Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические условия произрастания луговых трав на мерзлотных почвах западной и южной Якутии

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Семенова, Татьяна Николаевна, Якутск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт биологических проблем криолитозоны

Т.Н.Семенова

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПРОИЗРАСТАНИЯ ЛУГОВЫХ ТРАВ НА МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВАХ ЗАПАДНОЙ И ЮЖНОЙ ЯКУТИИ

Специальность: 06.01.03 - почвоведение 03.00.16 - экология

р£-М. 99

На правах рукописи УДК 631.432:551.525.2:(581.5:551.34)

Диссертация

на соискание ученой степени доктора биологических наук

Якутск, 1999.

Л

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................5

ГЛАВА 1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ

1.1. Геология и геоморфология.......................................................10

1.2. Гидрография и гидрогеология..................................................16

1.3. Геокриологические условия......................................................19

1.4. Климат.......................................................................................22

1.5. Почвы........................................................................................25

1.6. Растительность..........................................................................35

Выводы......................................................................................43

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Краткая характеристика экспериментальных площадок.........45

2.2. Пространственное варьирование влажности мерзлотных

пойменных почв........................................................................50

Выводы......................................................................................52

ГЛАВА 3. СВЕТОВЫЕ РЕСУРСЫ

3.1. Продолжительность освещения................................................56

3.2. Радиационный режим................................................................62

3.3. Режим фотосинтетически активной радиации..........................65

Выводы......................................................................................69

ГЛАВА 4. ТЕПЛО КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР ПРОИЗРАСТАНИЯ ЛУГОВЫХ ТРАВ В ЗАПАДНОЙ И ЮЖНОЙ ЯКУТИИ

4.1. Температура воздуха..................................................................76

4.2. Температура почвы....................................................................84

4.3. Показатели условий перезимовки.............................................90

4.4. Типология почв по температурному режиму............................96

4.5. Континентальность климата.................................................... 102

4.6. Температурный режим мерзлотных пойменных

и аласных почв......................................................................... 108

4.7. Температурный режим почв Южной Якутии...........................118

Выводы...................................................................................... 119

ГЛАВА 5. ВЛАГА КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР ПРОИЗРАСТАНИЯ ЛУГОВЫХ ТРАВ В ЗАПАДНОЙ И ЮЖНОЙ ЯКУТИИ

5.1. Водный режим мерзлотных пойменных почв сенокосных угодий

Водно-физические свойства мерзлотных пойменных почв..... 124

Водный режим мерзлотных пойменных почв.......................... 136

5.2. Водный режим мерзлотных пойменных почв

культурных пастбищ................................................................

Водно-физические свойства мерзлотных пойменных

дерновых почв.......................................................................... 169

Водный режим мерзлотных пойменных, дерновых почв культурных пастбищ................................................................ 173

5.3. Водный режим мерзлотных аласных почв сенокосных угодий Водно-физические свойства мерзлотных аласных

черноземно-луговых почв........................................................ 184

Водный режим мерзлотных аласных почв и водопотребление

по фазам развития многолетних трав...................................... 188

5.4. Водный режим почв Южной Якутии.......................................202

Выводы....................................................................................203

ГЛАВА 6. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ

ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРОИЗРАСТАНИЯ ЛУГОВЫХ ТРАВ 6.1. Влияние обработки на теплообеспеченность мерзлотных

пойменных почв......................................................................207

6.2. Влияние обработки и орошения на теплообеспеченность мерзлотных аласных почв.......................................................219

6.3. Влияние обработки на водный режим

мерзлотных пойменных почв..................................................

Влияние различных способов обработки на водно-физические

свойства мерзлотных пойменных почв...................................224

Влияние обработки на водный режим

мерзлотных пойменных почв..................................................241

6.4. Гидромелиорация сенокосных и пастбищных угодий...........259

6.5. Типология почв по режиму влажности...................................27:1

Выводы....................................................................................282

ГЛАВА 7. ПРОДУКТИВНОСТЬ ЛАНДШАФТОВ

ЗАПАДНОЙ И ЮЖНОЙ ЯКУТИИ.................................283

Выводы................................................................................291

ГЛАВА 8. ЭКОЛОГО- АГРОКЛИМАТИЧЕСКОЕ

РАЙОНИРОВАНИЕ .........................................................292

Выводы...............................................................................302

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.......................................................................303

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................308

ВВЕДЕНИЕ

Развитие промышленности на Севере сопровождается ростом городов и численности населения, усилением требований к организации рационального питания людей в суровых условиях климата.

В настоящее время потребность населения Республики Саха в молочных и мясных продуктах за счет местного производства удовлетворяется только на 55-60% (Матвеев, 1981). Естественные сенокосы и пастбища, на которых базируется животноводство, отличаются низкой урожайностью. Условия естественного увлажнения неблагоприятны для многолетних трав. Также отрицательными факторами являются суровость зимнего периода, повсеместное залегание многолетнемерзлых грунтов и резкая континентальность климата.

Основной целью данной работы является изучение гидротермического режима и физических условий мерзлотных почв на фоне разных погодных условий и разработка научно-обоснованных режимов орошения почв с учетом влажности, водопотребности и фазы развития многолетних трав, продолжительности вегетационного периода. Результаты же проведенных исследований необходимы для выработки научных основ поддержания оптимально-устойчивых природно-хозяйственных ландшафтов Якутии, что в свою очередь имеет большое практическое значение для сельскохозяйственного производства Республики Саха. В связи с этим особую актуальность приобретает изучение экологических условий произрастания луговых трав.

В задачи наших исследований входило:

1. Изучить температурный режим мерзлотных луговых почв.

2. Охарактеризовать физические и гидрологические свойства мерзлотных почв.

3. Установить изменения агрофизических свойств почв в зависимости от обработки.

4. Выявить закономерности формирования урожая сенокосных и пастбищных трав.

Изучение этих и других закономерностей температурного и водного режима мерзлотных почв, а также поиск возможностей их использования и регулирования являлись отправной точкой наших исследований.

Исходные материалы. Основу данной работы составляют материалы исследований автора, собранные в 1966-1978 гг. при выполнении плановых и хоздоговорных работ в составе лаборатории почвоведения Якутского института биологии СО РАН. Работы проводились для обоснования приемов поверхностного и коренного улучшения пойменных лугов долины реки Лены (Регистрационный № 69011267), а также приемов и норм мелиорации мерзлотных почв Якутии по теме: "Разработка теории повышения плодородия и рационального использования почв Якутии (Регистрационный № 77004623 по разделу:. Агрофизические свойства и водный режим орошаемых и неорошаемых мерзлотных аласных почв).

Для изучения климата почв проведена статистическая обработка данных многолетних наблюдений более тридцати гидрометеостанций Якутского территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, расположенных в различных природных зонах, также приводятся результаты экспедиционных исследований автора на трех стационарах.

Научная новизна. 1. Для экологической оценки температурного режима нами впервые определены расчетным путем: коэффициенты выхолаживания, минимальная температура на узле кущения (3 см), коэффициенты нагреваемос-ти, континентальность климата почв, суммы температур в разных типах почв под естественным покровом на различных глубинах, суммы общего тепла, ак-

тивных и эффективных температур выше 5° и 10°С на различных вариантах обработки почв. Полученные результаты применены при составлении типологии почв по температурному режиму.

2. Для экологической оценки водного режима впервые подсчитаны коэффициенты увлажнения по данным 28 метеостанций различных природных зон и подзон Якутии. В результате этого расчета составлена типология почв по режиму влажности этих регионов.

3. Рассмотрены вопросы оптимизации экологических условий произрастания луговых трав в зависимости от эколого-ландшафтных условий местообитания.

4. Впервые рассчитан программируемый урожай луговых трав по всем природным зонам Западной Якутии.

5. Эколого-агроклиматическое районирование дает возможность разработке конкретных рекомендаций по гидромелиорации лугов и пастбищ различных природных ландшафтов.

Защищаемые положения. 1. Специфика гидротермического режима в зависимости от экологических условий сенокосных и пастбищных угодий (пойма и ал асы).

2. Влияние своеобразия гидротермического режима мерзлотных пойменных, аласных почв на их агрофизические свойства.

3. Влияние поверхностного и коренного улучшения лугов и пастбищ на агрофизические свойства и гидротермический режим почв, на продуктивность трав.

Научно-прикладное значение. Установление параметров изменения климата мерзлотных луговых почв и их развитие в конкретных ландшафтно-экологических условиях Западной и Южной Якутии.

Полученные нами материалы могут служить источником информации при решении практических и теоретических вопросов почвоведения, луговодства, главным образом, при обосновании агротехнических и мелиоративных приемов регулирования гидротермических условий жизни растений, при бонитировке почв и определении их биологической продуктивности, а также для обоснования наиболее рациональных способов использования и охраны природы Западной и Южной Якутии.

Теоретические положения работы могут быть использованы в общих и региональных лекционных курсах по почвоведению в высших и средних учебных заведениях.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались:

- на всесоюзной конференции по мерзлотным почвам (Якутск, 1969).

- на всесоюзных симпозиумах по биологическим проблемам Севера (Якутск, 1974; Петрозаводск, 1976; Магадан, 1983; Якутск, 1986).

- на всесоюзном совещании "Пути интенсификации сельского хозяйства Крайнего Севера (Якутск, 1977; Магадан, 1980).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 24 статьях и трех монографиях (одна в соавторстве).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, предложений производству и списка литературы. Работа изложена на 336 страницах машинописного текста, включает 63 таблицы, 27 рисунков. Список использованной литературы содержит 327 источника, в том числе 21 на иностранном языке.

Автор выражает искреннюю признательность д.с.-х.н., заслуженному деятелю науки России, профессору Л.Г.Еловской за постоянное содействие в работе, д.б.н. А.К.Коноровскому, д.б.н., академику АН РС (Я) Д.Д.Сав-

винову, к.б.н. Р.В.Десяткину и Е.И.Петровой за полезные советы при обработке материала и написании работы, д.б.н., академику АН РС (Я) Г.В. Денисову за помощь в выполнении полевых работ в Нюрбинском стационаре.

ГЛАВА I

1. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ 1.1. Геология, геоморфология и рельеф

Несмотря на разнообразие природных условий Якутии, в них проявляются определенные физико-географические закономерности, позволяющие выделить ряд районов.

С.С.Коржуев (1965) подразделяет территорию Якутии на три крупные части: западную, восточную и южную (рис. 1.1.1). При проведении физико-географического районирования учитываются все природные элементы, но роль ведущего элемента районирования несомненно очень важна. В условиях равнин и плато Западной Якутии ведущими признаками зональности являются почвы и растительность. При этом следует подчеркнуть, что они как индикатор сильно реагируют на изменение рельефа, почвенных, климатических, мерзлотных и других элементов физико-географической среды. Основными признаками для южной части Якутии служит рельеф, от которого зависит характер растительности и почвенного покрова, климата, а также других элементов природы, отражающихся в вертикальной поясности (Коржуев, 1965).

Восточная часть Северо-Сибирского плоскогорья между низовьями Ана-бара и Лены занята Анабаро-Ленской низменной равниной, которая по своей геологической структуре относится к Лено-Анабарскому внутриплатформен-ному прогибу Сибирской платформы, сложенному мезозойскими отложениями. Рельеф слабо расчленен, с относительными высотами до 15-20 м над ур. м. Водораздельные пространства имеют высоту до 50-100 м над ур. м. По южному краю Анабарского массива расположены столовые трапповые поверхности высотой до 200 м над ур. м. Следует указать, что здесь развит сложный полиго-

Море Восточно - Си-

Рис.. 1.1.1. Карта Республики Саха (Якутия). Физико-географические провинции, по С.С.Коржуеву (1965): I- Западная Якутия; II - Восточная Якутия; III - Южная Якутия. Гранины: 1 - Республики Саха (Якутия); 2 - провинций.

нально-озерный, тетрагонально-валиковый, полигонально-валиковый, тетрагонально-бугристый и озерно-котловинный мезо- и микрорельеф.

Анабаро-Оленекское пластовое плато сложено нижнепалеозойскими полого залегающими, преимущественно карбонатными известняками - доломитовыми отложениями, высота которого достигает 905 м над ур. м. Здесь господствуют два основных типа рельефа: пластово-ступенчатое плато и останцевое плоскогорье. На территориях развития траппов выделяются пластово-трапповые плато с характерным бронированным рельефом в виде останцевых поверхностей.

Верхне/вилюйское пластово-трапповое плато расположено на стыке Тунгусской и Вилюйской синеклиз и Анабарского массива и сложено преимущественно нижнепалеозойскими известково-доломитовыми породами, а также траппами. Рельеф здесь типично структурно-денудационный и представлен смешанными пластово-трапповыми плато, высоты которых достигают 600-700 м над ур. м. Затем выделяется водораздельная трапповая гряда на междуречье Оленека и Вилюя с наибольшими высотами (915-921 м над ур. м.) по всей Западной Якутии. Наивысшая высота достигает 962 м над ур. м. Здесь повсюду встречаются трапповые дайки, которые выделяются в рельефе в виде высоких гряд и гребней.

В восточном направлении Среднесибирское плоскогорье постепенно переходит в Центрально-Якутскую равнину, которая представляет собой область устойчивого опускания и осадконакопления в мезозойское, а в центральной части и кайнозойское время. В ее сложении встречаются преимущественно тер-ригенные, в том числе угленосные отложения юрского, мелового и в отдельных впадинах неогенового возраста. Широко развиты четвертичные отложения -озерно-ледниковые и аллювий рек Лены, Вилюя, Алдана и их притоков.

Геологическая история долины р.Лены четвертичного периода отражена в сложной серии террас. М.Н.Алексеев и Н.С.Чеботарева (1957) выделяют две пойменных и восемь надпойменных террас. Высоты их следующие: I - 18-20, II -25-30, III - 35-40, IV - 50-60, V - 70-80, VI - 100-120, VII - 150-170 и VIII - 200-250 м над меженью реки.

Аллювий пойменных террас имеет мощность 15-20 м и представлен мелкими, реже среднезернистыми песками, иногда внизу с включениями гравия и гальки (Соловьев, 1959).

Обычно в поймах крупных рек имеются три типа аллювия, которые в своем развитии связаны друг с другом (Шанцер, 1966).

Поймы крупных рек по характеру почвенно-растительного покрова подразделяются на ряд участков. В.Р.Вильяме (1919) в пределах пойм рек Русской равнины выделял прирусловую, центральную и притеррасную пойму. Для рек бассейнов северных морей начало вскрытия с верховьев характеризуются заторными явлениями в период весеннего паводка и большими колебаниями продолжительности и высоты паводков по годам. В пределах поймы р.Лены можно выделить 3 уровня:

1) низкая пойма, высотой над меженью до 6м;

2) средняя пойма, высотой над меженью 7-9 м;

3) высокая пойма, высотой над меженью 9-12 м.

Для поймы р.Лены характерен увалистый мезорельеф. Глубокие понижения заняты озерами и старицами.

Современная долина р.Вилюя включает пойменную, I и II надпойменные террасы (голоцен и верхний плейстоцен). Поверхность имеет увалисто-лощинный мезорельеф. Пойменные террасы - аккумулятивные, а все остальные - эрозионно-аккумулятивные. Строение их двучленное, с выделением русловых

песчано-галечных и суглинисто-супесчаных отложений пойменной фации (Зольников, 1954).

Древняя аллювиальная равнина (нижний, средний и верхний плейстоцен) на территории Вилюйского бассейна образована серией надпойменных террас (III и VII, по Алексееву, 1961), характеризуется своеобразным таежно-аласным ландшафтом. Материнские породы - суглинистые и супесчаные аллювиальные отложения.

Здесь богато представлены мерзлотные формы рельефа в виде бугров пучения и гидролакколитов, вызванных процессами термокарста, солифлюкцион-ными и криогенными явлениями (Качурин, 1961; Соловьев, 1959; Общее мерзлотоведение, 1974).

Существенной и специфической особенностью аллюви