Биологическая характеристика солончаков чиевых степей западного Забайкалья

Б. Ф. Апарин, В. И. Убугунова, И. Н. Лаврентьева, В. Л. Убугунов, Е. Ю. Сухачева

биологическая характеристика солончаков чиевых степей западного забайкалья

В степной зоне Западного Забайкалья при постоянном или временном грунтовом увлажнении формируются сазовые степи [1, 2]. Наиболее распространены среди них чиевые формации, встречающиеся обычно по берегам засоленных озер, в притеррасной части степных долин, иногда и в центральной части первых террас рек на засоленных почвах [3-6]. До настоящего времени они изучены очень слабо [3-9]. Поэтому целью настоящих исследований было проведение комплексных работ на солончаках чиевых формаций и изучение почвенно-биотических компонентов и их взаимосвязей.

объекты и методы исследования

Стационарные наблюдения за режимными процессами проводились в Иволгинской котловине. Эта территория относится к Южно-Сибирской горной области Селенгин-ско-Хилокской остепненно-среднегорной провинции [10]. Климат в районе исследования экстремально-континентальный [11]. Безморозный период составляет 70-100 дней, среднегодовое количество осадков — 234 мм. Глубина залегания почвенно-грунтовых вод в местах распространения солончаков от 1,0 до 2,0 м, минерализация обычно повышенная — 5-10 г/л. По химическому составу воды имеют различную степень минерализации [3, 4].

Неоднородность экологических факторов формирования почв Иволгинской котловины (изменение макро- и нанорельефа, уровень залегания и химизм почвенно-грунтовых вод, различные по гранулометрическому составу аллювиальные и озерно-аллювиальные отложения, богатые водорастворимыми солями) обусловила формирование дифференцированно-засоленных комплексов аллювиальных темногумусовых засоленных, аллювиальных темногумусовых гидрометаморфических, аллювиальных пере-гнойно-глеевых почв и солончаков. Основные массивы засоленных почв расположены на правом борту котловины (рис. 1). Они встречаются в пониженных элементах рельефа с близкозалегающими грунтовыми водами (по периферии заболоченных массивов), в небольших бессточных западинках, периодически затопляемых поверхностными водами, вдоль шлейфов склонов окружающих хребтов. Доминирующим фактором засоления вод и почв Иволгинской котловины является континентальное соленакопление [12-14]. На отдельных участках впадины установлено влияние подземных вод юрско-меловых отложений [3, 4], однако значение этого фактора незначительно.

Чиевые степи достаточно широко распространены в пределах котловины (1190 га) и формируются на почвах галоморфного отдела, диагностическим признаком которого является поверхностный солончаковый горизонт [1, 2, 15]. Для характеристики биоты определяли биологическую продуктивность фито- и зооценоза, их состав, структуру и закономерности распределения в почве, актуальную биологическую активность, эмис-

© Б. Ф. Апарин, В. И. Убугунова, И. Н. Лаврентьева, В. Л. Убугунов, Е. Ю. Сухачева, 2011

Рис. 1. Распространение галоморфных почв в Иволгинской котловине

сию СО2 с поверхности почвы. Определение биологической продуктивности надземной массы проводили укосным методом. Запасы подземной фитомассы определяли методом монолитов [16] с последующей отмывкой корней на почвенных ситах. Об актуальной биологической активности почвы судили по интенсивности распада льняной ткани. Учет почвенных беспозвоночных размером больше 0,2 см (мезоэдафон) проводился стандартным методом почвенных раскопок [17]. Выборку проводили на площади 0,25 м2 при глубине 0,4 м. Поток СО2 с поверхности почвы определяли абсорбционным методом в модификации И. Н. Шаркова [18] с июня по сентябрь 2006 г. и с мая по сентябрь 2007 и 2008 гг. Повторность определения трехкратная. Суммарные выделения СО2 за вегетацию рассчитывали путем линейного интерполирования.

результаты исследования и их обсуждение

Почва экспериментального участка в соответствии с новой классификацией почв России [15] определена как солончак глеевый и характеризовалась нечеткой дифференциацией профиля на генетические горизонты и следующим морфологическим профилем: Б-А^^з^Сз-С. Солевой горизонт имел различную мощность и разные морфологические формы проявления: в виде пухлых отложений солей на поверхности почвы или солевых выцветов в поверхностных горизонтах. Засоленный светлогумусовый горизонт небольшой мощности (20-30 см). Изученный солончак имел слабощелочную реакцию среды и характеризовался достаточно высоким содержанием обменных оснований со значительным содержанием обменного натрия в поглощающем комплексе. Общее количество солей по профилю изменялось от 0,735 до 1,317%, а их максимум (3,086%) приурочен к приповерхностному слою почвы (Б). В верхних горизонтах солончака отмечен сульфатно-натриевый тип засоления, а в нижних — сульфатно-магниевокальциевый (рис. 2). Почва имела низкие показатели емкости катионного обмена, незначительное содержание гумуса (табл. 1) и сложный гранулометрический состав: средний суглинок на глубине 30 см сменялся легким суглинком, а с глубиной — тяжелым [7].

40 30 20 10 0 10 20 ЗО 40

птп т гх1 м т 1=1

N3' +К1 Са2+ НСО С1 ЭО*

Рис. 2. Солевой профиль солончака глеевого

Таблица 1. Характеристика растительности и слоя (0-20 см) солончака глеевого

Показатель Характеристика

Геоморфологическое положение Центральная часть поймы

Растительность Доминанты АсЬпаШегаш 8р1еп<іеп8

Содоминанты -

Проективное покрытие травостоя, % 50

Среднемноголетние запасы фитомассы, ц/га: надземной подземной 188 19 169

и о С Мощность гор (З+А^), см 30

Содержание гумуса, % 1,14

Плотность сложения, г/см3 1,52-1,56

Содержание частиц <0,01 мм 21-34

Содержание частиц <0,001 мм 6-15

Порозность, % 42-46

рН 7,3-7,6

Плотный остаток, % 0,735-3,086

Проведенные трехлетние наблюдения за режимными процессами показали, что солончаки глеевые формируются в условиях жесткого гидротермического режима. Биологически активные температуры в профиле почвы отмечаются с 3-й декады мая по 3-ю декаду сентября. Колебания суточной температуры в поверхностном слое почвы создают крайне контрастный температурный режим (рис. 3). В летние периоды отмечается прогревание почвы до 35оС (2006).

Преобладающей категорией влаги в верхнем слое 0-20 см является влажность в диапазоне ВЗ-ВРК (рис. 4). Обеспеченность года атмосферными осадками вносит существенные коррективы в увлажнение поверхностного слоя почвы, поэтому увлажненность его варьирует в широких пределах. В период выпадения муссонных дождей (вторая и третья декада июля — август) происходит промачивание верхнего слоя почвы (0-10 см) до уровня оптимального увлажнения (НВ), а в периоды незначительного выпадения или интенсивной десукции и физического испарения с поверхности почвы вследствие

2006 г.

2007 г.

2008 г.

Рис. 3. Температурный режим солончака глеевого Римскими цифрами обозначены названия месяцев года (то же для рис. 4, 7).

Рис. 4 . Водный режим солончака глеевого: 1 — <ВЗ; 2 — ВЗ-ВРК; 3 — ВРК-НВ; 4 — >НВ.

высоких дневных температур наблюдается снижение содержания влаги до критической (ВЗ-ВРК; <ВЗ). За все годы наблюдений влажность в слое 30-50 см почвы находилась в диапазоне ВРК-НВ и >НВ. Это свидетельствует о дополнительном грунтовом увлажнении изученных почв. Водный режим можно отнести к выпотному типу с атмосферногрунтовым питанием.

Растительный покров чиевников неоднороден, наряду с настоящими ксерофитами опустыненных степей, встречаются мезофиты луговых степей и остепенных солонцеватых лугов [1, 2]. Качественный состав чиевых сообществ удовлетворительный, а поедаемость скотом растений возможна только в раннем возрасте или в отаве. Флористический состав изученного чиевого сообщества, произрастающего на солончаке, представлен 9 видами, из них 3 вида — злаки и 6 видов — разнотравье, которые характеризуются монодоминантностью (см. табл. 1). Индикатором засоленности почвы является чий блестящий. Он произрастает при близком залегании грунтовых вод и образует плотные кочки диметром до 30-40 см. Отсутствие бобовых в составе ценоза также слу-

жит показателем засоленности почвы и близкого стояния грунтовых вод. Проективное покрытие, как правило, не более 50%. Травостой двухъярусный. Высота первого яруса 1-1,3 м, второго — 10-20 см. По уровню биологической продуктивности данное сообщество характеризуется как малопродуктивное (188 ц/га). На долю надземной фитомассы приходится 19 ц/га, а подземной — 169 ц/га. Соотношение надземной фитомассы и подземной составляет 1 : 9 и указывает на крайне неблагоприятные условия функционирования ценоза вследствие значительной концентрации в почве воднорастворимых солей. Основное количество фитомассы сосредоточено в верхнем слое 0-10 см (табл. 2).

Таблица 2. Распределение подземной фитомассы и зоомассы в солончаке глеевом

Слой, см Масса, %

корневая мезоэдафона

0-10 63 89

10-20 14 10

20-50 23 1

Разложение поступивших растительных остатков в солончаке происходит при наличии в почвенном профиле большого количества водорастворимых солей, которые угнетают микробиологическую активность. Пик микробиологической активности приходится на период июль — август (рис. 5).

%

Рис 5. Динамика интенсивности разрушения целлюлозы солончака глеевого в течение вегетационного периода

Почвенные животные являются чувствительным индикатором различных природных факторов, их биомасса, соотношение количественной представительности и обилия в почвах определяется условиями обитания. Общая численность мезоэдафона и его зоомасса в солончаке глеевом составляют 63,25 экз/м2 и 0,34 г/м2 соответственно (табл. 3). Столь низкая его численность и зоомасса связаны, прежде всего, с неустойчивым гидрологическим режимом изученной почвы (см. рис. 4, 5), ее засоленностью и скудной кормовой базой. Зоологический комплекс представлен 2 классами и 6 отрядами. Доминирующее положение занимают насекомые, отличающиеся большим разнообразием семейств и более высокими величинами зоомассы. В их составе наиболее резко по численности выделяются жесткокрылые. Такое доминирование жуков в структуре зооценоза характерно в целом для степных биотопов [5]. Следовательно, это еще раз

подтверждает тот факт, что чиевые степи хоть и формируются в условиях постоянного или временного грунтового увлажнения, но по качественному составу беспозвоночных ближе к степям, чем к галофитным лугам. Доля двукрылых, чешуекрылых, перепончатокрылых и равнокрылых составляет 31,7%, в которых превалируют представители отряда Б1р1ега. Ведущее место по численности и биомассе в составе мезоэдафона занимают личинки ТепеЬпошСае и А81Шае, их представители в целом наиболее термофильные, более приспособленные к неустойчивому водному режиму солончаков и к общему химизму почвенного субстрата.

Послойный учет педомезоэдафона позволил выяснить особенности ярусного распределения этих животных. Установлено, что абсолютное большинство беспозвоночных (89%) приурочено к приповерхностному слою (0-10 см), где сосредоточена и подземная фитомасса (см. табл. 3).

Таблица 3. Количественные показатели беспозвоночных, обитающих в солончаке глеевом Иволгинской котловины

Беспозвоночные Численность, экз./м2 ± 8Б Обилие, % Масса, г/м2 ± 8Б

тип Членистоногие (АгШгоро<1а) 63,25 ± 6,73 100 0,34 ± 0,06

кл. Паукообразные (АгасЬш<1а) 0,75 ± 0,54 1,2 <0,01

отр. Клещи (Асап) 0,8 ± 0,25 1,2 <0,01

кл. Насекомые (1пвес1а) 62,5 ± 6,67 98,8 0,34 ± 0,06

отр. Равнокрылые (Ыошор1ега) 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

сем. Носатки (Б1с1уорЬап<1ае) 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

отр. Жесткокрылые (Со1еор1ега), личинки 43,50 ± 6,44 68,8 0,14 ± 0,03

отр. Жесткокрылые (Со1еор1ега), куколки 0,50 ± 0,50 0,8 <0,01

сем. Жужелицы (СагаЫ<1ае), личинки 0,75 ± 0,54 1,2 <0,01

сем. Щелкуны (БЫ:еп<1ае), личинки 2,50 ± 0,89 4,0 0,01 ± 0,01

сем. Карапузики (Ы181еп<1ае), личинки 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

сем. Пыльцееды (АПесиШае), личинки 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

сем. Чернотелки (ТепеЬпош<1ае), личинки 36,00 ± 5,76 56,9 0,09 ± 0,02

сем. Усачи (СегашЫс1<1ае), личинки 1,00 ± 0,58 1,6 1,00 ± 0,58

сем. Долгоносики (Сигси1юш<1ае), личинки 2,25 ± 1,15 3,6 2,25 ± 1,15

отр. Перепончатокрылые (Ыушепор1ега), личинки и куколки 4,25 ± 2,17 6,7 0,01 ± 0,01

сем. Муравьи (Рогш1с1<1ае), личинки и куколки 4,25 ± 2,17 6,7 0,01 ± 0,01

отр. Чешуекрылые (Бер1<1ор1ега), гусеницы 1,50 ± 0,72 2,4 0,10 ± 0,07

отр. Чешуекрылые (Бер1<1ор1ега), куколки 0,25 ± 0,25 0,4 0,05 ± 0,05

сем. Совки (Кос1ш<1ае), гусеницы 1,25 ± 0,70 2,0 0,05 ± 0,05

отр. Двукрылые (Б1р1ега), личинки 13,00 ± 1,39 20,6 0,10 ± 0,01

отр. Двукрылые (Б1р1ега), куколки 1,00 ± 0,58 1,6 0,01 ± 0,01

подотряд Круглошовные двукрылые (Сус1оггЬарЬа), личинки 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

сем. Ктыри (АвШСае), личинки 10,25 ± 1,41 16,2 0,07 ± 0,01

сем. Лжектыри Сйегеу1<1ае), личинки 1,25 ± 0,79 2,0 0,01 ± 0,01

сем. Зеленушки (БоНсЬоросШае), личинки 0,25 ± 0,25 0,4 <0,01

Это связано с тем, что живущие на солончаках насекомые, избегая контакта с почвенным раствором, обитают в вырытых в почве ходах и норах, т.е. в приповерхност-

ных слоях, где наблюдается высокая порозность почвы и сосредоточена основная масса корней. Следует отметить, что такое распределение животного населения в условиях Забайкалья вызвано еще и длительным зимним промерзанием, выхолаживанием всей почвенной толщи. Таким образом, совокупность экологических условий галоморфных почв неблагоприятна для мезоэдафона и в его составе доминируют ксерофильные и галорезистентные представители.

Выделяющийся с поверхности почвы углекислый газ служит интегральным показателем ее биологического состояния. Суммарная эмиссия С-СО2 в солончаках различается по годам исследований незначительно и варьирует в диапазоне от 300 до 318 гС/м2 (рис. 6). Наименьшие значения этого показателя отмечаются в сухой (количество осадков с мая по сентябрь составляло 77% от среднемноголетней нормы) и жаркий 2007 год.

Рис. 6. Суммарная оценка потока углерода с поверхности солончака глеевого

Динамика выделения углекислоты в 2006 и 2008 гг. сохраняла форму одновершинной кривой (рис. 7). Подобный ход кривой объясняется тем, что в июле-августе происходило максимальное развитие биоты, накопление тепла в верхних слоях почвы, увеличивалось дыхание корней, и эмиссия СО2 достигала своих наибольших абсолютных значений. Косвенно о высокой напряженности биологических процессов в этот период свидетельствовала и целлюлозолитическая активность (см. рис. 5). Во второй год режимных наблюдений наблюдалось несколько чередующихся подъемов и спадов эмиссии СО2 с поверхности почвы. «Пилообразный» вид кривой с мая по август объясняется аномальными высокими температурами в мае (среднемесячные температуры на 3,2°С превышали норму) и в июле (превышение на 2,6°С) и неравномерным выпадением осадков.

С02, г/м2/сут.

Рис. 7. Эмиссия СО2 с поверхности солончака глее-вого

Отмечается прямая положительная коррелятивная зависимость интенсивности выделения СО2 от влажности и температуры почвы в слое почвы 0-20 см во все годы исследования (г™ = 0,88).

Зависимость интенсивности эмиссии углекислоты с поверхности почвы от температуры и влажности почвы в слое почвы 0-20 см хорошо аппроксимируется следующим уравнением регрессии первого порядка:

ИЭ = -8,9670 + 0,5312Т + 0,5176Ж

где ИЭ — интенсивность эмиссии СО2 из почвы, г/м2/сут; Т — температура верхнего слоя почвы 0-20 см; W — влажность верхнего слоя почвы 0-20 см, %.

Выводы

Для засоленных почв чиевых степей характерно высокое содержание водорастворимых солей, обменного натрия, низкое содержание гумуса, и формируются они в условиях жесткого гидротермического режима.

Экологическими особенностями функционирования изученных биоценозов является водно-температурный режим, физико-химические свойства и засоленность почв. Эти факторы лимитируют функционирование фито- и микробоценоза, мезоэдафона, обусловливают их низкую продуктивность, численность и бедность видового разнообразия. 89% всех педобионтов и основная масса поземной фитомассы сосредоточены в приповерхностном слое почвы 0-10 см. Преобладающими семействами эдафона являются ксерофильные и галорезистентные чернотелки и ктыри, отсутствуют представители классов малощетинковых. В составе фитоценоза доминирует галофильный чий блестящий и отсутствуют бобовые.

По уровню выделения углекислоты исследованные почвы можно отнести к группе почв со средним уровнем продуцирования. Большое влияние на процесс выделения СО2 оказывает гидротермический режим почв. Выявлена положительная корреляционная зависимость выделения диоксида углерода с температурой и влажностью солончаков.

Работа поддержана проектами СО РАН 16.14 «Разработка системы комплексной индикации процессов опустынивания для оценки современного состояния экосистем Сибири и Центральной Азии, создание на ее основе прогнозных моделей и системы мониторинга» и 23.11 «Инвентаризация экосистем».

Литература

1. Пешкова Г. А. Степная флора Байкальской Сибири. М.: Наука, 1972. 207 с.

2. Бурятия: растительный мир. Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 1997. 250 с.

3. Королюк Т. В. О происхождении солей в природных водах бассейна р. Иволги Бурятской АССР // Почвоведение. 1970. № 4. С. 25-33.

4. Королюк Т. В. Химизм и степень засоления почв долины р. Иволги Бурятской АССР // Почвоведение. 1971. № 7. С. 92-100.

5. Митупов Ч. Ц. Засоленные почвы Иволгинской долины: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.: МГУ, 1973. 24 с.

6. Митупов Ч. Ц. О характере и причинах засоления почв Иволгинской долины Бурятской АССР // Биол. науки. 1967. № 6. С. 92.

7. Убугунов В. Л., Лаврентьева И. Н., Убугунова В. И., Меркушева М. Г. Разнообразие почв Иволгинской котловины: эколого-агрохимические аспекты. Улан-Удэ: БГСХА, 2000. 208 с.

8. Черноусенко Г. И., Ямнова И. А. О генезисе засоления почв Западного Забайкалья // Почвоведение. 2004. С.399-414.

9. Засоленные почвы России. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 854 с.

10. Преображенский В. С., Фадеева Н. В., Мухина Л. И., Томилов Г. М. Типы местности и природное районирование Бурятской АССР. М.: Наука, 1959. 218 с.

11. Агроклиматический справочник по Бурятской АССР. Л., 1960. 120 с.

12. Николаев И. В. О генезисе засоленных почв Бурят-Монгольской республики. Иркутск: Изд-во ИГУ, 1949. 27 с.

13. Уфимцева К. А. Степные и лесостепные почвы Бурятской АССР. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 150 с.

14. Ногина Н.А. Почвы Забайкалья. М.: Наука, 1964. 313 с.

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

16. Шалыт М. С. Методика изучения морфологии и экологии подземной части отдельных растений и растительных сообществ // Полевая геоботаника. М.; Л.: Наука, 1960. Т. 2. С. 369-447.

17. Гиляров М. С. Зоологический метод диагностики почв. М.: Наука, 1965. 278 с.

18. Шарков И. Н. Совершенствование абсорбционного метода определения выделения СО2 из почвы в полевых условиях // Почвоведение. 1987. №1. С. 127-133.

Статья поступила в редакцию 14 октября 2010 г.