Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-географическая оценка почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая с использованием ГИС-технологий

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Эколого-географическая оценка почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая с использованием ГИС-технологий"

На правах рукописи

БЕЗБОРОДОВА Анна Николаевна

ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА МЕЖГОРНЫХ СТЕПНЫХ КОТЛОВИН ГОРНОГО АЛТАЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

О 5 СЕН 2013 005532671

Новосибирск -2013

005532671

Работа выполнена в лаборатории почвенно-физических процессов Институт почвоведения и агрохимии СО РАН.

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент

Дитц Людмила Юрьевна.

Официальные оппоненты: Дергачева Мария Ивановна,

доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории биогеоценологии Института почвоведения и агрохимии СО РАН;

Доможакова Евгения Александровна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории биоразнообразия и геоэкологии Тувинского института комплексного освоения природных ресурсов СО РАН.

Ведущая организация: Томский государственный университет.

Защита состоится 10 октября 2013 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.013.01 при Институте почвоведения и агрохимии СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 8/2, ИПА СО РАН. Тел./факс: (383) 363-90-25. E-mail: soil@issa.nsc.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН.

Автореферат разослан «/¿3» -¿¿/дцЦ. 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Якименко В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Горные территории, в том числе межгорные степные котловины, являются хрупкими экосистемами, особенно чувствительными к антропогенным воздействиям. Увеличение нагрузки на окружающую среду, вызванное хозяйственной деятельностью, выдвигает на первый план создание научных основ экологического контроля состояния почв. Чрезмерная антропогенная нагрузка к настоящему времени привела к изменению почвенно-растительного покрова, представляя собой серьезную угрозу для местных экосистем; существует необходимость учета нагрузки на почвенный покров и уровня его плодородия с учетом всего разнообразия экологических условий функционирования почв. Ранее эколого-географическая оценка была проведена лишь для отдельных локальных территорий, зачастую без использования новых методов исследования. Применение ГИС-технологий позволяет создавать тематические карты и цифровые модели рельефа для научно-практических целей, что дает возможность более детально представить особенности строения почвенного покрова изучаемых территорий, диагностировать изменения его состояния в результате антропогенных воздействий и использовать как основу для мониторинга состояния ландшафтов. В связи с тем, что межгорные степные котловины Горного Алтая являются наиболее ценными территориями с точки зрения сельскохозяйственного использования, эколого-географическая оценка их почвенного покрова с позиции единых подходов и географического разнообразия является актуальной и имеет научно-практическую значимость.

Цель работы - провести эколого-географическую оценку почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая для обеспечения основы рационального природопользования и мониторинга состояния земель.

Задачи исследования:

1. Дать характеристику факторов почвообразования: геолого-геоморфологического строения, гидрографии, почвообразующих пород, климата и растительности и показать их влияние на свойства почв и пространственную дифференциацию почвенного покрова межгорных степных котловин в системе вертикальной поясности.

2. Создать среднемасштабные почвенные карты ключевых участков Уймонской, Курайской и Чуйской котловин с использованием ГИС-технологий и данных дистанционного зондирования.

3. Изучить морфологические и физико-химические свойства почв и провести сравнительно-географический анализ почвенного покрова межгорных степных котловин с учетом нарастания аридности.

4. Создать цифровые модели рельефа межгорных степных котловин на основе данных радарной топографической съемки для отражения взаимосвязи геоморфологических особенностей строения и почвенного покрова.

5. На основе полученных материалов провести комплексную оценку почвенного

покрова межгорных степных котловин Горного Алтая с использованием коэффициента котловинности, гидротермического коэффициента, индекса аридности и почвенно-экологического индекса с целью создания подробной основы для хозяйственного использования и мониторинга земель.

Защищаемые положения:

1. Контрастность эколого-географических условий почвообразования в межгорных степных котловинах Горного Алтая определяется особенностями их строения и процессами тепло- и влагообмена, обусловливающими в своем сочетании аридность территории, степень проявления которой повышается в ряду исследованных котловин Уймонская —> Курайская —» Чуйская.

2. Применение почвенно-экологического индекса как интегральной характеристики состояния почвенного плодородия позволяет ранжировать почвы и почвенный покров межгорных степных котловин Горного Алтая с целью определения пригодности территорий для сельскохозяйственного использования.

Научная новизна. Впервые на основе ГИС-технологий созданы среднемасштаб-ные почвенные карты исследуемых территорий, позволившие провести детальное сравнение комплексности почвенного покрова и использовать их как основу для сельскохозяйственной оценки земель. Раскрыто влияние котловинного эффекта на дифференциацию почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая. Впервые проведена эколого-географическая оценка почв и почвенного покрова межгорных степных котловин с учетом их положения в системе высотной поясности, структурно-геоморфологического строения, биоклиматических условий и свойств почв.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования полученных данных для углубления сравнительно-географической оценки почвенного покрова горных областей. Результаты исследований могут быть применены для создания основы рационального использования, мониторинга состояния земель и эколого-географической экспертизы межгорных степных котловин Горного Алтая.

Апробация работы. Основные положения работы были представлены на Ковалевских молодежных чтениях «Почвы Сибири - прошлое, настоящее, будущее» (Новосибирск, 2011), Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы генезиса, географии и картографирования почв» (Томск, 2011), Всероссийской научной конференции Докучаевские молодежные чтения «Почва как природная биогеомембрана» (Санкт-Петербург, 2012), Международной научной молодежной школе по палеопочвоведению «Палеопочвы - хранители информации о природной среде прошлого» (Новосибирск, Алтайский край, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, включенных в «Перечень...» ВАК РФ.

Структура работы. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 157 страниц, включая 25 рисунков и 29 таблиц. Список литературы включает 216 источников, в том числе 7 иностранных.

Личный вклад: автором проведены полевые и лабораторные исследования, интерпретированы полученные результаты, обоснованы выводы, обобщены и опубликованы материалы исследований.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность научному руководителю, кандидату биологических наук, доценту Людмиле Юрьевне Дитц, сотрудникам лаборатории почвенно-физических процессов ИПА СО РАН за консультации и постоянную помощь при проведении полевых и лабораторных исследований почв.

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА МЕЖГОРНЫХ СТЕПНЫХ КОТЛОВИН ГОРНОГО АЛТАЯ

История исследования почв межгорных котловин Горного Алтая насчитывает более ста лет. Издан ряд научных трудов по результатам изучения почв этого региона, проведенных многими авторами [Выдрин, Ростоцкий, 1899; Смирнов, 1910; Петров, 1952; Горшенин, 1955; Панфилов, 1956, 1964; Орловский, 1959; Волковинцер, 1965, 1966, 1978; Хмелев, 1966, 1968; Почвы..., 1973; Мальгин, 1978; Кудряшова, Дитц, 2009; Зольников и др., 2010; и др.].

Анализ литературных материалов позволил заключить, что исследования состава, состояния и свойств почв и почвенного покрова Горного Алтая, проводившиеся на протяжении более века, обеспечили накопление обширного фактического материала. Данный материал представляет собой большой потенциал для проведения исследований по интерпретации и оценке почвенного покрова региона, в частности, почв межгорных котловин, являющихся основной сельскохозяйственной базой этой горной страны. В то же время, интенсивное сельскохозяйственное воздействие на почвы и почвенный покров межгорных степных котловин поставило новые научные задачи. Решение этих задач может быть осуществлено за счет проведения эколого-географической оценки, поскольку она включает в себя, помимо собственно почвенных свойств, такие характеристики, как геоморфологическое строение и биоклиматические условия, с использованием новых цифровых методов и технологий.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объектом исследования является почвенный покров межгорных степных котловин Горного Алтая — Уймонской, Курайской и Чуйской, расположенных в пределах двух ландшафтных провинций - Центральной и Юго-Восточной. В исследуемых котловинах были выделены ключевые участки, площадь которых составляет: в Уймонской 11,53 тыс. га, в Курайской 17,97 тыс. га и в Чуйской — 96,82 тыс. га. Выбор ключевых участков определялся, прежде всего, тем, что они объективно отражают структуру почвенного покрова данных котловин и содержат основные типы и подтипы почв, характерных для указанных провинций.

2.2. Методы исследования. Геоинформационное картографирование почв и почвенного покрова осуществлялось с использованием программ Erdas Imagine 8.7 и Maplnfo Professional. Физико-химические исследования почв выполнены по общепринятым методикам [Качинский, 1958; Аринушкина, 1970; Агрохимические методы..., 1975]. Почвенно-экологическая оценка исследуемых территорий с расчетом почвенно-экологического индекса проводилась по ряду методик [Шишов и др., 1987, 1991; Дурманов, 1990; Карманов, 1990; Карманов и др., 1991; 2002]. Ландшафтный анализ с расчетом эффекта котловинности осуществлен по методике В.В. Севастьянова [1998]. Полученный обширный материал обработан методом математической статистики с применением программы MS Excel.

ГЛАВА 3. ФАКТОРЫ ПОЧВООБРОЗОВАНИЯ И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА МЕЖГОРНЫХ СТЕПНЫХ КОТЛОВИН ГОРНОГО АЛТАЯ

3.1. Положение в системе вертикальной поясности. Анализ факторов начинается с раскрытия роли высотной поясности в формировании и дифференциации почвенного покрова исследуемых межгорных степных котловин, обусловленного изменчивостью факторов почвообразования с высотой местности [Захаров, 1937, 1948; Герасимов, 1948; Петров, 1952; и др.].

3.2. Геологическое и геоморфологическое строение. Исследуемые межгорные котловины характеризуются сложным геолого-геоморфологическим строением и сформированы в ходе длительной геологической истории. Они являются обособленными геоморфологическими районами, включающими следующие элементы рельефа: выраженное горное обрамление в виде высоких хребтов с превышением 2,0-2,7 км над местным базисом эрозии, чашеобразное строение с мощной толщей рыхлого заполнения; наличие выработанной долины крупной реки с надпойменными террасами, обширные подгорные шлейфы, конусы выноса многочисленных временных водотоков и территории с моренными всхолмлениями [Обручев, 1927; Нехорошее, 1958; Воскресенский, 1962; Девяткин, 1965; Вдовин, 1976; Волков, 1977; Адаменко и др., 1983; и др.].

3.3. Подстилающими и почвообразующими породами межгорных котловин являются делювиально-пролювиальные, элювиальные, аллювиальные, а также водно-ледниковые и озерно-ледниковые отложения. Характерной особенностью почвообра-зующих пород являются скелетность, легкость гранулометрического состава мелкозема, рыхлость сложения [Щукина, 1953,1954, 1960; и др.].

3.4. Гидрографические особенности исследуемых территорий отражают специфику геолого-геоморфологического строения и определяют распределение элементов речной сети. Недостаточная обводненность Курайской и Чуйской котловин отражается на течении процесса почвообразования. Кроме того, в силу положения рассматриваемых территорий в системе климатических зон имеет место распространение мно-

голетней мерзлоты. Высокая обводненность Уймонской котловины влияет на изменение гидротермических условий и распределение веществ в почвах исследуемой котловины [Марусенко, Минин, 1961; Комлев, Титова, 1966; Фащевский, 1967; и др.].

3.5. Климат каждой из котловин специфичен, определяется не только географической широтой и направленностью окаймляющих хребтов, но и местными условиями (высотой над уровнем моря, прозрачностью атмосферы, уровнем солнечной радиации и замкнутостью котловин, местными ветрами (фенами), температурной инверсией) [Климатический ..., 1956; Модина, 1997; Сухова, Русанов, 2004; и др.].

3.6. Растительный покров в связи со специфичностью природных условий очень разнообразен. В соответствии с классификацией степной растительности [Куминова, 1960], каждой котловине соответствует определенный класс растительной формации: Уймонской котловине - луговые, Курайской - настоящие и Чуйской - опустыненные степи. В соответствии с этим в почвенном покрове первой из котловин преобладают черноземы обыкновенные и южные, в Курайской котловине - каштановые почвы, а в Чуйской - степные криоаридные.

Таким образом, отмеченные особенности геологического строения и геоморфологии исследуемых котловин определяют характерные черты их климата, растительного покрова, почвообразующих пород и в целом всего комплекса экологических факторов, влияющих на формирование почвенного покрова и основные закономерности распределения почв, что обязательно следует учитывать при их обследовании и эко-лого-географической оценке.

ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ИССЛЕДУЕМЫХ КОТЛОВИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

4.1. Геоинформационный подход к картографированию почв и почвенного покрова обеспечивает возможность сделать детальное описание строения поверхности исследуемой территории, особенностей почвенного покрова, создать условия для объективного отображения пространственной вариации почвообразовательных процессов, поскольку они имеют выраженное пространственное распределение [Кудряшова и др., 2012]. В основу создания тематических почвенных карт положен метод визуального дешифрирования, включающий в себя операции распознавания объектов и фиксации на снимках их положения или границ распространения. Обработка космических снимков проведена в программной среде Erdas Imagine 8.7, цифровые почвенные карты были созданы в программе Maplnfo Professional с последующим конвертированием полученных данных в общедоступные для современных геоинформационных систем форматы. Информативность космических снимков, использованных в качестве растровых изображений, позволила создать почвенные карты ключевых участков в масштабе 1:100000. Проведенные исследования показали, что особенностью дешифрирования черноземных почв Уймонской котловины является их приуроченность к повышенным, хорошо дрениро-

ванным элементам рельефа, а именно: к центральной части котловины и к склонам южной экспозиции. В настоящее время черноземные почвы большей частью распаханы. Дешифровочными признаками для черноземов являются текстура изображения и форма контуров культурных ландшафтов. Однородность изображения данных почв на спектро-зональных снимках обусловлена монокультурами или отображением поверхностного гумусового горизонта (поля под паром). Незначительное содержание гумуса в черноземах южных, малая мощность гумусового горизонта и среднесуглинистый гранулометрический состав при высоком залегании карбонатного горизонта накладывают определенный отпечаток на насыщенность цвета контуров данных почв. При отсутствии явно выраженных элементов микрорельефа, по общему тону черноземов можно отметить слабонасыщенные размытые крупнопятнистые вкрапления менее гумусированных разностей черноземов, причиной которых может быть деградация пахотных угодий в результате эрозионных процессов. Дешифрирование космических снимков Курайской и Чуй-ской котловин с почвенным покровом темно-каштановых, каштановых и светло-каштановых почв опирается на особенности естественной растительности, степень проективного покрытия, содержание карбонатов и солей на поверхности, степень щебнисто-сти. Эти свойства увеличивают отражательную способность, что наглядно отображается яркостью цвета контура и его контрастностью. Гидроморфные почвы, к которым относятся луговые и аллювиальные, распознаются по приуроченности к центральной, наиболее пониженной части котловин - к долинам рек Чуй и Катуни. При дешифрировании солончаковых почв Чуйской котловины учитывается их приуроченность к многочисленным термокарстовых озерам, расположенным в долине р. Чуй.

4.2. Почвенный покров Уймонскон котловины представлен черноземами южными и обыкновенными. Для данного ключевого участка площадью 11,53 тыс. га была составлена почвенная карта. Черноземы обыкновенные и южные распространены не только на днище котловины, но и на остатках высоких древних террас южных склонов Терехтинского хребта и на северных склонах Катунского хребта (рис. 1).

По отношению площади ключевого участка Уймонской котловины к количеству выделенных в его границах почвенных контуров, был получен относительный коэффициент, равный 2,14, который характеризует количество почвенных выделов на единицу площади.

По гранулометрическому составу черноземы обыкновенные являются тяжелосуглинистыми иловато-крупнопылеватыми, а черноземы южные характеризуются как среднесуг-линистые песчанно-иловатые. Содержание гумуса в пахотном слое черноземов обыкновенных составляет 6-8%, а в черноземах южных - 2—4%. С глубиной количество гумуса уменьшается. Следовательно, характер распределения гумуса по профилю рассматриваемых почв определяется как особенностями почвенно-гидротермических условий. Реакция среды черноземов обыкновенных в горизонте А близка к нейтральной (рНюд 7,3), вниз по профилю изменяется до щелочной (рН 8,3). Реакция среды черноземов южных изменяется от слабощелочной в гумусовом горизонте (рН т 7,7) до щелочной в нижней части

профиля (рН вод 8,9). Содержание карбонатов в черноземах обыкновенных составляет 2,3-17,0%; в черноземах южных содержание карбонатов от 1,8 до 11,2%. Сумма поглощенных катионов в пахотном слое черноземов обыкновенных составляет 21,0-31,9 мг-экв на 100 г почвы, а в черноземах южных 28,5-29,1 мг-экв на 100 г почвы. В составе обменных катионов основная роль принадлежит кальцию и магнию (25,6-30,8 мг-экв на 100 г почвы). Судя по данным анализа подвижных форм питательных веществ для всех культур, черноземы обыкновенные высоко обеспечены калием (74,2-82,3 мг/100 г почвы), а обеспеченность фосфором является средней (1,4-1,6 мг/100 г почвы). Черноземы южные для зерновых культур имеют среднюю обеспеченность как калием (25,3-26,8 мг/100 г почвы), так и фосфором (3,1-3,9 мг/100 г почвы). Черноземы обыкновенные Уймонской котловины не засолены, поскольку сумма водорастворимых солей в них не превышает 0,08-0,09%. Но в ряде случаев выявляются исключения; в профиле черноземов южных в горизонте Ск обнаруживается гипс, тогда как сумма солей достигает 0,2%.

ПО'ШЫ

Наименование почвы

| Черноземы обыкновенные глубоковекппающне

Черноземы южные маломощные слабосмьпые Черноземы слаВораантче непаянопрофиньныс

7 ..I Луговые маломощные тучные * Аллювиальные луговые » Аллювиальные дерновые

^__ Аллювиальные примитивные

11 Горно-лесные черноземовнди»1е

Примитивные почвы щебнистых склонов

Русло реки Катуии

Чсриозсмно-луговые маломощные

Рис. 1. Почвенная карта ключевого участка Уймонской котловины

Таким образом, черноземы обыкновенные Уймонской котловины - наиболее плодородные и подходящие для земледелия почвы Горного Алтая. Менее ценными являются черноземы южные маломощные.

4.3. Почвенный покров Курайской котловины представлен темно-каштановыми и каштановыми почвами. С использованием геоинформационного дешифрирования космических снимков была составлена почвенная карта ключевого участка, имеющего площадь 17,97 тыс. га (рис. 2).

По отношению площади ключевого участка Курайской котловины к количеству выделенных в его границах почвенных контуров был получен относительный коэффициент, равный 3,72, который характеризует количество почвенных выделов на единицу площади.

По сравнению с Уймонской котловиной значение относительного коэффициента увеличилось более чем на 30%, что свидетельствует о большем разнообразии почвенного покрова, связанного с большим разнообразием, как ландшафтных, так и биоклиматических условий почвообразования.

Исследуемые темно-каштановые почвы содержат в верхних горизонтах 33,143,4% физической глины. Этому способствуют интенсивно идущие процессы внутри-почвенного выветривания. Каштановые почвы характеризуются среднесуглинистым гранулометрическим составом, так как формирование их происходит на коренных породах и грубых наносах. Количество гумуса варьирует от 4 до 5% в темно-каштановых почвах и от 2 до 3% в каштановых. Верхние горизонты темно-каштановых и каштановых почв имеют слабощелочную и щелочную реакцию среды, а нижележащие горизонты, где присутствует значительное количество углекислых солей кальция - щелочную. Количество углекислых солей кальция наиболее резко возрастает на глубине 30-40 см, достигая в темно-каштановых 20,1-25,3%, и в каштановых почвах - 12,4-15,9%. Верхняя граница максимума карбонатов обычно приурочена к нижней части гумусового горизонта, совпадающей с наибольшей глубиной проникновения основной массы корней растений. Темно-каштановые почвы отличаются небольшой величиной поглотительной способности: сумма поглощенных катионов в горизонте А составляет 16,4-24,8 мг-экв на 100 г почвы, а в каштановых 9,416,7 мг-экв на 100 г почвы. Обеспеченность темно-каштановых почв подвижными формами фосфатов относительно низка (1,2-2,4 мг/100 г почвы), а подвижными формами калия - высока (88,4—82,4 мг/100 г почвы). Обеспеченность элементами питания каштановых почв заметно ниже, чем темно-каштановых: содержание подвижного фосфора 0,4-0,9 мг/100 г почвы, а подвижного калия - 48,6-55,0 мг/100 г почвы. Результаты анализа водных вытяжек указывают на то, что обычно темно-каштановые и каштановые почвы не засолены (сумма водорастворимых солей от 0,03 до 0,08%). В нижних горизонтах преобладает сульфат кальция и в меньшей степени представлены соли натрия и магния.

Темно-каштановые и каштановые почвы Курайской котловины, отличаются своеобразием морфологии и физико-химических свойств. Они не являются аналогами почв сухих степей равнинных территорий, а представляют собой самобытные почвы, сформировавшиеся в экстраконтинентальных условиях горной территории.

В структуре почвенного покрова Курайской котловины наиболее высоким плодородием характеризуются каштановые и лугово-каштановые почвы. В настоящее время они используются как сенокосы и пастбища. На локальных орошаемых участках лугово-каштановых почв возделываются сеяные сенокосы.

4.4. Почвенный покров Чуйской котловины. Площадь ключевого участка Чуй-ской котловины составляет 96,82 тыс. га (рис. 3).

По отношению площади ключевого участка Чуйской котловины к количеству выделенных в его границах почвенных контуров был получен относительный коэффициент, равный 11,52. Разнообразие ландшафтного строения и биоклиматических условий определили самый высокий относительный коэффициент среди исследуемых котловин и, следовательно, и наибольшее разнообразие почвенного покрова по сравнению с Уймонской и Курайской котловинами.

II л /// / 1 1АН-7 " / ) 0624-В

Код почвы Наименование почвы Площадь, тыс. га %от площади

1 Каштановые маломощные щебнистые 18.88 19,5

3 Каштановые маломощные щебнистые орошаемые 4,22 4.4

3 Светло-кацггановые пустынно-степные маломощные щебнистые 24.47 25,3

< Лугово-каштановые маломощные 9,39 9,7

5 Луговые солотаковатые в комплексе с солончаками 5,95 6.1

6 Болотные торфяннсто-глеевые солончаковатые 9,00 9,3

7 Аллювиальные лугово-болотные 4.91 5.1

« Аллювиальные луговые солончаковатые 5.40 5.6

<1 Аллювиальные прнмтгшвные снльнощебннстые 6,38 6.6

м Горно-степные каштановндные 1.42 1,5

11 Слаборазвитые почвы каменистых склонов 6.80 7.0

Рис. 3. Почвенная карта ключевого участка Чуйской котловины

Каштановые и светло-каштановые почвы характеризуются средне- или легкосуглинистым гранулометрическим составом; формирование этих почв происходит на среднесуглинистых наносах и супесях, в основном озерно-флювиогляциального генезиса. Содержание гумуса в гумусовом горизонте каштановых почв составляет от 3,4— 3,8%, а в светло-каштановых от 0,7-1,5%. С глубиной количество гумуса резко убывает. В каштановых почвах карбонаты кальция обнаруживаются с глубины 12 см, а в светло-каштаиовых — с поверхности. Вблизи верхней границы карбонатного горизонта содержится от 2 до 18% СаС03. Реакция среды в верхнем горизонте каштановых почв слабощелочная, а в светло-каштановых, содержащих много углекислого кальция, она щелочная (рНвод 8,1-8,9). Поглотительная способность каштановых и светло-каштановых почв небольшая. В гумусовом горизонте она едва достигает 20,9 и 16,8 мг-экв на 100 г почвы соответственно. Сумма поглощенных катионов уменьшается постепенно вниз по профилю в каштановых почвах и резко уменьшается в светло-каштановых почвах вместе с уменьшением содержания гумуса и илистых частиц. Обеспеченность каштановых почв подвижными формами фосфатов относительно низка: 1,5-1,7 мг/100 г почвы, а подвижными формами калия - высока 53,5-58,4 мг/100 г почвы. Обеспечен-

ность элементами питания светло-каштановых почв заметно ниже, чем каштановых: содержание подвижного фосфора 0,5-1,3 мг/100 г почвы, а подвижного калия - 24,542,4 мг/100 г почвы. Результаты анализа водных вытяжек показывают, что в каштановых почвах содержится сравнительно мало легкорастворимых солей - 0,03-0,04%, а в светло-каштановых содержание солей существенно возрастает, особенно в нижней части профиля - 0,08-1,02%. Рассмотренные каштановые почвы Чуйской котловины сходны по своим свойствам и признакам с аналогичными почвами Курайской котловины. Но отличаются от последних менее дифференцированным морфологическим профилем, меньшим содержанием гумуса и большей степенью щебнистости [Безбо-родова, Миллер, 20116]. Вероятно, в силу низкой температуры воздуха, высокого местоположения над уровнем моря, наличия многолетней мерзлоты каштановые почвы Чуйской котловины можно отнести к криоаридным почвам [Волковинцер, 1978].

Таким образом, почвенный покров трех исследуемых межгорных степных котловин можно выстроить в генетический ряд, в котором последовательно (с изменением высоты над уровнем моря, увеличением степени континентальности и аридно-сти) происходит как смена состава почвенного покрова, так и нарастание его пространственной дифференциации. В этом ряду отчетливо выявляется переход от черноземных почв Уймонской котловины к каштановым почвам Курайской котловины и к криоаридным их подтипам, свойственным сухим и опустыненным степям Чуйской котловины.

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА МЕЖГОРНЫХ СТЕПНЫХ КОТЛОВИН ГОРНОГО АЛТАЯ

Понятие «эколого-географическая оценка» до настоящего времени не является строго определенным. В данной работе в это понятие вкладывается, прежде всего, учет эколого-географических условий исследуемых территорий и их современное экологическое состояние (свойства почв). Исходя из этого, эколого-географическая оценка почвенного покрова межгорных степных котловин включает в себя создание цифровых 3D моделей рельефа, построение геоморфологических профилей, расчет эффекта котловинности, гидротермических коэффициентов, индекса аридности и почвенно-экологического индекса.

5.1. Коэффициент котловинности и биоклиматические индексы как показатели условий формирования почвенного покрова. Для отражения геоморфологических особенностей строения исследуемых межгорных котловин на основе данных SRTM (радарная топографическая съемка) были созданы цифровые модели рельефа. Визуализация полученных моделей и построение геоморфологических профилей были проведены в программе Global Mapper 12. Для более объективного отображения почвенного покрова были использованы растровые 3D модели рельефа ключевых участков межгорных котловин, что позволило наглядно отобразить пространственное распределение почв на элементах рельефа (рис. 4).

Рис. 4. ЗЭ-модели ключевых участков и геоморфологические профили исследуемых котловин: А - Уймонской; Б - Курайской; В - Чуйской

Таким образом, созданные посредством геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования цифровые модели рельефа ключевых участков отражают специфику почвенного покрова каждой из исследуемых межгорных котловин, а также пространственную дифференциацию и конфигурацию почвенных контуров.

На основании учета геоморфологических факторов был рассчитан коэффициент кот-ловинности К по формуле (1), предложенной В.В. Севастьяновым [1998], с помощью которого оценивается эффект охлаждения или отепления исследуемых котловин:

К= -хНхАНха (1), I

где Б - ширина котловины по пойме, км; Ь - длина котловины, км; Н - абсолютная высота днища котловины, км; ДН - глубина котловины, км; а - коэффициент, равный 0,99 км2.

Основываясь на полученных морфометрических характеристиках котловин и параметрах котловинности, было выявлено [Безбородова, 2011], что наибольшим коэффициентом котловинности обладает Курайская котловина - 3,33, для Чуйской котловины он составляет 2,03, а наименьшее значение коэффициента характерно для Уй-монской котловины - 0,65. Отношение ширины котловины к ее длине дает возможность судить о геометрической форме днища котловины; чем ближе это отношение к единице, тем больше котловина приближается к «идеальной» форме. Чем больше разность высот между днищем и окружающими горными хребтами, тем больше площадь воздухосбора, с которой холодный воздух спускается на днище котловин.

Экологическая классификация климатов основана главным образом на использовании двух наиболее важных и хорошо изученных факторов - температуры и количества осадков. В качестве основы районирования выбраны интегральные показатели температуры и влажности для вычисления гидротермического коэффициента по Се-лянинову (ГТК), вычисляемого по формуле (2) [Доманцевич, Картушинский, 2012]:

гтк = (2), где Р - количество осадков за вегетационный период, мм;

Г — сумма активных температур >10 °С.

При расчете гидротермических коэффициентов (ГТК) для исследуемых территорий были получены следующие значения: в Уймонской котловине ГТК = 1,3, в Ку-райской 1,0 и в Чуйской - 0,7. Чтобы оценить большую или меньшую влажность климата, необходимо учитывать также и температуру. Во влажной среде идет медленное испарение, и наоборот. Поэтому необходимо найти индекс аридности де Мар-тонна, вычисляемый по формуле (3) [Доманцевич, Картушинский, 2012]: Р

' ~ 7*+ 10 ГДС' ~~ индекс аРиДнос™; Р ~ количество осадков, мм;

Т-среднегодовая температура, °С.

При расчете индекса аридности для исследуемых территорий, были получены следующие значения: в Уймонской котловине /=0,24, в Курайской - 0,15 и в Чуйской -0,07 [Безбородова, 2010]. Так, анализируя данные, полученные при расчете гидротермического коэффициента и индекса аридности, можно сделать вывод об увлечении сухости (аридности) климатических условий в названом ряду исследуемых межгорных степных котловин. Гидротермический режим исследуемых котловин находится в большой зависимости от геоморфологических признаков (крутизны склонов, площади воздухосбора) средних дневных температур, коэффициента увлажнения; естественно, что все это оказывает влияние на специфику почвообразования. Днем температура на склонах зависит от их экспозиции. Ночью склоны бывают теплее днищ кот-

ловин, так как сразу же после захода солнца за счет длинноволнового излучения происходит интенсивная потеря тепла деятельной поверхностью. Вслед за понижением температуры почвы происходит понижение температуры приземного слоя воздуха; сформировавшийся на склонах слой холодного воздуха под действием силы тяжести стекает на днища котловин, а на его место из свободной атмосферы поступают новые порции более теплого воздуха [Сухова, Русанов, 2004]. Таким образом, происходит перераспределение тепла и влаги по элементам рельефа. Существует тесная взаимосвязь между процессами ночного выхолаживания воздуха у днища котловины и величиной стока холодного воздуха. В целом можно сказать, что главными местными климатообразующими факторами для котловин являются геоморфологический и экспозиционный. Их влияние проявляется на фоне ингаляционных и общециркуляционных процессов, зональных и высотных закономерностей, что, в свою очередь, отражается на дифференциации почвенного покрова.

5.2. Расчет почвенно-экологического индекса. Почвенно-экологический индекс (ПЭИ) является интегральным количественным показателем, учитывающим широкий спектр как почвенных, так и климатических характеристик, определяющих агроэко-логический потенциал почв и почвенного покрова (коэффициенты увлажнения и континентальное™, плотность почвы в метровом слое, гранулометрический состав и другие агроэкологические значимые свойства почв) [Сорокина и др., 2011]. В основу положен расчет почвенно-экологического индекса (ПЭИ) по формуле (4), предложенной И.И. Кармановым с соавторами [1991]:

ПЭИ = 12,5 х (2 - К) х Я х Дс х —-ь-'-хА (4),

' к ' м КК +100

где 12,5 - постоянный множитель; V — плотность (объемная масса) почвы в среднем для метрового слоя, г/см3; 2 — максимально возможная плотность г/см3; П — «полезный» объем почвы в метровом слое; Дс — дополнительно учитываемые свойства почв; £/ >10 — среднегодовая сумма активных температур; КУ — коэффициент увлажнения; Р — поправка к коэффициенту увлажнения; КК — коэффициент континентальности; А - итоговый агрохимический показатель содержания элементов питания.

Расчет почвенно-экологического индекса для почв Уймонской котловины показал, что черноземы обыкновенные имеют большую величину ПЭИ, в диапазоне 47,5-50,8 по сравнению с черноземами южными - 40,1-44,0. Почвы Курайской котловины имеют в целом значительно более низкие ПЭИ; из них наибольшей величиной этого показателя характеризуются темно-каштановые почвы: 20,0—23,1; в то время как наименьшим почвенно-экологический индекс характерен для каштановых почв, он находится в пределах 19,4-22,5. В Чуйской котловине каштановые почвы имеют почвенно-экологический индекс на уровне 5,9-6,5; у местных же светло-каштановых почв он еще меньше и составляет 3,8-4,9 [Безбородова, Миллер, 2011а]. Таким образом, величина почвенно-экологического индекса в ряду изученных нами котловин (Уймонская —> Курайская —»

Чуйская) явно снижается по мере нарастания континентальности, в частности, аридиза-ции. Используя значения ПЭИ, можно оценить контрастность почвенно-экологических условий. Контрастность определяется как отношение ПЭИ с максимальным значением к минимальному значению этого показателя. Среднее значение ПЭИ каждой котловины проводится путем суммирования ПЭИ каждого типа почв (таблица).

Таблица. Параметры почвенно-экологического индекса

Почвы Количество разрезов, п Средние значения ПЭИ Диапазон ПЭИ Контрастность (ПЭИтах/ПЭИгшп)

Уймонская котловина

Черноземы обыкновенные 3 49,0 47,5-50,8 1,07

Черноземы южные 3 42,0 40,1—44,0 1,10

Среднее значение ПЭИ по котловине 45,5

Контрастность котловины 1,08

Курайская котловина

Темно-каштановые 3 22,6 22,0-23,1 1,05

Каштановые 3 20,9 19,4-22,5 1,16

Среднее значение ПЭИ по котловине 21,8

Контрастность котловины 1,11

Чуйская котловина

Каштановые 3 6,2 5,9-6,5 1,10

Светло-каштановые 3 4,4 3,8—4,9 1,29

Среднее значение ПЭИ по котловине 5,3

Контрастность котловины 1,20

Из таблицы следует, что наибольшие средние значения ПЭИ, достигающие 45,5, свойственны почвам Уймонской котловины; далее, по убывающей, следуют значения ПЭИ для Курайской котловины, являющиеся значительно меньшими - 21,8; средние значение ПЭИ для почв Чуйской котловины является наименьшим в ряду изучаемых котловин, составляя 5,3. Имеет смысл связать это явление с нарастанием континен-тальности и аридности. Диапазон ПЭИ (для почв одного подтипа) является наибольшим для черноземов южных Уймонской котловины, составляя 40,1^14,0; разница при этом составила величину 3,9. Наименьшим этот диапазон является для каштановых почв Чуйской котловины - 5,9-6,5, при разнице 0,6. Что касается величин контрастности ПЭИ почвенного покрова, то контрастность светло-каштановых почв Чуйской котловины заметно увеличивается до 1,29; для каштановых почв Курайской котловины это значение составляет 1,16. В Уймонской котловине эти значения для черноземов южных равны 1,10. Вместе с тем, в Уймонской котловине, характеризующейся наиболее мягкими экологическими условиями, контрастность является наименьшей. В Курайская котловине это значение контрастности имеет среднюю величину в ряду исследуемых котловин.

При рассмотрении полученных значений внутрикотловинной контрастности, то выявленная закономерность остается прежней. Наибольшее значение внутрикотловинной контрастности - 1,20, характерно для Чуйской котловины; среднее - для Курайской - 1,11; наименьшее же - для наиболее благоприятной по биоклиматическим

показателям Уймонской котловины - 1,09. Установлено, что наиболее высокие значения ПЭИ характерны для почв Уймонской котловины; кроме того, для неё характерен наименьший разброс значений ПЭИ - как по диапазону, так и по контрастности. Центральное положение по этим параметрам и их характеристикам занимает Курайская котловина. Наименьшие значения ПЭИ характерны для Чуйской котловины и, вместе с тем, для её почв характерен большой диапазон ПЭИ и его контрастность [Безбородова, 2012]. Таким образом, разнообразие экологических условий, обусловленное геоморфологическими и биоклиматическими показателями, оказывает большое влияние на формирование и дифференциацию почвенного покрова межгорных степных котловин.

ВЫВОДЫ

1. Выявлены особенности формирования почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая, определяющиеся комплексом геолого-геоморфологических, гидрологических и биоклиматических факторов, которые находят свое отражение в дифференциации почвенного покрова и свойствах почв.

2. Созданные почвенные карты ключевых участков достоверно отразили комплексность и контрастность почвенного покрова исследуемых котловин, образующего генетический ряд последовательной (с изменением высоты над уровнем моря, увеличением степени континентальное™ и аридности) смены как состава почвенного покрова, так и увеличения степени его пространственной дифференциации - от Уймонской котловины к Курайской и Чуйской. В этом ряду выявлен переход от черноземных почв к каштановым.

3. Использование ГИС-технологий, данных дистанционного зондирования и цифровых моделей рельефа позволило более объективно и наглядно представить распределение почв в рельефе, а также с большей достоверностью отразить специфику почвообразования каждой котловины.

4. Установлено закономерное изменение контрастности эколого-географических условий почвообразования в ряду от Уймонской к Курайской и Чуйской котловинам в сторону ее увеличения, так же как и комплексности почвенного покрова: 1,09; 1,11; 1,20 и 2,14; 3,72; 11,52 соответственно. Исследованные межгорные степные котловины образуют ряд по нарастанию аридности, что в полной мере подтверждается рассчитанными показателями - эффектом котловинности, гидротермическим коэффициентом, индексом аридности и почвенно-экологическим индексом.

5. Установлено, что значения эффекта котловинности, гидротермический коэффициент, индекс аридности и ПЭИ являются интегральными показателями эколого-географической оценки почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая, поскольку формирование и дифференциация почвенного покрова, а также почвенных свойств зависят от геоморфологического строения и биоклиматических условий каждой из котловин.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Безбородова А.Н. К вопросу об оценке, использовании и охране земельных ресурсов межгорных степных котловин Горного Алтая // Отражение био-, reo-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове / Материалы Всероссийской научной конференции. - Томск, 2010. - Т. 3. — С. 18-19.

2. Безбородова А.Н., Миллер Г.Ф. Изменение значений почвенно-экологического индекса межгорных степных котловин Горного Алтая в связи с нарастанием аридности // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011а. - Т. 13. - № 1. -С. 1176-1179.

3. Безбородова А.Н., Миллер Г.Ф. Проблема опустынивания криоаридных территорий на примере Чуйской котловины Горного Алтая // Почвоведение и агрохимия. 20116.-№ 2.-С. 14-19.

4. Безбородова А.Н. Ландшафтно-экологическое разнообразие межгорных степных котловин Горного Алтая // Вестник Новосибирского государственного аграрного университета. 2011. — № 2. — С. 7-14.

5. Безбородова А.Н. Сравнительная оценка почвенно-экологического индекса почвенного покрова Курайской и Чуйской межгорных котловин // Палеопоч-вы - хранители информации о природной среде прошлого / Материалы Международной научной молодежной школы по палеопочвоведению. - Новосибирск, 2012.-С. 13-18.

6. Кудряшова С.Я., Дитц Л.Ю., Чичулин A.B., Чумбаев A.C., Миллер Г.Ф., Безбородова А.Н. Эколого-географические аспекты выделения типов комплексов почв на плоскогорье Укок с использованием дистанционных исследований // Сибирский экологический журнал. -2012. -№ 5. - С. 703-710.

Подписано в печать 26.07.13. Формат 60х84'/16. Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 31.

Центральный сибирский ботанический сад СО РАН 630090 Новосибирск, ул. Золотодолинская, 101

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Безбородова, Анна Николаевна, Б.м.

Институт почвоведения и агрохимии Сибирское отделение Российской академии наук

На правах рукописи

04201361804

Безбородова Анна Николаевна

ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА МЕЖГОРНЫХ СТЕПНЫХ КОТЛОВИН ГОРНОГО АЛТАЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

03.02.13 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель кандидат биологических наук, доцент

Л.Ю. Дитц

Новосибирск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА 7 МЕЖГОРНЫХ СТЕПНЫХ КОТЛОВИН ГОРНО АЛТАЯ

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 12

2.1. Объект исследования 12

2.2. Методы исследования 13

ГЛАВА 3. ФАКТОРЫ ПОЧВООБРОЗОВАНИЯ И ИХ РОЛЬ В 18 ФОРМИРОВАНИИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА МЕЖГОРНЫХ СТЕПНЫХ КОТЛОВИН ГОРНОГО АЛТАЯ

3.1. Положение в системе вертикальной поясности 18

3.2. Геологическое и геоморфологическое строение 23

3.3. Подстилающие и почвообразующие породы 30

3.4. Гидрографические особенности 32

3.5. Климат 34

3.6. Растительный покров 41

ГЛАВА 4. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ 48 ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ИССЛЕДУЕМЫХ КОТЛОВИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

4.1. Геоинформационный подход к картографированию почв и 48 почвенного покрова

4.2. Почвенный покров Уймонской котловины 58

4.3. Почвенный покров Курайской котловины 77

4.4. Почвенный покров Чуйской котловины 94

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА 111 ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА МЕЖГОРНЫХ СТЕПНЫХ КОТЛОВИН ГОРНОГО АЛТАЯ

5.1. Коэффициент котловинности и биоклиматические индексы 111 как показатели условий формирования почвенного покрова

5.2. Расчет почвенно-экологического индекса 121

ВЫВОДЫ 134

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 136

ПРИЛОЖЕНИЯ 154

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Горные территории, в том числе межгорные степные котловины, являются хрупкими экосистемами, особенно чувствительными к антропогенным воздействиям. Увеличение нагрузки на окружающую среду, вызванное хозяйственной деятельностью, выдвигает на первый план создание научных основ экологического контроля состояния почв. Чрезмерная антропогенная нагрузка к настоящему времени привела к изменению почвенно-растительного покрова, представляя собой серьезную угрозу для местных экосистем; существует необходимость учета нагрузки на почвенный покров и уровня его плодородия с учетом всего разнообразия экологических условий функционирования почв. Ранее эколого-географическая оценка была проведена лишь для отдельных локальных территорий, зачастую без использования новых методов исследования. Применение ГИС-технологий позволяет создавать тематические карты и цифровые модели рельефа для научно-практических целей, что дает возможность более детально представить особенности строения почвенного покрова изучаемых территорий, диагностировать изменения его состояния в результате антропогенных воздействий и использовать как основу для мониторинга состояния ландшафтов. В связи с тем, что межгорные степные котловины Горного Алтая являются наиболее ценными территориями с точки зрения сельскохозяйственного использования, эколого-географическая оценка их почвенного покрова с позиции единых подходов и географического разнообразия является актуальной и имеет научно-практическую значимость.

Цель работы: провести эколого-географическую оценку почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая для обеспечения основы рационального природопользования и мониторинга состояния земель.

Задачи исследования:

1. Дать характеристику факторов почвообразования: геолого-геоморфологического строения, гидрографии, почвообразующих пород, климата и растительности и показать их влияние на свойства почв и пространственную дифференциацию почвенного покрова межгорных степных котловин в системе вертикальной поясности.

2. Создать среднемасштабные почвенные карты ключевых участков Уймонской, Курайской и Чуйской котловин с использованием ГИС-технологий и данных дистанционного зондирования.

3. Изучить морфологические и физико-химические свойства почв и провести сравнительно-географический анализ почвенного покрова межгорных степных котловин с учетом нарастания аридности.

4. Создать цифровые модели рельефа межгорных степных котловин на основе данных радарной топографической съемки для отражения взаимосвязи геоморфологических особенностей строения и почвенного покрова.

5. На основе полученных материалов провести комплексную оценку почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая с использованием коэффициента котловинности, гидротермического коэффициента, индекса аридности и почвенно-экологического индекса с целью создания подробной основы для хозяйственного использования и мониторинга земель.

Защищаемые положения:

1. Контрастность эколого-географических условий почвообразования в межгорных степных котловинах Горного Алтая определяется особенностями их строения и процессами тепло- и влагообмена, обусловливающими в своем сочетании аридность территории, степень проявления которой повышается в ряду исследованных котловин Уймонская —► Курайская —> Чуйская.

2. Применение почвенно-экологического индекса как интегральной характеристики состояния почвенного плодородия позволяет ранжировать

почвы и почвенный покров межгорных степных котловин Горного Алтая с целью определения пригодности территорий для сельскохозяйственного использования.

Научная новизна. Впервые на основе ГИС-технологий созданы среднемасштабные почвенные карты исследуемых территорий, позволившие провести детальное сравнение комплексности почвенного покрова и использовать их как основу для сельскохозяйственной оценки земель. Раскрыто влияние котловинного эффекта на дифференциацию почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая. Впервые проведена эколого-географическая оценка почв и почвенного покрова межгорных степных котловин с учетом их положения в системе высотной поясности, структурно-геоморфологического строения, биоклиматических условий и свойств почв.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования полученных данных для углубления сравнительно-географической оценки почвенного покрова горных областей. Результаты исследований могут быть применены для создания основы рационального использования, мониторинга состояния земель и эколого-географической экспертизы межгорных степных котловин Горного Алтая.

Апробация работы. Основные положения работы были представлены на Ковалевских молодежных чтениях «Почвы Сибири - прошлое, настоящее, будущее» (Новосибирск, 2011), Всероссийской конференции с международным участием «Современные проблемы генезиса, географии и картографирования почв» (Томск, 2011), Всероссийской научной конференции Докучаевские молодежные чтения «Почва как природная биогеомембрана» (Санкт-Петербург, 2012), Международной научной молодежной школе по палеопочвоведению «Палеопочвы - хранители информации о природной среде прошлого» (Новосибирск, Алтайский край, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, включенных в "Перечень..." ВАК РФ.

Структура работы. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 157 страниц, включая 25 рисунков и 29 таблиц. Список литературы включает 216 источников, в том числе 7 иностранных.

Личный вклад: автором проведены полевые и лабораторные исследования, интерпретированы полученные результаты, обоснованы выводы, обобщены и опубликованы материалы исследований.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность научному руководителю, кандидату биологических наук, доценту Людмиле Юрьевне Дитц, сотрудникам лаборатории почвенно-физических процессов ИПА СО РАН за консультации и постоянную помощь при проведении полевых и лабораторных исследований почв.

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА МЕЖГОРНЫХ СТЕПНЫХ КОТЛОВИН ГОРНО АЛТАЯ

История исследования почв межгорных степных котловин Горного Алтая насчитывает более ста лет. Первые исследования почвенного покрова бывшего Алтайского округа проводились в период 1889-1894 г.г. И.П. Выдриным и З.И. Ростоцким, по данным которых была составлена почвенная карта Алтайской губернии. На карте в области Горного Алтая было выделено 8 почвенных зон, распределяющихся закономерно в связи с особенностями рельефа и климата [Выдрин, Ростоцкий, 1899].

Более детальное изучение почв межгорных степных котловин Горного Алтая началось в начале XX в. с работ В.П. Смирнова [1910], который, по заданию Переселенческого управления, совершил три экспедиции на Алтай, в том числе в район бассейнов рек Катуни и Чарыша. В.П. Смирнов установил на Алтае характер вертикальной почвенной зональности и ее нарушений в Центральном Алтае, а также описал особый характер черноземовидных почв, формирующихся в Уймонской котловине у северных подножий Катунского хребта.

В 1924 г. К.П. Горшенин опубликовал краткий очерк о почвенных районах Алтая, к которому была приложена почвенная схематическая карта. Несколько позднее он проехал от г. Бийска до Чуйской котловины, проводя описание почвенного покрова по маршруту следования. Обобщение полученных материалов по изучению почвенного покрова межгорных степных котловин было выполнено им в фундаментальной монографии «Почвы южной части Сибири (от Урала до Байкала)» [1955].

Детальные почвенные съемки начинаются на Алтае в 1930-х гг. в связи с переходом местного населения к сельскохозяйственному освоению межгорных степных котловин. В наиболее освоенных земледельческих межгорных степных котловинах - таких, как Уймонская, Курайская и

Чуйская, было проведено среднемасштабное почвенное картографирование для совхозов и колхозов.

Среди исследований этого периода особого следует отметить работы Б.Ф. Петрова, который в 1940 г. совершил экспедиции по маршрутам от долины реки Катуни до устья Немала. Исследования Б.Ф. Петрова далее охватили территорию юго-восточного Алтая. Обобщением его содержательных работ стала монография «Почвы Алтайско-Саянской области» [1952], не потерявшая своего научного значения до настоящего времени.

На данном этапе изучения почв межгорных степных котловин большая часть исследований имела прикладной характер, которые не включали специальных задач по оценке влияния географо-экологических условий на формирование почвенного покрова. Однако они имели очень большое значение для формирования критериев агроэкологической оценки почвенного покрова, как обширного горного региона в целом, так и отдельных межгорных степных котловин.

Новый значительный период исследования почв межгорных степных котловин начинается с 1949 г., когда в составе Биологического института СО АН СССР был создан отдел почвоведения, который в 1968 получил статус Института почвоведения и агрохимии СО АН СССР. В статьях и обобщающих работах почвоведов, принимавших участие в работе Алтайской геоботанической экспедиции Западно-Сибирского филиала АН СССР под руководством Р.В. Ковалева, уже в 1950-1960 гг. были представлены материалы по изучению почв, составляющих основной фонд сельскохозяйственных земель Горного Алтая. Эти исследования проводились многочисленными экспедициями по всей территории ГорноАлтайской автономной области и детального почвенного и агрохимического обследования отдельных крупных участков ее земледельческих районов. Выполнялись также полустационарные исследования по изучению физико-химических, агрофизических и агрохимических свойств почв, интенсивности

протекания биологических процессов в почвах и влияние различных видов, способов внесения и доз минеральных удобрения на продуктивность сельскохозяйственных культур.

Н.В. Орловским [1959] на основании литературных данных и маршрутных исследований была детализирована классификация почв, составленная для Горного Алтая Б.Ф. Петровым. Им была в первые предложена агропроизводственная группировка местных почв. Одной из первых была представлена оценка мелиоративных особенностей почв межгорных степных котловин Горного Алтая [Панфилов, 1956, 1964].

Более детально закономерности почвообразования, определяющие специфику и характерные черты сухостепных почв, отнесенных к особому типу степных криоаридных почв, изучены и изложены В.И. Волковинцером [1965, 1966, 1978]. Большой вклад в изучение почвенного покрова Уймонской котловины был внесен В.А. Хмелевым [1966, 1968]. В этот же период для территорий с высокой степенью сельскохозяйственной значимости (в первую очередь для межгорных степных котловин) были получены результаты по оценке биологической активности почв и их агрохимического состояния. Обобщением земельно-оценочных работ данного периода является общая оценка земельного фонда.

В 1973 году была издана фундаментальная монография «Почвы ГорноАлтайской автономной области» [Почвы..., 1973], в которой было проведено обобщение географических закономерностей распределения почв, разработана их систематика и номенклатура, изучены генетические особенности и свойства основных почвенных типов и проведено почвенно-географическое районирование. В период с 1960-х по 1980-е годы, наряду с географо-генетическим направлением почвенных исследований, значительные успехи были достигнуты в новых, ранее мало изученных областях почвоведения. В 1978 году, впервые для территории Горного Алтая, М.А Мальгиным были выявлены многие аспекты биогеохимии и агрохимии микроэлементов почв [Мальгин, 1978].

Обширные материалы и большой практический опыт, накопленные в результате проведения многоплановых исследований, стали базовой основой для разработки основных методических положений оценки почвенного покрова Горного Алтая и его изменения в результате вовлечения в сельскохозяйственный оборот. Теоретические и прикладные проблемы земельной оценки включали широкий спектр задач по обоснованию критериев и оценочных показателей, которые можно было использовать для оценки общего состояния почвенного покрова и воздействия на почвы разных категорий землепользования.

В настоящее время отмечается новый интерес к оценке почв межгорных степных котловин, который в значительной степени связан с проведением дистанционных методов исследований для создания системы оценки состояния почвенного покрова.

По результатам исследования пространственно-временной динамики почвенного покрова Чуйской и Уймонской котловин было установлено, что основными видами хозяйственной деятельности, в результате которых происходит новообразование почвенных разностей довольно высокого классификационного порядка, являются распашка и орошаемое земледелие, а к природным факторам относятся подгорные шлейфы, конусы выноса временных русловых потоков, речные долины, моренные всхолмления, криогенные мезо- и микроформы [Кудряшова, Дитц, 2009]. В рамках междисциплинарного интеграционного проекта фундаментальных исследований СО РАН «Сопряженный анализ и моделирование пространственной структуры биотической и абиотической составляющих наземных экосистем (Алтайский экорегион)» проводится разработка методологических основ анализа геолого-геоморфологических, почвенно-биологических и гидрологических компонентов пространственной структуры биотических и абиотических составляющих наземных экосистем с использованием данных дистанционного зондирования [Зольников и др., 2010].

Анализ литературных материалов позволил заключить, что исследования состава, состояния и свойств почв и почвенного покрова Горного Алтая, проводившиеся на протяжении более века, обеспечили накопление обширного фактического материала. Данный материал представляет собой большой потенциал для проведения исследований по интерпретации и оценке почвенного покрова региона, в частности, почв межгорных степных котловин, являющихся основной сельскохозяйственной базой этой горной страны. В то же время, интенсивное сельскохозяйственное воздействие на почвы и почвенный покров межгорных степных котловин поставило новые научные задачи. Решение этих задач может быть осуществлено за счет проведения эколого-географической оценки, поскольку она включает в себя, помимо собственно почвенных свойств, такие характеристики, как геоморфологическое строение и биоклиматические условия, с использованием новых цифровых методов и технологий.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объекты исследования

Объектами исследования являются почвы и почвенный покров межгорных степных котловин Горного Алтая - Уймонской, Курайской и Чуйской, расположенных в пределах двух ландшафтных провинций -Центральной и Юго-Восточной. В исследуе