Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменение экологических условий на гарях в ленточных борах Алтайского края в зонах сухой и умеренно-засушливовй колочной степи

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Изменение экологических условий на гарях в ленточных борах Алтайского края в зонах сухой и умеренно-засушливовй колочной степи"

Б АХ АРЕ В А ИРИНА ЮРЬЕВНА

ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ГАРЯХ В ЛЕНТОЧНЫХ БОРАХ АЛТАЙСКОГО КРАЯ В ЗОНАХ СУХОЙ И УМЕРЕННО-ЗАСУШЛИВОЙ КОЛОЧНОЙ СТЕПИ

03.00.16 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Барнаул-2009

Работа выполнена на кафедре экологии ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Трофимов Иван Тимофеевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Макарычев Сергеи Владимирович

Защита состоится 22 декабря 2009 г. в 1300 на заседании диссертационного совета ДМ 212.005.10 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61. Факс (385-2) 36-30-77.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет».

кандидат биологических наук Стрелковский Андрей Николаевич

Ведущая организация:

Институт экологии человека СО РАН

Автореферат разослан »

2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент

Н.В. Елесова

г < 11.1 . и I м : 1-, л | |

I (.) 1: V л | ■:. I 1: | и м л ■,! |

I. и I, п 111 1 и. I. /.. 3

-----А}1[!2-----------ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лесные пожары остаются одним из мощных природных факторов, определяющих происходящие на планете крупномасштабные изменения окружающей среды, что без сомнения позволяет относить их к глобальным явлениям.

Влияние лесных пожаров на лесные экосистемы многоплановое. Вмешиваясь в жизнь леса, пожары нарушают естественное равновесие между компонентами биогеоценозов, тем самым существенно изменяя внешний облик современных лесов. Пожары оказывают большое влияние на процессы лесовозобновления вследствие значительных изменений экологических условий. Почва, как неотъемлемая составная часть биоценозов также испытывает на себе разностороннее влияние пожаров. При этом изменяется ее гранулометрический состав, физико-химические и химические свойства. Уничтожение древесного и травяного ярусов лесных экосистем приводит к повышению освещенности в горельниках, увеличивает проникновение осадков в почву, изменяет температурный режим.

Лесные пожары в Алтайском крае повторяются ежегодно. В экстремальных природно-климатических условиях пожары принимают характер катастрофических и оказывают разрушительное воздействие на лесные экосистемы; при этом восстановление растительного покрова происходит более медленно. Именно поэтому изучение изменений экологических условий произрастания сосновых лесов, послепожарных изменений свойств почв и процессов их восстановления является актуальной проблемой и имеет важное практическое и теоретическое значение.

Цель и задачи исследования. Целыо нашего исследования явилась оценка изменений экологических условий на гарях в ленточных борах Алтайского края в зонах сухой и засушливой колочной степи.

В задачи исследования входило:

1. Проследить послепожарные изменения морфологии дерново-подзолистых почв в ленточных борах Алтайского края в зонах сухой и засушливой колочной степи.

2. Изучить динамику гранулометрического состава почв дерново-подзолистых почв на гарях.

4. Установить влияние лесных пожаров на физико-химические свойства и некоторые химические свойства дерново-подзолистых почв.

5. Определить характер изменения гидротермического режима на гарях.

6. Выявить особенности восстановления травяного покрова на гарях в зонах сухой и умеренно-засушливой колочной степи Алтайского края.

Научная новизна. Впервые для ленточных боров Алтайского края была проведена оценка изменения экологических условий произрастания под влиянием пожаров в разных климатических зонах - в зоне сухой степи и в зоне умеренно засушливой колочной степи. Выявлены изменения морфоло-

гии, гранулометрического состава, физико-химических и химических свойств дерново-подзолистых почв. Впервые для дерново-подзолистых почв ленточных боров был проведен анализ изменения после пожара качественного состава гумуса. Дана характеристика гидротермического режима в естественных лесных экосистемах и на гарях в зависимости от рельефа и погодных условий.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные данные по изменению экологических условий произрастания ленточных боров Алтайского края после пожаров дополняют и расширяют представления о процессах пирогеиного восстановления лесных экосистем. Результат!.! работы могут быть использованы при проведении лесовосстановительных работ на гарях в ленточных борах края, осуществлении экологического мониторинга, при планировании программ по рациональному использованию и охране лесных экосистем. Результаты исследования используются при чтении лекций по экологии, почвоведению, экологии почв, экологическому мониторингу и др. в Алтайском государственном университете.

Защищаемые положения.

1. Лесные пожары способствуют изменению морфологии и гранулометрического состава дерново-подзолистых почв на видовом уровне, как в условиях сухой, так и умеренно засушливой колочной степи Алтайского края.

2. Особенности изменения физико-химического и химического состава почв и гидротермического режима на гарях зависят от погодных условий и положения в рельефе.

3. Восстановление травяного покрова на гарях зависит от особенностей изменения водно-термического режима почв и направлено в сторону ксеро-фитизации в зоне сухой степи и в сторону мезофитизации и гигрофитизации в зоне умеренно-засушливой колочной степи Алтайского края.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на VII и IX городской научно-практической конференции «Молодежь-Барнаулу» (Барнаул, 2006, 2007); П-й Международной научно-практической конференции «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2006); Международной научной конференции «Лесное почвоведение: итоги, проблемы, перспективы» (Сыктывкар, 2007); научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов АлтГУ «Дни молодежной науки в АлтГУ» (Барнаул, 2008).

Публикации по теме диссертации. Результаты исследований опубликованы в 8 печатных работах, 2 из которых - в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов и библиографического списка, который включает 222 источника литературы, 11 из которых иностранных авторов. Диссертация иллюстрирована 38 таблицами, 21 рисунком и 9 приложениями.

Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору сельскохозяйственных наук, профессору И.Т. Трофимову за помощь в организации и проведении полевых исследований, а также за консультации и ценные замечания в процессе написания работы; заведующей лабораторией радиологии и токсикологии ФГУ ЦАС «Алтайский» Г.Н. Ежаковой за предоставление экспериментальной базы для проведения исследования.

Особую признательность автор выражает доктору биологических наук, профессору Галине Геннадьевне Соколовой и доктору биологических наук, профессору Татьяне Александровне Терёхиной за помощь при написании диссертационной работы.

ГЛАВА 1. ЛЕСНЫЕ ПОЖАРЫ КАК ЭКОЛОГИЧЕКИЙ ФАКТОР

В литературном обзоре рассмотрены и обобщены сведения как отечественных, так и зарубежных авторов по лесным пожарам с точки зрения экологического фактора. Приведены различные варианты определения понятая лесных пожаров. Рассмотрены понятия «лесных горючих материалов», «гарей» и «горельников». Представлены причины возникновения и распространения лесных пожаров. Проанализированы классификации лесных пожаров и отмечен вопрос сложности классификации данного явления.

В главе отражены обобщенные сведения по послепожарным трансформациям лесных экосистем. Дана характеристика послепирогенных изменений почвенного покрова и растительности в целом, как на территории Алтайского края, так и в других регионах. Сделан вывод о важнейшей роли лес-пых пожаров как экологического фактора, определяющего возникновение и формирование различных типов биоценозов.

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

В географическом отношении ленточные боры расположены в северо-западной и западной частях Алтайского края. На территории Обь-Иртышского междуречья имеется 5 древних ложбин стока ледниковых вод: самая северная - Бурлинская или Алеусская, южнее - Кулундинская и Касма-линская, далее Барнаульская и Локтевская. В настоящее время ложбины древнего стока представлены параллельными лентами песчаных почв с сосновыми борами.

Геоморфология. Рельеф в ленточных борах довольно сложный. Происхождение его связано с аллювиальными и эоловыми процессами. В строении рельефа выделяют следующие основные формы: 1) аллювиально-аккумулятивные формы рельефа с эоловой переработкой поверхности; 2) лу-гово-степные; 3) аллювиалыю-эрозионные формы рельефа (Адаменко, 1976).

Гидрология. На территории древних ложбин стока, занятых ленточными борами, наблюдаются зоны разлива, по которым расположены системь-озер и болот. Как правило, эти озера находятся в ложбинах юго-западной час

ти края. Так же на территории ленточных боров края имеются небольшие реки, которые имеют сток в сторону Кулундинской низменности (р. Бурла, р. Кулунда) или к р. Оби (р. Касмала, р. Барнаулка, р. Алей).

Общей характерной чертой всех ленточных боров является неглубокое залегание уровня грунтовых вод: от 1-2 м (лугово-степные участки) до 3-8 м (грядово-бугристые участки) (Вангниц, 1953).

Климат. Зона сухой степи. Климат данной зоны резко континентальный, с сухим жарким летом и суровой малоснежной зимой. Отрицательные температуры воздуха зимой опускаются до -51,4°С (декабрь-январь). Максимальные температуры воздуха до +41,0°С приходятся на июль-август. Среднегодовое количество осадков в данной зоне составляет около 273,9 мм.

Зона умеренно-засушливой колонной степи. Климат данной зоны умеренно-континентальный. Температура воздуха самого теплого месяца (июль) поднимается до +33°С. Зимой возможны понижения температуры до -38°С (январь). В среднем в год выпадает 495 мм осадков.

Почвы. В сосновых ленточных борах края представлены главным образом дерново-подзолистые почвы. Почвенный покров ленточных боров подразделяется на 3 разновидности (Смирнов, 1966): 1) боровые почвы дерново-подзолистого типа; 2) перегногшо-подзолистые (подзояовидные) пылевато-песчсшые почвы; 3) перегнойно-подзолисто-глеевые почвы.

Дерново-подзолистые почвы в ленточных борах имеют легкий гранулометрический состав и представлены супесчаными и песчаными разновидностями. Содержание гумуса в верхних горизонтах этих почв достигает 3%.

Растительность. Сосновые леса края представляют собой пример азональной растительности. Для типичных сообществ боров характерно отсутствие кустарникового яруса. Разреженный травяной ярус имеет проективное покрытие 10-35%. В основном наибольшую фитоценотическую роль в составе травяного яруса играют ксерофилыше виды. Флористический состав сосновых лесов разнообразен и составляет более 700 видов.

ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Работа выполнялась на кафедре экологии Алтайского государственного университета, аналитические исследования проводили на базе ФГУ ЦАС «Алтайский».

Исследования проводили в условиях зоны сухой степи (Угловское лесничество - остепнённый лишайниковый бор) и умеренно-засушливой колоч-ной степи (Власихинское лесничество - мохово-лишайниковый бор) Алтайского края. Материалом для исследования послужили образцы дерново-подзолистых почв ленточных боров края. Закладку почвенных разрезов на мониторинговых площадках и отбор проб для анализов проводили по общепринятым методикам, используемые при профильном методе исследования почв.

Определение морфологии, гранулометрического состава, физико-химических и химических свойств почв проводили в соответствии с принятыми в почвоведении методиками (Аринушкина, 1962; Агрофизические методы исследования почв, 1966; Вадюнина, Корчагина, 1986 и др.). Количественное определение тяжелых металлов осуществляли с помощью атомно-абсорбционной спектрофотомерии. Наблюдения за температурой почвы осуществляли электронными термометрами. Влажность определялась методом термостатной сушки. Полученные результаты исследований подвергались статистической обработке - расчёт средней арифметической (хср), ошибки выборочной средней величины (Sx) и коэффициента вариации (F) (Доспехов, 1985) с использованием программ Microsoft Excel.

Всего было проанализировано 700 почвенных образцов, в том числе 54 образца на определение содержания тяжелых металлов и 10 образцов на определение качественного состава гумуса.

ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ГАРЯХ В ЛЕНТОЧНЫХ БОРАХ АЛТАЙСКОГО КРАЯ В ЗОНЕ СУХОЙ

СТЕПИ

Морфология почв. Профиль дерново-подзолистых почв в зоне сухой степи состоит из следующих горизонтов: А0-А|-А|А2-В-ВС-С. На контрольных участках почвы определяются как дерново-неглубокоподзолистые спабодерновые песчаные.

Мощность генетических горизонтов после пожаров меняется незначительно (табл. I). Восстановление лесной подстилки на гарях происходит на 7-й год после пожара. Мощность гумусового горизонта А, на вершине увала после пожара снижается, но с течением времени восстанавливается до контрольных значений. В первые годы после пожара отмечается развитие подзолистого процесса и увеличение мощности подзолистого горизонта А2. Впоследствии наблюдается замедление процесса оподзоливания и уменьшение мощности этого горизонта. Наличие включений пирогенного характера в отдельных почвенных разрезах свидетельствует о том, что пожары на данной территории имели место и ранее.

Таблица 1

Изменение мощности генетических горизонтов дерново-подзолистой почвы

Мощность генетических горизонтов, см

А„ А, А,А2 а2 в ВС

контроль (астепиёпный лишайниковый бор)

3,83 ±0,01 7,50 ±0,09 17,83 ±о,91 25,17+0,01 36,67 ±2,19 32,17+0,19

гарь

1,83 +.0,01 7,67 ±0,01 14,17 ±0,01 18,83+0,01 38,83 ±0,01 36,83+0,01

Изменения морфологии почв на гарях в условиях зоны сухой степи наблюдаются на видовом уровне и в пределах разновидности. В межгривных понижениях после пожара почвы характеризуются как дерново-глубоко подзолистые среднедерновые супесчаные, на вершинах увалов - как дерново-неглубокоподзолистые слабодерновые песчаные.

Гранулометрический состав. В условиях зоны сухой степи дерново-подзолистые почвы являются песчаными, так как содержание фракций «физической глины» (< 0,01 мм) в целом не превышает 7%. В гранулометрическом составе почв преобладает фракция крупного песка (1-0,25 мм), содержание которой колеблется в пределах 70-90% от массы почвы.

Н второй год после пожара на вершинах увалов происходит резкое увеличение в верхних горизонтах фракций «физического песка» (> 0,01 мм). Пониженные участки рельефа в свою очередь характеризуются высокими значениями фракций «физической глины». Одновременно на гари наблюдается уменьшение илистой фракции (< 0,001 мм). С течением времени в слое 20-30 см происходит увеличение значений илистой фракции, что, по-видимому, объясняется появлением травянистой растительности и развитием дернового процесса.

Физико-химические и химические свойства. Кислотность почв. На 2-й год после пожара в условиях зоны сухой степи происходит резкое изменение кислотности дерново-подзолистых почв. Лесная подстилка имеет сильно кислую реакцию среды (рН=3,8), через 10 месяцев после пожара её зольные остатки имеют величину рН = 5,3. На 7-й год после пожара почвенный раствор сохраняет свои значения, определяя слабокислую реакцию среды. Величина рН в гумусовом горизонте весной 2004 г достигла 5,5-5,6 (контроль - 4,5-4,8). Летом на горельнике рН была равна 4,9-5,6 (табл. 2).

Таблица 2

Физико-химические и химические свойства дерново-подзолистых почв

Глубина отбора об- Гумус (%) рН Емкость поглощения (мг-экв на 100 г.) Обменные формы (ммоль/100 г.)

разца (см) Са"' Мк"' А1"

контроль (остспнснный лишайниковый бор)

0-10 2,4±0,09 4,8±о,(м 2,6+0,01 3,0 0,5

10-20 0,8±(),01 4,6+0,02 2,1±о,01 2,5 0,4 £

20-30 1,2±0,(М 4,9+0,02 1,910,02 2,5 0,4

30-40 0,6+0,07 5,2+0,01 1,7+0,01 2,0 0,5 в ю

40-50 0,2+0,02 5,4±0,01 1,7+0,02 2,0 0,5 и ЕС

50-60 - 5,5+0,01 1,5+0,01 2,2 0,5

гарь

0-10 0,8±(),04 4,9+0,04 4,7+0,02 3,1 0,4

10-20 0,5±О,02 5,6+0,02 3,5+0,02 2,5 0,4 &

20-30 0,8±О,07 5,5+0,01 3,7+0,01 2,5 0,4 ю | о я <и к

30-40 0,2±О,05 5,2+0,01 2,5+0,01 2,2 0,4

40-50 0,2+0,07 5,5+0,01 2,4±0,01 3,8 0,4

Качественный анализ кислотности дерново-подзолистых почв в зоне сухой степи показал, что кислотность почв в засушливых условиях определяется попами водорода.

Гумус. После пожара отмечается снижение содержание гумуса по всему профилю почвы (0,2-0,4%). На 7-й год после пожара в результате появления травянистой растительности происходит незначительное увеличение содержания гумуса в верхнем слое горизонта А| (табл. 2).

Исследования состава гумуса показали, что ведущим компонентом среди основных групп гумусовых веществ в почвах на гарях на 7-й год после пожара являются гуминовые кислоты (табл. 3).

Тип гумуса, согласно классификации Л.А. Гришиной и Д.С. Орлова (1478), в горизонте А, определяется как гуматный, поскольку отношение углерода гумнновых кислот к углероду фульвокислот больше 1 и составляет 2,29. В ниже лежащих горизонтах тип гумуса остается гуматно-фульватным.

Таблица 3

Фракционный состав гумуса дерново-подзолистой почвы на 7-й год после пожара (зона сухой степи)

Глубина (см) <Л„ Гумнпшше кислоты (%) Фулынжислоты (%) Гу- МИ11 Сщ С,рк

1 2 3 I 1а 1 2 3 I

контроль (остепнённый лишайниковый бор)

.4-11 0..3 21.2 4,3 6,2 31,7 6.2 13,1 1,9 15,9 37,1 31,2 0,85

1 1-20 0.1 17.5 2.4 15.0 34,4 8,3 18,4 8,5 17,5 52,7 22,4 0,66

20-3(1 0,1 7,7 Й.1 7,7 21,5 6,2 3,0 10,0 19,2 38,4 40,1 0,56

30-10 0,1 5.4 4.6 0,0 10,0 10,4 2,4 15,4 6,7 35,4 54,6 0,28

40 50 0.1 0.0 0.0 0,0 0,0 16,0 14,0 15,0 10,0 55,5 45,0 0,00

гарь

2-10 0.2 25,') 7.4 14,8 48,1 5,2 9,6 2,5 3,7 21,0 30,9 2,29

К) 21) 0,1 12.5 8,7 12,5 33,7 10,0 8,8 9,6 16,2 46,6 21,7 0,76

20-.30 0.1 10.0 10,0 14,3 34,3 15,7 7,2 10,0 18,6 51,5 14,2 0,67

.30-40 0,1 5,1 4.9 0,0 10,0 16,0 6,0 10,0 19,6 51,6 38,4 0,19

40-50 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 17,6 5,4 14,6 19,6 57,2 42,8 0,00

Емкость поглощения. На второй год после пожара в почвах наблюдается незначительное уменьшение емкости поглощения. В тоже время на седьмой год после пожара в межгривном понижении на гарях отмечено увеличение значений емкости поглощения в верхних горизонтах в 2 раза. На других элементах рельефа значения емкости поглощения приближены к контрольным.

Обменные катионы. После прохождения пожара происходит незначительное увеличение содержания обменного кальция в почвах, что способствует накоплению в составе гумуса гуматов кальция и развитию дернового процесса.

Элементы питания. Содержание валовых форм фосфора и калия в дерново-подзолистых почвах под влиянием лесных пожаров существенно не

изменяется. Наблюдается незначительное накопление калия в почвах после пожаров.

Нитраты. На гарях обеспеченность почв нитратами остается очень низкой. На седьмой год после пожара по пониженным элементам рельефа с более высоким содержанием гумуса содержание нитратов увеличивается с 0,35 мг/кг до 0,91 мг/кг, но в целом обеспеченность дерново-подзолистых почв этим элементом остается низкой.

Тяжелые металлы. Содержание тяжелых металлов в почвах на гарях остается в пределах ниже значений ПДК. Отмечено незначительно увеличение в золе на 2-й год после пожара содержания кадмия и свинца.

Влажность. Дерново-подзолистые почвы как на контрольных участках под пологом леса, так и после прохождения пожара, в условиях зоны сухой степи характеризуются напряженным водным режимом.

Максимум почвенного увлажнения отмечено на гарях в низинной части рельефа и северном склоне. Значения влажности здесь в 2 раза больше, чем содержание влаги в почвах под лесной растительностью. Вершины увалов на всех вариантах характеризуются низким содержанием влаги по всему профилю почвы. На гарях такие низкие значения обусловлены физическим испарением под воздействием высоким температур воздуха. На контрольных участках снижение влажности обусловлено транспирацией влаги древесной растительностью.

Тепловой режим. Температура поверхности почвы на гарях в течение всего вегетационного периода на разных элементах рельефа выше, чем на контроле под пологом леса на 5-7°С. Максимальные температуры почвы на горельнике наблюдаются в 141Ю. При этом прогревание вершим увалов происходит быстрее. В тоже время температура почвы в ночное время суток под лесным покровом оказалась выше, чем на горельнике на 3-4(|С. Особых различий в температуре поверхности почвы на разных элементах рельефа в это время выявлено не было.

Данные по тепловым потокам в почвенных профилях на гарях показали, что поступление наибольшего количества тепла в почву по всем вариантам наблюдается в дневное время суток. Максимальные значения отмечены в 1100 (193,6 Вт/м2). Максимальные отрицательные теплопотоки (из почвы) на гари отмечены в 2300 (-54,8 Вт/м2). Под пологом леса прогревание почвы начинается позднее. Под естественным древостоем теплопотоки по своим значениям в 2-3 раза ниже, чем на гарях, вследствие затеняющего действия леса.

Восстановление травяного покрова. На 5-й год после пожара выявлен неоднородный процесс распределения видов растений по различным элементам рельефа. В целом на гарях отмечено большее видовое разнообразие. Северные и южные склоны увалов на гарях по сравнению с контролем характеризуются большим количеством видов (20-35), пологие склоны увалов по количеству видов аналогичны контрольным участкам (табл. 4). Общее проек-

тивное покрытие травостоя на гарях на южных склонах и вершинах увалов снижается, на северных склонах, по сравнению с контролем, увеличивается.

Таблица 4

Характеристика травяного покрова на 5-й год после пожара

Остепнённый лишайнико- Гарь

Фитоценотичеекие вын бор

показатели южный северный вершина южный северный вершина

склон склон увала склон склон увала

Общее проективное покрытие, % 25 18 37 20 35 32

Количество видов, шт ТУ 18 22 26 26 20

Количество доминап-тон. шт. 2 2 2 5 4 10

Соотношение бота-

нических групп, %:

злаки 27,3 22,3 23,8 18,5 17,6 23,8

осоки 4,5 5,5 4,7 4,5 2,9 4,8

бобош,1С - - - - - -

разнотравье 68,2 72,2 71,5 77,0 79,5 71,4

Соотношение эколо-

гических групп, %:

гигрофиты 4,5 6,5 4,5 - - -

мезофиты 21,3 30,8 17,6 16,6 22,5 10

мезокеерофитм 39,4 36,4 45,8 35,8 36,8 35

ксерофиты 34,8 26,3 32,1 47,6 40,7 55

Па первых этапах пирогенных сукцессий восстановление травяного покрова осуществляется за счет разнотравья (71,4-79,5 %). Доля злаков и осоковых па гарях уменьшается, особенно на северных и южных склонах.

На 5-й год после пожара происходит: 1) выпадение из состава травостоя гигрофильных видов и снижение доли мезофитов на всех элементах рельефа; 2) уменьшение доли мезоксерофитов на южных склонах и вершинах увалов; 3) резкое увеличение доли ксерофитов на всех элементах рельефа.

На гарях увеличивается количество и изменяется видовой состав до-минантов. На контроле в качестве доминантов отмечались Carex supina (H'illci.) и Artemisia marschallina (Spreng.). На гарях пятилетнего возраста в зависимости от элементов рельефа в качестве доминантов выступают от 4 до 10 видов: Carex supina доминирует на всех элементах рельефа, Artemisia таг-schallianu - на вершинах увалов. На южных и северных склонах в качестве доминантов отмечаются сорные виды и ксерофильные виды злаков (Erigerun canadensis (L.), Koeleria glauca (Spreng.), Calamagrostis epigeios (L), Gypsophi-la altissima (L.), Linaria vulgaris (Mill.) и др.).

Таким образом, восстановление травяного покрова сосновых ленточных боров в условиях зоны сухой степи при ухудшении водно-термического

режима почв направлено в сторону ксерофитизации, что затрудняет и соответствующие процессы лесовозобновления.

ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ГАРЯХ В ЛЕНТОЧНЫХ БОРАХ АЛТАЙСКОГО КРАЯ В ЗОНЕ УМЕРЕННО ЗАСУШЛИВОЙ КОЛОЧНОЙ СТЕПИ

Морфология почв. Профиль дерново-подзолистых почв в зоне умеренно-засушливой колочной степи состоит из следующих горизонтов: А„ Аг-А2-А2В-В-ВС-С. На контроле дерново-подзолистые почвы являются дерно-выми-гпубокоподзолистыми среднедерновыми супесчаными.

Мощность генетических горизонтов после пожаров меняется незначительно (табл. 5). Восстановление почвенного покрова после пожара здесь начинается уже на следующий год после пожара. Преобладание травянистой растительности в отдельных участках приводит к развитию дернового горизонта. Развитие подзолистого процесса в почвах на гарях по понижениям рельефа в результате переувлажнения сопровождается процессами оглеения.

Таблица 5

Изменение мощности генетических горизонтов дерново-подзолистой почвы

Мощность генетических горизонтов, см

а, а, а2 а2в в ВС

контроль (мохово- лишайниковый бор)

4,16 + 0,01 11,16 +0,07 27,17+0,01 25,16 +0,01 30,83 +0,01 56,66 +0,01

гарь

1,83 + 0,0! 10,66 +0,01 31,17+0,01 25,83 +0,01 30,17+0,01 58,83 10,01

На 4-й год после пожара отмечено высокое залегание грунтовых вод, что проявлялось наличием в профиле почв капиллярной каймы. На контрольном варианте в межгривном понижении капиллярная кайма была зафиксирована в 76 см от поверхности почвы, на гари - в 70 см. Во время более ранних исследований такого высокого залегания грунтовых вод не было обнаружено.

Изменения морфологии почв после пожара в условиях зоны умеренно-засушливой колочной степи наблюдается только в пределах разновидности. На вершинах увалов почвы гарей характеризуются как дерново-глубокоподзолистые среднедерновые песчаные, в пониженных участках рельефа они определяются как дерновые-глубокоподзолистые среднедер новые супесчаные.

Гранулометрический состав. Дерново-подзолистые почвы в условиях зоны умеренно-засушливой колочной степи на всех вариантах являются супесчаными, так как содержание «физической глины» (< 0,01мм) в верхних горизонтах превышает 7%, а содержание фракции крупного песка в среднем колеблется от 45% до 65% от массы почвы.

После пожара на вершинах увалов в виду отсутствия развитого почвенного покрова происходит увеличение содержания фракций «физического песка». Смыв илистых частиц со склонов увалов на гарях и их аккумуляция в по-

нижениях рельефа способствует увеличению в низинных участках значений илистой фракции (< 0,001 мм).

В профиле почв на гарях отмечено так же неравномерное распределение фракций «физической глины». В подзолистом горизонте вследствие процессов оглеения наблюдается значительное увеличение количества частиц фракций < 0,01 мм до 28,6%.

Физико-химические и химические свойства. Кислотность почв. В условиях зоны умеренно-засушливой колочной степи пирогенный фактор способствует подщелачиванию почвенного раствора. На 2-й год после пожара кислотность почв составила 5,3 (контроль - 4,1). В тоже время в низинных участках на горельнике происходит незначительное подкисление почвенного раствора, что обусловлено содержанием ионов А11'.

Качественное определение проявления кислотности дерново-подзолистых почв на данной территории показало, что кислотность этих почв обусловлена наличием ионов обменного алюминия. При этом на гари содержание ионов алюминия выше, чем на контроле (табл. 6).

Таблица 6

Физико-химические и химические свойства дерново-подзолистых почв

Глубина отбора образца (см) Гумус (%) рН Емкость поглощения (мг-:жв на 100 г.) Обменные формы (ммоль /100 [')

Са"' | Мр-' | А15'

контроль (вершина увала)

0-10 4,7+0,02 4,710,02 1,0210,(11 1,8 0,9 Не обнаружен

10-20 ЗДЬо.ш 4,610,01 1,5810,02 1,5 0,8

20-30 1,210,01 4,610,01 1,3810,01 1,5 0,5

30-40 0,410,02 4,510,01 1,6010.01 1,4 0,2

40-50 0,210,02 4,810,111 1,5310,02 1,3 0,2

контроль (мсжгривнос понижение)

0-10 5,310,02 4,610,02 1,03+0,02 2,0 1,1 -

10-20 4,710,01 4,510,02 1,6010,02 1,8 0,9 -

20-30 1,610,02 4,410,02 2,5010,01 1,5 0,3 -

30-40 0,310,02 4,610,01 1,5810,01 1,5 0,2 0,009

40-50 0,210,04 4,9+0,01 1,9510,01 1,5 0,1 0,75

гарь (вершина увала)

0-10 2,210,01 4,910,01 1,2010,02 4,5 0,8 Не определяли

10-20 1,1+0,01 4,810,02 1,6210,02 3,0 0,7

20-30 0,810,02 4,610,01 1,9310,01 2,0 0,5

30-40 0,410,02 4,8±о,01 1,0410,03 1,8 0,3

40-50 0,2+0,01 5,110,01 0,9710,01 1,3 0,2

гарь (мсжгривнос понижение)

0-10 3,2+0,01 4,910,01 1,32+0,01 7,5 1,9 -

10-20 1,510,02 4,510,02 1,6010,01 4,2 0,8 0,58

20-30 0,9+0,01 4,210,02 1,7310,02 3,9 0,7 0,007

30-40 0,6+0,04 4,010,01 1,39+0,01 1,8 0,3 0,68

40-50 0,210,04 4,810,(11 1,0510,01 1,2 0,2 0,83

Незначительное подщелачивание почвенного раствора и наличие органических кислот в понижениях на гарях обуславливают высокие значения гидролитической кислотности.

Гумус. На вершинах увалов на гарях наблюдается снижение содержания гумуса в 2 раза. На 2-й год после пожара содержание гумуса в гумусовом горизонте составило 2,4%, а на 3-й год - 2,2%. Общее снижение содержания гумуса наблюдалось по всему профилю почв до глубины 50 см от поверхности почвы. В тоже время по пониженным элементам рельефа на гари на 3-й год после пожара содержание гумуса увеличивается до 3,4% (табл. 6).

Емкость поглощения. На 2-й год после прохождения пожара в условиях умеренно-засушливой колочной степи, в результате изменения содержания гумуса, происходит увеличение значений емкости поглощения до 4,6 мг/экв, на контрольном варианте - 1,8 мг/экв. Аналогичная тенденция увеличения значений емкости поглощения наблюдается и в последующие годы восстановления лесного биоценоза после пожара.

Обменные катионы. В почвах на гарях отмечается увеличение содержания обменных катионов. Особенно значительно в зоне умеренно-засушливой колочной степи по сравнению с контролем увеличивается содержание Са2' (табл. 5).

Элементы питания. Содержание валовых форм азота, фосфора и калия в почвах на гарях не изменяется. Обеспеченность дерново-подзолистых почв в зоне умерено-засушливой колочной степи элементами питания остается низкой.

Тяжелые металлы. Содержание тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах на гарях не превышает значения ПДК. В тоже время на 2-й год после пожара отмечено незначительное увеличения содержания свинца в верхнем слое почв.

Влажность. В условиях умеренно-засушливой колочной степи почвы на гарях являются более увлажненными, чем под сосновым бором, в 3 раза. При этом меньшее содержание почвенной влаги на контроле отмечалась и в нижележащих горизонтах. Запасы влаги в межгривном понижении на территории, лишенной древесной растительности, в верхних слоях почвы в течение всего вегетационного периода достигали значений более 20%, что в 5-7 раз больше контрольных значений.

Температура. Почвы на гарях в течение всего вегетационного периода характеризуются наибольшими значениями температуры по всему профилю почвы. Особенно сильно прогревается поверхность вершин увалов: в 13°° температура почвы является максимальной (29,8°С). В низинных участках рельефа на горельнике, в результате аккумуляции тепла за день, максимальные значения температуры приходятся на 1600 (25,9°С). Под пологом леса к этому времени наблюдается остывание поверхности почвы.

Ночью происходит резкое остывание профиля почв гарей. Минимальные значения температуры отмечены на вершине увалов в 01°° (10,8°С). На

контроле температура поверхности почвы несколько выше (12,9°С). При этом низинные участки почв на гарях в это время характеризуются более высокими значениями температуры (14,3°С). В целом почвенный профиль контрольных участков, как днём, так и ночыо имеет меньшую температуру по сравнению с участком леса, лишенного древесной растительности.

Восстановление травяного покрова. Па 3-й год после отмечается общее увеличение количества видов: вершины увалов - 32 вида, межгривные понижения - 24 вида. На северных склонах количество видов по сравнению с контролем уменьшается. Общее проективное покрытие травостоя на гарях выше на южных склонах, вершинах увалов и в межгривных понижениях, на северных склонах проективное покрытие уменьшается (табл. 7).

Таблица 7

Характеристика травяного покрова па 3-й год после пожара

Фитоцепотические показатели Мохово-лишайниковый бор Гарь

южиыИ склон нершшш увала сенерньш склон 1ШЧИШ1 укала 1ПХШЫИ склон НфШЖШ упала северный склон ни:Ш£Ш ун ала

Общее проективное покрытие, % 18 15 15 20 70 42 9 58

Количество видов, шт 21 18 9 16 20 32 5 24

Количество доминан- 1 1 2 1 5 4 3

тен, шт.

Соотношение ботани-

ческих групп, %:

злаки 25 16,6 44,5 13,4 21,7 18,7 25 19

осоки 10 5,5 22,2 13,3 13 6,3 25 4,8

бобовые - - - - - 3,2 - 4,8

разнотравье 65 77,9 33,3 73,3 65,3 71,8 50 71,4

Соотношение эколо-

гических групп, %:

гигрофиты - - - _ - - 20 12,5

мезогигрофиты - - - - - - - 4,2

мезофиты 28,9 29,9 49,4 41,4 20 21,8 40 24,8

мезоксерофиты 41,4 41,4 28,2 39,7 50 50 40 50,2

ксерофиты 29,7 28,7 22,4 18,9 30 28,2 - 8,3

В первые годы после пожара на гарях в травостое преобладает разнотравье и отмечается значительное участие злаков. В зависимости от элементов рельефа изменяется долевое участие других ботанических групп: на вершинах увалов и в низинах появляются бобовые, на северных и южных склонах возрастает доля осок (табл. 7).

На 3-й год после пожара наблюдается: 1) появление в травостое гигрофильных и мезогигрофильных видов и снижение доли мезофитов и ксерофитов в межгривных понижениях и на северных склонах; 2) уменьшение доли мезофитов на фоне увеличения доли ксерофильных видов на южных склонах и вершинах увалов.

На контроле в качестве доминанта выступает Carex ericetorum (Poll.), на северных склонах добавляется С a rex supina (Willcí), в межгривных понижениях - Calamagrostis epigeios (I.). На гарях трехлетнего возраста в зависимости от элементов рельефа отмечаются от 3 до 5 видов доминантов. Большее разнообразие доминантов характерно для южных склонов и вершин увалов, где преобладают Carex supina, Gypsophila paniculala (L.j, Calamagrostis epigeios, Artemisia marschalliana (Spreng.), Koeleria glauca (Spreng.).

Таким образом, восстановление травяного покрова сосновых ленточных боров в условиях умеренно-засушливой колочной степи на южных склонах и вершинах увалов происходит в сторону исходных естественных растительных группировок на контроле. При этом в межгривных понижениях, с учётом особенностей погодных условий на данной территории, наблюдается ухудшение водно-термического режима почв, что обуславливает направленность сукцессионных процессов в сторону мезофитизации и гигрофитизации.

ВЫВОДЫ

1. В условиях зоны сухой степи лесные пожары приводят к изменению морфологических признаков на видовом уровне и в пределах разновидности почв. В условиях умеренно-засушливой колочной степи изменения морфологии гючв после пожара наблюдается только в пределах разновидности, а переувлажнение почвенного профиля приводит к развитию процессов оглеепия.

2. В условиях зоны сухой и умеренно-засушливой колочной степи пи-рогенный фактор способствует увеличению на вершинах увалов фракций физического песка. Развитие процессов дефляции на вершинах увалов способствует увеличению содержания фракций физической глины в низинных участках рельефа.

3. Лесные пожары способствуют подщелачиванию почвенного раствора, переводя дерново-подзолистые почвы из категории кислых в категорию слабокислых почв. При этом кислотность дерпово-подзолистых почв в условиях умеренно-засушливой колочной степи обусловлена как ионами водорода, так и ионами алюминия, тогда как в условиях зоны сухой степи кислотность определяется только ионами водорода.

4. После лесного пожара отмечается снижение содержание гумуса по всему профилю почвы, но с течением времени в процессе восстановления растительности содержание гумуса на гарях на всех элементах рельефа выравнивается, приближаясь к исходным значениям.

В процессе гумусообразования в почвах на гарях в условиях зоны сухой степи ведущим компонентом среди основных групп гумусовых веществ являются гуминовые кислоты, что приводит к образованию в верхних горизонтах гуматного типа гумуса.

5. В почвах гарей в составе обменных катионов происходит увеличение содержания Са2+. В зоне умеренно-засушливой колочной степи содержание

обменного кальция в почвах иа гарях увеличивается в 2-3 раза, что способствует накоплению в составе гумуса гуматов кальция.

Содержание тяжелых металлов в почвах горельников остается ниже значений ПДК.

6. На гарях вершины увалов характеризуются низкими значениями влажности по всему профилю почв, что обусловлено физическим испарение под воздействием высоких температур воздуха. Низинные участки рельефа лишенные древесной растительности содержат больше влаги, чем контрольные участки под пологом леса, что наблюдается в результате транспирации влаги древесной растительности. В условиях зоны сухой степи, по сравнению с зоной умеренно-засушливой колонной степи, под пологом леса на контрольных участках складывается более напряженный водный режим.

7. Температура поверхности почвы на гарях в дневное время суток, как в условиях зоны сухой степи, так в условиях зоны умеренно-засушливой ко-лочной степи, на 5-7°С выше температуры почв под пологом леса. Остывание поверхности почвы на участках лишенных растительности происходит быстрее, что обуславливает низкие температуры почв гарей в ночное время суток.

8. Восстановление травяного покрова на гарях в условиях зоны сухой степи в первые годы после пожара направлено в сторону ксерофитизации. В условиях умеренно-засушливой колочной степи на южных склонах и вершинах увалов восстановление травяного покрова происходит в сторону исходных естественных растительных группировок, в межгривных понижениях сукцессионные процессы направлены в сторону мезофитизации и гигрофити-зации.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Трофимов И.Т., Заблоцкий В.И., Бахарева И.Ю. Влияние лесных пожаров на дерново-подзолистые почвы ленточных боров Алтайского края / Вузовская наука - сельскому хозяйству (Международная научно-практическая конференция): Сборник статей. В 2 кн. - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2005. - Кн. 1. - С. 134-138.

2. Бахарева И.Ю. Влияние лесных пожаров на дерново-подзолистые почвы юго-западной части ленточных боров Алтайского края // Молодёжь -Барнаулу. Материалы научно-практической конференции. - Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2006.-С. 317-318.

3. Бахарева И.Ю. Влияние лесных пожаров на свойства дерново-подзолистых почв юго-западной части ленточных боров Алтайского края // Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем / Материалы II Международной научно-практической конференции. - Иркутск: Изд-во ИГУ, 2006. - С. 256-261.

4. Бахарева И.Ю. Влияние лесных пожаров на свойства дерново-подзолистых почв северо-восточной части ленточных боров Алтайского края

//Молодежь - Барнаулу / Материалы научно-практической конференции. -Барнаул, 2007. - С. 435-437.

5. Трофимов И.Т., Бахарева И.Ю., Заблоцкий В.И. Послепироген-ное изменение свойств дерново-подзолистых почв ленточных боров Алтайского края // Лесное почвоведение: итоги, проблемы, перспективы / Материалы докладов Международной научной конференции. - Сыктывкар, 2007. -С. 87-88.

6. Трофимов И.Т., Бахарева И.Ю. Особенности посленирогсн-ной трансформации дсрново-подзолистых почв юго-занадной части ленточных боров Алтайского края // Вестник АГАУ. - Барнаул, 2007. - № 11 (37).-С. 31-34.

7. Бахарева И.Ю. Особенности гумусообразования дерново-подзолистых почв горельников боров Алтайского края // Труды молодых ученых АлтГУ / Материалы научной конференции «Дни молодежной науки в АлтГУ». - Барнаул, 2007. - С. 35-36.

8. Трофимов И.Т., Бахарева И.Ю., Чижикова Н.П. Химико-минералогический состав почв ленточных боров долин древнего стока и их террасированных склонов Прсдалтайской провинции // Вестник АГАУ. - Барнаул, 2008. - № 2 (40). - С. 9-14.

Пописано к печати 17.11.2009 г. Формат бумаги 60x84/16. Усл.печ.л. 1. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № 3-0074

Изготовлено РПИК «АЯТИКА» г. Барнаул, пр.Ленина, 54в, офис 104 Тел.: 8 (3852) 248-848, факс: 668-128 Artika27@mail.ru wvvvv.arlika.org

09-23036

¿?4

v/ ;<

2008154985

2008154985