1 (8) январь - март. - С. 1-11. - URL http://e-journal.omgau.rU/index.php/2017/1/35-statya-2017-1/740-00270

[07.12.2017]

3. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. - М., 2008. - 28 с.

4. Система ведения агропромышленного производства Республики Бурятия на 19962000 гг. (рекомендации). - Улан-Удэ: Изд-во ОАО «Республиканская типография» РБ, 1996 (1998). - С. 248.

5. Убугунов Л.Л. Плодородие почв агроландшафтов Бурятии / Л.Л. Убугунов, А.И. Куликов, В.И. Убугунова, М.Г. Меркушева, С.Г. Дорошкевич. - Улан-Удэ: Изд-во БГСХА им. В.Р. Филиппова. - 2009. - 177 с.

6. Hijmans R.J. Very high resolution interpolated climate surfaces for global land areas / R.J. Hijmans, S.E. Cameron, J.L. Parra, P.G. Jones and A. Jarvis // International Journal of Climatology. - 2005. - Vol. 25: 1965-1978.

7. Кривобоков Л.В., Аненхонов О.А. Тенденции изменения флористического состава степной растительности Северного Прибайкалья при потеплении климата / Л.В. Кривобоков, О.А. Аненхонов // Растительный мир Азиатской России. - 2010. - № 2 (6). - С. 17-21.

8. Ubugunov L.L. Impact of Climate and Grazing on Biomass Components of Eastern Russia Typical Steppe / L.L. Ubugunov, Yu.A. Rupyshev, V.L. Ubugunov, Hou Xiangyang, O.V. Vishnyakova, I.N. Lavrentieva, V.I. Ubugunova, R. Weibo, D. Yong. // Journal of Integrative Agriculture. - 2014. - Vol. 13 (6). - P. 1183-1192.

9. Дамбиев Э.Ц. Степные ландшафты Бурятии. - Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2000. - С.198.

10. Выркин В.Б. Современное эоловое рельефообразование в Баргузинской котловине // География и природные ресурсы. - 1986. - № 2. - С. 71-77.

11. Убугунов Л.Л. Почвенный покров Бурятии как базовый компонент природных ресурсов Байкальского региона / Л.Л. Убугунов, Б.Б. Ральдин, В.И. Убугунова. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2002. - С. 53.

12. Цыбжитов Ц.Х. Почвы бассейна озера Байкал / Ц.Х. Цыбжитов, Ц.Ц. Цыбикдоржиев, А.Ц. Цыбжитов. - Новосибирск: Наука, 1999. - С. 127.

13. Долгилевич М.И. Построение классификации почв, подверженных ветровой эрозии // Оценка и картирование эрозионно-опасных и дефляционно-опасных земель. - М.: Изд-во МГУ, 1973. - С. 269-271.

14. Агрохимические методы исследования почв. - Москва: Наука, 1975. - 656 с.

15. Классификация и диагностика почв России. - Смоленск: Ойкумена, 2004. - С. 342.

16. Убугунов В.Л. Почвы и формы рельефа Баргузинской котловины / В.Л. Убугунов, В.И. Убугунова, Э.Г. Цыремпилов. - Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2016. - С. 212.

17. Вишнякова О.В. Трансформация степных сообществ Западного Забайкалья под влиянием антропогенной нагрузки / О.В. Вишнякова, Ю.А. Рупышев, И.Н. Лаврентьева, Л.Л. Убугунов // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - С. 15.

18. Вишнякова О.В. Влияние климатических факторов на продуктивность степных экосистем Байкальского региона / О.В. Вишнякова, И.Н. Лаврентьева, Л.Н. Болонева, Л.Л. Убугунов // Биологические науки Казахстана. - 2015. - № 3. - С. 57-64.

19. Christensen L. Vulnerability of the Asian typical steppe to grazing and climate change / L. Christensen, M. Coughenour, J. Ellis, Z. Chen // Climate Change. - 2004. - Vol. 63. - P. 351-368.

Oxana Vishnyakova

Candidate of Biological Sciences

Institute of General and Experimental Biology SB RAS, Ulan-Ude

Vasily Ubugunov

Candidate of Biological Sciences

Institute of General and Experimental Biology SB RAS, Ulan-Ude

Assessment of Agroecological Stability of Soils of Steppe Ecosystems of the Western Transbaikal Region under the Conditions of Climate Aridization

Abstract: In the article the results of investigation of kastanozem, light-humus and serozemic soils of arid and semiarid ecosystems of Western Transbaikalia within the Russian part of the East-European Steppe transect are considered. Agroecological stability of these soils was estimated on the base of soil texture. It was revealed that in relation to the risk of wind erosion with agricultural development, the soils are classified as "very strong and strong wind erodibility". In conditions of climate aridization, such indicators exclude the possibility for studied soils plowing and require strict pasture load regulation when use them as grasslands.

Keywords: Western Transbaikalia, steppes, soil texture, agroecological stability, aridization.