Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структура и динамика естественных экосистем и их компонентов в государственном природном биосферном заповеднике "Черные Земли"

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Структура и динамика естественных экосистем и их компонентов в государственном природном биосферном заповеднике "Черные Земли""

На правах рукописи

Федорова Наталья Лиджиевна

СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ И ИХ КОМПОНЕНТОВ В ГОСУДАРСТВЕННОМ ПРИРОДНОМ БИОСФЕРНОМ ЗАПОВЕДНИКЕ «ЧЕРНЫЕ ЗЕМЛИ»

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 МАР 2012

Саратов-2012

005015705

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Калмыцкий государственный университет» на кафедре общей биологии и физиологии

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук, профессор Лиджиева Нина Цереновна, зав. кафедрой общей биологии и физиологии Калмыцкого государственного университета

доктор биологических наук, ст. н. с. Опарин Михаил Львович, директор Саратовского филиала Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН

кандидат биологических наук, доцент Джабруева Лариса Владимировна, зам. Руководителя УФС по надзору в сфере природопользования по Республике Калмыкия

ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет»

Защита состоится «16» марта 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.13 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, д. 83; e-mail: bisovet@sgu.ru. Fax: 8(8452)27-85-29.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке им. В. А. Артисевич ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского».

Автореферат разослан «_» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г

С.А. Невский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучению различных аспектов процессов опустынивания и деградации аридных экосистем в целом и их отдельных компонентов посвящено много работ (АиЬгеуШе, 1949; Ковда, 1950, Вге§пе, 1977; Петров, 1979; Харин, 1980; Зонн, 1985; Виноградов и др, 1990; Залибеков, 1997; Кулик, 2001; Сафронова, 2010 и др.). Однако вопросы восстановления аридных экосистем недостаточно изучены, поэтому актуальность приобретают многолетние стационарные исследования на территориях с протекающими восстановительными процессами. Регион Черные земли, большую часть которого занимают деградированные низкопродуктивные пастбища, образовавшиеся в результате негативного антропогенного влияния, расположен на северо-западе Прикаспийской низменности. Репрезентативным полигоном для изучения многолетних восстановительных процессов растительных и почвенных компонентов в изменяющихся природно-антропогенных условиях может служить Государственный природный биосферный заповедник (ГПБЗ) «Черные Земли», созданный в южной части изучаемого региона.

Знание структуры и динамики естественных экосистем, масштабов их деградации на современном этапе является необходимым условием постоянного эффективного управления легко уязвимыми пастбищными экосистемами в аридной зоне в целях их восстановления.

Цель работы: выявление струюуры и динамики естественных экосистем и их компонентов в ГПБЗ «Черные Земли» при воздействии природных и антропогенных факторов.

Задачи исследования: 1. Изучение современного состояния почвенных и растительных компонентов естественных экосистем в ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих к нему территорий.

2. Анализ ботанического богатства: флористического и фитоценотического разнообразия растительности в пределах исследуемых зон, различающихся по степени антропогенного воздействия.

3. Изучение временной динамики естественных экосистем и их компонентов в ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих территорий при использовании космической информации с применением геоинформационных технологий.

Объект исследования: природные экосистемы региона Черных земель, включающие опустыненные территории.

Научная новизна. Выполнена оценка современного состояния почв и растительности ГПБЗ «Черные Земли». Выявлены закономерности восстановительных сукцессий растительных сообществ на ключевых участках ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих территорий с использованием метода топоэкологического профилирования, сопряженного с применением геоинформационных технологий. Создана

геоинформационная система (ГИС) «Черных Земель», включающая в себя картографическую и информационную части, на основе которой составлена Карта-схема современной растительности ГПБЗ «Черные Земли». При использовании материалов дистанционного зондирования Земли и современных ГИС-технологий получена объективная информация о состоянии природных экосистем, степени их нарушенности и динамике. Показаны возможности нормализованного разностного индекса растительности NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) для оценки биологической продуктивности, а также для выявления деградированных пастбищ в аридной зоне.

Теоретическое и практическое значение работы. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования динамики и восстановления аридных пастбищ. Выявленные при помощи вегетационного индекса (NDVI) и полевых исследований количественные и качественные критерии деградации растительных сообществ в результате антропогенного воздействия послужат основой для принятия в дальнейшем управленческих решений, направленных на повышение урожайности естественных пастбищ. Картографическая инвентаризация материалов исследования будет применена для создания специальной серии цифровых карт, атласа тематических электронных карт изучаемого объекта, а также для составления планов рационального хозяйственного использования пастбищ аридной зоны. Материалы диссертации используются в учебном процессе при чтении курсов «Геоинформационные системы» и «Индикационная геоботаника» для магистрантов по направлению «Биология» в Калмыцком государственном университете.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на: международных и российских конференциях по проблемам биоразнообразия, природопользования и устойчивого развития (Оренбург, 2004; Азов, 2006; Астрахань, 2007; «Степи Северной Евразии» Оренбург, 2006, 2009; Санкт-Петербург, 2007; Ростов-на-Дону, 2007, 2011; «Ломоноеов-2010», Москва и др.); заседаниях отдела экологических исследований и ученого совета ГУ «Институт комплексных исследований аридных территорий» (Элиста, 2004-2011); заседаниях кафедры общей биологии и физиологии ФГБОУ ВПО «Калмыцкий государственный университет» (Элиста, 2010-2011).

Публикация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном Перечнем ВАК Российской Федерации.

Декларация личного участия автора. Диссертантом лично проведены в 2003-2011 гг. полевые работы по теме исследования, осуществлена камеральная и статистическая обработка полевых материалов, интерпретированы фактические данные и произведен анализ согласно плану,

составленным с научным руководителем. Доля автора в совместных публикациях составила 50-60%

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Восстановительные сукцессии растительности на изучаемой территории быстрее протекают на засоленных суглинистых равнинах (зона выпаса) и медленнее - на супесчаных и песчаных равнинах, песках (охранная и заповедная зоны).

2. Значительное уменьшение площади активных очагов опустынивания и увеличение площади заросших песков связано с активным восстановлением растительности в заповедной и охранной зонах. При зарастании песков в травостое чаще всего доминируют сорные и рудеральные виды.

3. Биологическая продуктивность фитоценозов исследованной территории имеет положительную связь со значениями вегетационного индекса, однако в аридной зоне могут быть исключения для монодоминантных сообществ растений-ксерофитов.

4. Современный статус растительного покрова ГПБЗ «Черные Земли» представляет собой динамически неустойчивое образование переходного состояния пустынных экосистем.

Структура и объем работы. Основные положения диссертации изложены на 188 страницах компьютерного текста. Работа иллюстрирована 36 таблицами и 17 рисунками, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложения. Список использованной литературы включает 218 наименований отечественных и зарубежных авторов. В приложении приведен список сообществ фитоценотического разнообразия растительности, отмеченных на территории ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих к нему территорий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, определены цель и задачи работы, объекты исследования, показана научная новизна, теоретическое и практическое значение работы, ее апробация, обозначены положения, выносимые на защиту.

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ОПУСТЫНИВАНИЯ И ДЕГРАДАЦИИ ЗЕМЕЛЬ

АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО ПРИКАСПИЯ (обзор литературы)

В главе рассмотрены вопросы и проблемы по изучению процессов опустынивания, формы и факторы деградации природных экосистем, происходящие сукцессии растительных сообществ под влиянием антропогенных факторов, показано использование методов фитоиндикации

для выявления деградационных процессов в аридных регионах СевероЗападного Прикаспия. Рассмотрена эволюция взглядов на понятие «опустынивание» с конца XIX в. по настоящее время (Пржевальский, 1883; Потанин, 1893; Козлов, 1923; Высоцкий, 1915; Пачоский, 1921; Ковда, 1950; Петров, 1979; Харин, 1980; Бабаев, Зонн, 1987; Виноградов, 1990; Залибеков, 1997; Бананова, 1999 и др.). Проведен обзор работ, посвященных экологическому мониторингу биоты пустынных экосистем, определению нагрузок в зависимости от потенциала пастбищной дигрессии (Нечаева, 1978, 1989; Бабаев, 1978; Байрамова, 1987; Шамсутдинова, Мухамедова, 1999), а также изучению сукцессий пастбищной растительности в зависимости от степени нагрузки (Горшкова, 1973; Миркин, 1984; Растительные сообщества..., 1984; Работнов, 1992, 1998).

В настоящее время проблема изучения процессов опустынивания (деградации) остается дискуссионной. Такое положение, несмотря на многочисленные объемы публикаций по этой проблеме, связано с отсутствием четких понятий и критериев для процессов и прогноза развития процессов опустынивания, а также нет ясных разграничений между понятиями «природное» и «антропогенное» опустынивание.

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, РАЙОН РАБОТ

Во главе описаны материалы и методы исследования, с подробной характеристикой района работ. Исследования проводились в соответствии с поставленными задачами с использованием методов ГИС-технологий, дистанционного зондирования и широким применением методов ландшафтно-экологического профилирования, состоящие из нескольких последовательных этапов. При изучении динамики природных экосистем применялся эколого-географический подход.

На этапе анализа и интегрирования различных типов данных был проведен сбор и анализ литературных и статистических данных, картографических, космических материалов с их пространственно-временной привязкой и выходными характеристиками. На предполевом камеральном этапе, включающем обработку сканерных космоизображений и их визуальное дешифрирование, была выполнена серия цветных синтезированных космоизображений с использованием спектральных диапазонов. Полевые исследования включали: инструментальное профилирование с помощью нивелира, геоботанические описания участков, отбор укосов на биологическую продуктивность, закладка почвенных разрезов и отбор проб почв для лабораторных исследований.

Описание растительного покрова проводили в соответствии со стандартными геоботаническими методиками. Для хранения и обработки данных была разработана база данных в программе Excel в виде тематических связанных таблиц, содержащих сведения о компонентах

экосистем (почвы, растительность, укосы). Данные пополняли как по материалам технических отчетов геоботанических работ, так и собственных при полевом этапе.

Исследования проводились в 2003-2011 гг. на территории ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих к нему территорий, расположенных на юге Северо-Западного Прикаспия. В настоящее время ГПБЗ «Черные Земли» состоит из двух частей: восточной, основного участка «Черные Земли», пустынной зоны Прикаспийской низменности, и западной, орнитологического - «Маныч-Гудило», степной зоны центральной части Кумо-Манычской впадины. В данном разделе рассмотрены климатические, геолого-геоморфологические условия, поверхностные отложения, природные воды, почвы и растительность. Выявлено, что на фоне общей тенденции к возрастанию годовых сумм осадков (за период 70 лет - 50 мм) для территории характерны циклы относительно сухих и влажных лет. Период наших работ приходится на цикл засушливых лет, о чем свидетельствуют метеоданные по метеорологическому посту в районе пос. Утта Яшкульского района РК.

В целях выявления динамики компонентов пастбищных экосистем данной территории были выбраны восемь ключевых участков на территории основного участка заповедника, различающихся по ландшафтно-эдафическим условиям и по степени антропогенного воздействия: зона заповедная, зона охранная и зона выпаса. Зона заповедная площадью 943,02 км2 является ядром ГПБЗ «Черные Земли». Хозяйственное воздействие здесь отсутствует (рис. 1)._

Условные обозначения

граница ГПБЗ "Черные Земли"

граница зоны охранной ГПБЗ "Черные Земли" Зона заповедная: "А* ключевой участок №1 "Сапог-1" ключевой участок №2 "Сапог-2" ключевой участок N=3 "Майорка-1" фс ключевой участок №4 "Майорка-2" Зона охранная; ^ ключевой участок №5 Тавн-Гашун-З" ^ ключевой участок "Хулхуга-1" Зона выпаса:

^ ключевой участок №7 'Тавн-Гашун-1" ■А" ключевой участок №8 "Хулхута-2"

Рис. 1. Карто-схема расположения ключевых участков объекта исследования

В зоне охранной осуществляется ограниченное хозяйственное использование: допускается размещение небольшого числа животноводческих стоянок, с частичным использованием территории для выпаса. Охранная зона окаймляет северную и западную сторон границы заповедника. Ширина охранной зоны составляет 5 км. В зоне выпаса территория ключевых участков используется под пастбища и сенокосы. В пределах трех исследуемых зон выделенные участки являются наиболее репрезентативными.

Глава 3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ

ЭКОСИСТЕМ И ИХ КОМПОНЕНТОВ ГПБЗ «ЧЕРНЫЕ ЗЕМЛИ» И ПРИЛЕГАЮЩИХ К НЕМУ ТЕРРИТОРИЙ

В целях установления закономерностей восстановительных сукцессий растительного покрова аридных экосистем, в период 2003- i

2011 гг. были проведены исследования на репрезентативных ключевых участках ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих к нему территорий, различающихся почвенно-эдафическими условиями (от легких по гранулометрическому составу до суглинистых вариантов бурых почв) и степенью антропогенной нагрузки. В ходе работ было выполнено 188 геоботанических описания ключевых участков методом топо-экологического профилирования. L

На примере топоэкологического профиля ключевого участка «Сапог-1» (зона заповедная) выявлено пространственное распределение растительных сообществ по микрорельефу бугристых песков (рис. 2)._

-40 ...............

расстояние^

Рис. 2. Топоэкологический профиль ключевого участка «Сапог-1» (зона заповедная) бугристые пески

По вершинам бугров отмечены сообщества - рудеральные, эфемеровые с участием кияка (Alhagi pseudalhagi, Xanthium spinosum; Anisamha tectarum, Leymus racemosus; Gypsophila paniculaia. A. tectorum, Crepis tectorum, Filago arvensis), по склону бугров - однолетниковые (Poa bulbosa, Sisymbrium loeselïi; S. loeselii; Centaurea arenaria; S. loeselii, Salsola tragus, Ceratocarpus arenarius). В межбугровых понижениях описаны сообщества с доминированием эфемеров (A. tectorum, S. loeselii), кияка (L. racemosus), терескена (Krasheninnikovia ceratoides), где также участвовали злаки (Stipa sareptana, S. capillatá) на выровненных участках ОПП травостоя встреченных сообществ составило 30-70%, количество видов варьировало от 4 до 9, высота растений изменялась от 0,05 до 1,1 м.

Почвенный покров на бугристых песках с участием псаммофитов (L. racemosus, Calligonum aphyllum) имел легкий гранулометрический состав с преобладающей фракцией - песок мелкий. Корнеобитаемый слой почв на всех участках являлся незаселенным. Плотный остаток составил 0,0380,108%. В анионной части преобладали ионы НС03~, а в катионной - Са2+.

На примере ключевого участка «Майорка-2», расположенного на пологоволнистой равнине, были описаны растительные сообщества с доминированием дерновинных злаков (S. capillata) и эфемеров (A. tectorum, Bromus japonicus), образующих почти сомкнутый травостой на бурых супесчаных и песчаных почвах. Общее проективное покрытие отмеченных сообществ составляло 50-80%. Число видов в травостое варьировало от 4 до 7, высота растений изменялась от 0,05 до 0,9 м. Верхние горизонты были представлены средним суглинком в слое 0-20 см, в слое 20-40 см - тяжелым суглинком, в нижнем горизонте - легкосуглинистым составом. Содержание фракции мелкого песка составило 0,25-0,05 мм (от 29 до 80%).

Таким образом, в заповедной зоне на заросших песках преобладали однолетниковые с участием кустарников и кустарничков, эфемерово-злаковые сообщества с большим обилием однолетников (A. tectorum, Eragrostis minor, S. loeselii).

На территории ключевого участка «Тавн-Гашун-3» (зона охранная) в ходе наших исследований были отмечены сообщества: однолетниково-тырсиковые (S. sareptana, S. tragus, С. arenarius); тырсиково-эбелековые (С. arenarius, S. sareptana); эфемерово-тырсиковые (S. sareptana, S. tragus, S. loeselii); тырсиковые (S. sareptana), гулявниковые (S. loeselii) на волнистой супесчаной и песчаной равнине. Общее проективное покрытие составило 6080%. Число видов в сообществах варьировало от 7 до 9. Высота растений изменялась от 0,05 до 0,7 м. Почвы ключевого участка «Тавн-Гашун-3» имели легкий гранулометрический состав. Преобладающей (с содержанием более 58,6%) являлась фракция мелкого песка (0,25-0,05 мм). Почвы незаселенные, величина плотного остатка составила 0,08-0,125. Содержание органического вещества во всех изученных почвах низкое (от 0,2 до 1,21%).

Таким образом, в настоящее время на участках исследования охранной зоны преобладают однолетниковые (С. arenarius) и ковыльные (S. capillata, S. lessingiana), житняковые (Agropyron fragile), мятликовые (Р. bulbosä) сообщества на супесчаных почвах. На супесчаных засоленных почвах комплексы вострецово-полынных и лерхополынных пустынь трансформируются в однолетниковые, полынково-ковыльные сообщества в комплексе с полынковыми. Об этом свидетельствует фитоценотический состав сообществ, где значительную роль играют дерновинные злаки, а также эбелековые, кураевые (S. tragus) сообщества.

В зоне выпаса .исследуемая территория представляет собой пастбищные земли с сильной степенью нарушения растительного покрова. Растительность ключевого участка «Тавн-Гашун-1» представлена следующими сообществами: прутняково-тырсиково-осочковые {Сагех stenophylla, S. sareptana, Kochia prostrata)-, полынково-осочково-тырсиковые (S. sareptana, С. stenophylla, Artemisia austriaca); осочково-злаково-полынковые (A. austriaca, S. sareptana, A. fragile, C. stenophylla)', полынково-тырсовые (S. capillata, A. austriaca) в комплексе с Artemisia lerchiana на супесчаной равнине вариантах бурых почв. Рельеф - пологоволнистый склон. Общее проективное покрытие составило 40-75%. Число видов изменялось от 6 до 9. На этом участке отмечена сильная степень стравливания. Высота растений варьировала от 0,06 до 0,8 м. На профиле «Тавн-Гашун-1» почвы незасолены, величина плотного остатка составила 0,07-0,15%. Содержание гумуса во всех исследованных сообществах - достаточно низкое, в горизонте А выше, чем в нижеследующих (от 0,72 до 0,93%), что обусловлено участием в травостое дерновинных злаков, которые образуют достаточно плотные дернины.

Таким образом, в зоне выпаса на бурых супесчаных и песчаных почвах распространены сообщества с доминированием злаковых сообществ (S. sareptana, S. capillata), осочковых (С. stenophylla), а на суглинистой равнине распространены эфемерово-злаково-лерхополынные,

лерхополынные, чернополынные комплексные сообщества. При умеренном выпасе однородные лерхополынные сообщества сменяются комплексной растительностью. Под воздействием усиленного выпаса лерхополынные залежи трансформируются в лерхополынно-эбелековые, эбелеково-лерхополынные, эбелековые. Большая часть заповедника занята бугристыми и барханно-бугристыми песками, песчаными и супесчаными равнинами. На равнины с суглинистыми почвами приходились не более 5% площади.

Почвенное разнообразие объекта исследования составило 7 подтипов почв на основании степени их гумусированности и выщелоченное™ профиля от легкорастворимых солей. С возрастанием сукцессионного статуса сообществ с доминированием псаммофитных растений происходит увеличение содержания в песках пылеватых фракций, что придает им свойства связнопесчаных и легкосупесчаных почв.

Для прикаспийских пустынь типичным является доминирование лерхополынников (A. lerchiana) на суглинистых, супесчаных и песчаных почвах. В настоящее время в ГПБЗ «Черные Земли» лерхополынные пустыни почти отсутствуют. Этому способствуют и ежегодные пожары, повреждающие почки возобновления у полукустарничков. Восстановительные сукцессии растительности на изучаемой территории быстрее протекают на засоленных суглинистых равнинах (зона выпаса) и медленнее - на супесчаных и песчаных равнинах, песках (охранная и заповедная зоны).

Выявленный в результате исследований демутационный ряд состоит из следующих стадий: рудеральная - эфемеровая - эфемерово-злаковая -злаковая - лерхополынно-злаковая - злаково-лерхополынная. Количество стадий демутационного ряда зависит от сформированности растительного покрова (ярусная полнота и функциональная замещаемость видов) и степени антропогенной трансформации.

Выявленное по 188 геоботаническим описаниям фитоценотическое разнообразие заповедника и прилегающих к нему территорий составило 20 формаций.

Для расчета значения индекса вегетации (NDVI) был синтезирован космоснимок в программе MultiSpekW 32 с искусственного спутника (ИСЗ) «Landsat-7» (сканер ЕТМ+, 01.06.2011), и просчитан индекс вегетации в программе Hwis 3.6 (рис. 3).

1 :250000

ч.

NDVI 01.06 2011

■ щ *

m *-0.25 Ш .0 25-0.15

■ -0 15-0.D5

□ -0 05*0.05

□ +0 05+0.15 СП +0 15+-Э.25 СП +0.25+0.35 Ш +0.35+3.45 КЗ +0-15+0.55

■ +0 55+0.65 ■I +O.65+0.7S

★ 1

Условные обозначения + граница ГПБЗ "Черные Земли" граница охранной зоны ГПБЗ "Черные Земли" •8 ключевые участки

Рис. 3. Фрагмент обработанного в Ниле 3.6 космоизображения с ИСЗ «Ьапс^аЬ?» (сканер ЕТМ+, 01.06.2011) для расчета индекса вегетации

Совместный анализ данных показателей вегетационного индекса за 14.06.2010, 01.06.2011 и биологической продуктивности растительных

укосов, собранных в это же время в полевых исследованиях, выявил статистически значимую положительную связь между данными параметрами.

ИСЗ «Ьапска^», сканер ЕТМ+, 01.06.2011)

Рассчитанный коэффициент корреляции между значениями индекса вегетации для космоизображения с ИСЗ «Ьап(15а1-7» (сканер ЕТМ+, 01.06.2011) и биологической продуктивности оказался равен значению 0,62, что свидетельствует о тесноте связей между этими показателями (рис. 4). Были также определены соответствующие им растительные сообщества.

Анализ полученных данных (от 0 до 0,5) свидетельствует о

разреженной растительности, что подтверждается геоботаническими описаниями ключевых участков, которые охватывают пустынную зону исследования. Некоторые значения (самые большие значения по продуктивности - 596-766 г) выходили за линию тренда. Это практически монодоминантные сообщества дескурайнии, качима, терескена. Несмотря на значительный объем биомассы им соответствовали низкие значения (0,02-0,3), что можно объяснить наличием большого количества одревесневающих и усыхающих стеблей с низким содержанием хлорофилла.

Таким образом, количественные и качественные критерии нарушенности растительных сообществ в результате антропогенного воздействия дали возможность использовать их в мониторинге состояния аридной зоны объекта изучения. Применяемые методы исследований позволяют своевременно сигнализировать о процессах дигрессии в природных комплексах аридного региона для принятия наиболее верных в долгосрочной перспективе решений, направленных на повышение урожайности естественных сообществ.

Глава 4. БОТАНИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ НА КЛЮЧЕВЫХ УЧАСТКАХ ГПБЗ «ЧЕРНЫЕ ЗЕМЛИ» И ПРИЛЕГАЮЩИХ К НЕМУ ТЕРРИТОРИЯХ

В исследованной флоре ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих к нему территорий выявлен 201 дикорастущий вид, 135 родов из 33 семейств высших растений (не включая мохообразных). Из них 99,5% приходилось на отдел Покрытосеменные (.Angiospermatophyta•), 0,5% видов - на отдел Голосеменные (Gymnospermatophyta).

Наиболее многочисленными были три семейства: Asteraceae (20,9%), Роасеае (15,4%), Chenopodiaceae (10,4%) в зонах охранной и выпаса, где они составляли 46,8 и 50,76% соответственно. В зоне заповедной, в отличие от вышеназванных зон, третью позицию занимало не семейство Chenopodiaceae, а семейство Brassicaceae (9,70%). Участие видов семейства Роасеае в разных зонах сохранялось на одном уровне. Меньшая доля участия во флоре приходилась на семейства: Brassicaceae (9,0%), Fabaceae (6,0%), Boraginaceae (5,5%), Caryophyllaceae (4,0%), Polygonaceae (3,5%), Ranunculaceae (3,0%), Lamiaceae (2,5%). В сумме данные семейства составляли 82,1% от состава флоры. Данный набор семейств сохранялся в зонах заповедной и выпаса. Среди семейств с малочисленными видами на долю одно-двувидовых семейств приходились 51,52%, на долю одновидовых 45,45% во всей флоре от общего числа семейств.

Древесные растения в исследуемой флоре были представлены тремя видами кустарников (1,49%) и 1 видом кустарничков (0,50%). При этом на изучаемой территории кустарничек Ephedra distachya отмечен только в зоне выпаса. Кустарник Calligonum aphyllum имеется во флоре всех трех исследованных зон. Полудревесные растения в исследуемой флоре представлены двумя видами полукустарников (1,00%) и 13 видами полукустарничков (6,47%). Полукустарнички во флоре в целом представлены растениями из четырех семейств: Asteraceae (6 видов Artemisia), Chenopodiaceae (5 видов), Fabaceae (1 вид) и Rosaceae (1 вид).

Среди многолетников много рыхло- и плотнодерновинных злаков (Agropyron cristalum, A. desertorum, A. fragile, S. sareptana, S. lessingiana), a также эфемероидов (P. bulbosa, Tulipa biflora). Однолетники были представлены эфемерами с разновременной вегетацией (ранне-весенние, весенне-летние, летне-осенние): A. tectorum, Eremopyrum triticeum, Descurainia sophia, S. loeselii и др. Собственно двулетниками являлись 23 вида (11,44%) - во всей флоре, 22 вида (11,835) - в зоне заповедной, 18 видов (11,76%) - в зоне охранной, 14 видов (10,69%) - в зоне выпасной.

Среди древесных и полудревесных растений отмечены ксерофиты (С. aphyllum, Е. distachya) и галофиты (Nitraría schoberi, Halocnemum strobilaceum, Tamarix ramosissima). В трех исследованных зонах на долю криптофитов приходилось 9,7-10,7%, терофитов - 35,9-38,2%; особенно

многочисленна группа гемикриптофитов - 42,7-46,2%. Наибольшее число видов исследуемой флоры относилась к степному типу растительности - 160 видов (79,60%), среди них на участках с микро- и нанорельефом развивались лугово-степные и степные виды: Elytrigia repetís, Euclidium syriacum, Senecio jacobaea, Galium aparine, Astragalus lesticulatus и др.

В связи с происходящим процессом восстановления «физиономически» подобного степному типу растительности, доля видов растений степного типа уменьшалась от 82,80% (зона заповедная) до 77,86% (зона выпаса). В пределах исследованных трех зон, различающихся по степени нагрузки антропогенного воздействия, доля пустынных видов растений увеличивалась от 9,68 (зона заповедная) до 12,21% (зона выпаса). Луговая растительность была представлена 17 видами (8,46%), приуроченными к микропонижениям с лугово-бурыми почвами (Taraxacum officinale, Setaria viridis, Inula britannica и др.), более 50% видов растений лугового типа во всех исследованных зонах относились к галофитно-луговым (Aeluropus ¡ittoralis, Puccinellia distans). В изученной флоре ключевых участков на разбитых антропогенно-нарушенных почвах доля участия рудеральных, сорных видов (С. arenarius, Chenopodium album, Amaranthus albus, Ceratocephala testiculata, D. sophia, S. loeselii и др.) составила 25,3% от общего числа видов

Таким образом, в зонах охранной и выпаса при увеличении антропогенной нагрузки отмечено уменьшение видового разнообразия, сопровождающейся увеличением доли родов с малым числом видов. Среди травянистых растений в изученной флоре наиболее многочисленны длительновегетирующие многолетники и коротковегетирующие однолетники, что объясняется переходным сукцессионым статусом растительных сообществ. Травянистые растения осваивают голые участки суши, заполняют межбугровые пространства бугристых песков заповедной зоны, а также лиманные и луговые местообитания.

Глава 5. ОТОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССОВ АНТРОПОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

В главе рассмотрен опыт исследований в области дистанционного мониторинга опустыненных территорий региона Черные земли с 1954 по 2007 гг. (Виноградов, Кулик, 1987; Виноградов и др., 1990; Виноградов, 1993), который позволил продолжить работы по изучению динамики компонентов экосистем с использованием современных и актуальных данных космической информации.

Ретроспективное состояние изучаемого региона оценивалось по изогипсам рельефа, оцифрованных по топографическим картам М. 1: 200000 (1982). Современная экологическая ситуация была оценена по

оцифрованным и отдешифрированным контурам открытых, зарастающих и заросших песков в пределах зон заповедной, охранной и выпаса по разновременным сканерным снимкам за 2001, 2009, 2011 гг. (рис. 5). Затем проводился сравнительный анализ природных контуров за различные годы. Полученное процентное соотношение выявило увеличение площадей зарастающих песков во всех исследуемых зонах в 2011 г. по сравнению с 2001 г. Площадь зарастающих песков в заповедной зоне составила 19,41% (2001 г.) от общей площади, а в 2011 г. уже 30,14%, что явилось результатом активного зарастания открытых песков. Площадь заросших песков с 2001 г. по 2011 г. также увеличилась: если в 2001 г. их площадь в разных зонах составляла от 10,25 до 26,75%, то в 2011 г. диапазон значений составил от 13,1 до 31,7%. Увеличение площади заросших песков связано с активным восстановлением растительности в заповедной и охранной зонах. При зарастании песков в травостое чаще всего доминируют сорные и рудеральные виды с достаточно высоким проективным покрытием - 80-90%.

На исследуемой территории за 29 лет площадь активных очагов опустынивания значительно уменьшилась. В заповедной зоне площадь открытых песков, лишенных растительности, снизилась с 301,92 км2 (1982 г.) до 6,85 км2, составив 0,73 % от общей площади данной зоны (2011 г.). В охранной зоне за этот период уменьшилась на 23,49%, а в зоне выпаса - на 55,45% (табл. 1)

2001 г. 2009 г. 2011г.

Рис. 5. Карта-схема расположения природных контуров в зонах заповедной, охранной и выпаса Яшкульского и Черноземельского районов. М 1:2,5 км (Ьапска^, ЕТМ+, 2001 г., 2009 г., 2011 г.) Условные обозначения:

I_I.

граница зоны выпаса граница заповедника

граница зоны охранной

открытые пески

зарастающие пески

заросшие пески

Таблица 1

Площади открытых песков на территории ГПБЗ «Черные Земли» и

Общая площадь открытых песков, км2/ %

Зоны 1982 г. (топокарты свх. «Улан-Хол» L-38-XXIII, свх «Утта» L-38-XVII) М. 1:200000 2001 г. ИСЗ «Landsat-7» ЕТМ + 2009 г. ИСЗ «Landsat-7» ЕТМ + 2011 г. ИСЗ «Landsat-7» ЕТМ +

Зона заповедная 301.92 34,4 81,34 9,2 16,57 1,76 6.85 0,73

Зона охранная 156,9 24,8 4,35 1,0 14,32 3,28 5.73 1,31

Зона выпаса 237,95 56,1 26,18 4,1 12.4 2,02 3.96 0,65

отмечено широкое распространение рудеральных и однолетних видов с участием злаков (5. sareptana, S. capillata, A. fragile) и кустарников (С. aphyllum) и полукустарничка (К. ceratoides) на супесчаной, песчаной равнине и песках.

Таким образом, процесс вторичной сукцессии в заповеднике имеет переходный характер с образованием неустойчивых фитоценозов, вследствие полного преобразования растительности антропогенно-нарушенных пастбищ. Площадь открытых песков, лишенных растительности за период с 1982 по 2011 гг., значительно уменьшилась - с 34,4 до 0,73% от общей площади заповедника. Трансформация сообществ происходила следующим образом: на месте мятликово-лерхо полынных и злаково-лерхополынных пустынь супесчаных и песчаных равнин распространялись ковыльные (S. capillata, S. lessingiana, S. sareptana), житняковые (A. fragile), мятликовые (P. bulbosa) сообщества. На барханно-бугристых песках прослеживался серийный ряд сообществ от вершины бугра до межбугрового понижения - от эфемерово-джузгуновых (A. tectorum, S. loeselii, С. aphyllum) до эфемерово-злаковых (S. sareptana, A. tectorum).

В целях отображения современного состояния растительного покрова ГПБЗ «Черные Земли» была составлена Карта-схема аридных экосистем изучаемого объекта, которая базировалась на эколого-фитоценотической классификации растительности. Структура легенды иерархична и содержит шесть подзаголовков. Создание слоев геоботанических контуров в разных слоях ГИС-программы позволило просчитать площади, занимаемые растительными сообществами. Наибольшее распространение среди

оцифрованных контуров занимали однолетниково-ковыльные (S. sareptana, S. capillatá), однолетниковые (A. tectorum, S. loeselii, С. arenarius) на супесчаных почвах на равнинах в сочетании с западинами (34,67% от общей площади зоны заповедной); по более суглинистым вариантам бурых почв были распространены комплексные сообщества и сочетания кострово-лерхополынных, эфемероидно-полынковых и полынковыми сообществами (A. lerchiana, A. tectorum; A. austríaca, Р. bulbosa; A. austríaca). Наименьшее распространение (0,04%) имели сообщества на засоленных почвах с участием вострецово-полынных (A. pauciflora, A. lerchiana, Leymus ramosus) и полынково-однолетниковых (A. tectorum, Lepidium ruderale, A. austriaca) сообществ.

ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований изучено современное состояние растительного покрова заповедника, выявлено его флористическое и фитоценотическое разнообразие. В исследованной флоре насчитывается 201 дикорастущий вид, 135 родов из 33 семейств высших растений.

2. Преобладающая часть заповедника занята бугристыми и барханно-бугрисгыми песками, песчаными и супесчаными равнинами. На равнины с суглинистыми почвами приходится не более 5% площади. Генегико-диагностические признаки зональных бурых почв в основном сохранены: анализ механического состава почвенных образцов показал, что с возрастанием сукцессионного статуса псаммофитных сообществ происходит увеличение содержания в песках пылеватых фракций, что придает им свойства связнопесчаных и легкосупесчаных почв.

3. Выявленный в результате исследований демутационный ряд состоит из следующих стадий: рудеральная - эфемеровая - эфемерово-злаковая - злаковая - лерхополынно-злаковая - злаково-лерхополынная. Количество стадий демутационного ряда зависит от сформированное™ растительного покрова (ярусная полнота и функциональная замещаемость видов) и степени антропогенной трансформации. Восстановление растительности на изучаемой территории быстрее протекает на засоленных суглинистых равнинах (зона выпаса) и замедленно - на супесчаных и песчаных равнинах, песках (охранная и заповедная зоны).

4. На изученной территории за 29 лег площадь активных очагов опустынивания значительно сократилась. Увеличение площадей заросших песков связано с восстановлением растительных сообществ в заповедной и охранной зонах за счет доминирования сорных и рудеральных видов. Совместный анализ данных показателей вегетационного индекса (NDVI) и биологической продуктивности сообществ выявил статистически значимую положительную связь, указывающую на разреженную растительность. Значения, выходящие за линию тренда, характерны для монодоминантных сообществ.

5. Для современного состояния растительного покрова ГПБЗ «Черные Земли» отмечено распространение злаковых и эфемеровых сообществ на месте лерхополынных пустынь, что свидетельствует о закреплении песчаных массивов, но не о восстановлении зональной растительности. Протекающие сукцессии растительного покрова заповедника привели к значительным изменениям пустынной растительности и доминированию динамически неустойчивых группировок и сообществ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: * - публикации в печатном издании Перечня ВАК РФ

1. Бекеева, H.JI. (Федорова Н.Л.) Биосферный заповедник «Черные Земли» как резерват сохранения биоразнообразия для аридных экосистем / Н.Л. Бекеева - Н.Л. Федорова, Л.Н. Ташнинова, В.Э. Бадмаев // Заповедное дело: проблемы охраны и экологической реставрации степных экосистем: междунар. конф. / под ред. А. А. Чибилева. -Оренбург, 2004. - С. 68-70.

2. Бекеева, Н.Л.(Федорова H.JI.) Флуктуация восстановительных сукцессий на ключевых участках биосферного заповедника «Черные Земли» / Н.Л. Бекеева - Н.Л. Федорова // Степи Северной Евразии: IV междунар. симпозиум. - Оренбург, 2006. - С. 102-104.

3. Бекеева, Н.Л. (Федорова H.JI.) Бурые пустынно-степные почвы биосферного заповедника «Черные Земли»: морфологический и химический состав / Н.Л. Бекеева - Н.Л. Федорова, Л.Н. Ташнинова, М.М. Чемидов II Вестник, института: науч. изд.: к 50-летию восстановления национал, автономии калм. народа / Правительство Респ. Калмыкия, КИСЭПИ. - 2006. - № 2. - С. 108-113.

4. Бекеева, H.JI. (Федорова H.JI.) К вопросу о состоянии аридных экосистем на примере биосферного заповедника «Черные Земли» / Н.Л. Бекеева - Н.Л. Федорова // Современные климатические и экосистемные процессы в уязвимых природных зонах (арктических, аридных, горных): тезисы докладов междунар. науч. конф. (г. Азов, 5-8 сент. 2006 г.) / ЮНЦ РАН; отв. ред. Г. Г. Матишов. - Ростов на Дону, 2006. - С. 25-27.

5. Бекеева, Н.Л. (Федорова Н.Л.) Современное состояние аридных пастбищ на примере заповедника «Черные Земли» / Н.Л. Бекеева - Н.Л. Федорова // Экология и биология почв: междунар. науч. конф. (октябрь 2007 г.). - Ростов-на-Дону, 2007. - С. 18-20.

6. Бекеева, Н.Л. (Федорова Н.Л.) Биоразнообразие аридных экосистем биосферного заповедника «Черные земли» / Н.Л. Бекеева - Н.Л. Федорова // Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования: междунар. науч.-практ. конф. - Астрахань, 2007. - С. 23-27.

7. Бекеева, H.JI. (Федорова Н.Л.) Особенности бурых полупустынных почв в аридной зоне / H.J1. Бекеева - H.JI. Федорова // Почвы и техногенез: тезисы докл. юбил. всерос. конф. X Докучаев, молод, чтения. - СПб, 2007. - С. 50-51.

8. Бекеева, H.H. (Федорова H.JI.) Сравнительная характеристика пастбищных экосистем на опустыненных территориях СевероЗападного Прикаспия. / H.JI. Бекеева - H.JI. Федорова // Вестник института: науч. изд. / Правительство Респ. Калмыкия, ИКИАТ. -2008. -№2.-С. 66-71.

9. Федорова, H.JI. Мониторинг деградированных ландшафтов биосферного заповедника «Черные Земли» с использованием материалов разновременной космической съемки / H.JI. Федорова // Вестник института: науч. изд. / Правительство Респ. Калмыкия, ИКИАТ. - 2009. - № 1. - С. 91-93.

10. Федорова, H.JI. Современное состояние пастбищных экосистем на опустыненных территориях биосферного заповедника «Черные Земли»: проблема сохранения биоразнообразия / H.JI. Федорова // Степи Северной Евразии: V междунар. симпозиум. - Оренбург, 2009. - Т.1. -С. 682-684.

11. Федорова, H.JI. Использование наземных и дистанционных методов при изучении сукцессионных процессов района Черных земель / H.JI. Федорова // «ЛОМОНОСОВ-2010»: междунар. молод, науч. форум: [Электронный ресурс] / отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев, A.B. Андриянов. - М.: МАКС Пресс, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM); 12 см. - Систем, требования: ПК с процессором 486+; Windows 95; дисковод CD-ROM; Adobe Acrobat Reader.

12. Федорова, H.JI. Восстановительная сукцессия пастбищных экосистем региона Черных земель / H.JI. Федорова, Н.Ц. Лиджиева // Научная мысль Кавказа / СКНЦ ВШ ЮФУ. - 2010. - 4.2, № 4. - С. 88-91.

13. Федорова, H.JI. Фитоценотическое разнообразие аридных экосистем на примере биосферного заповедника «Черные Земли» / Н.Л. Федорова // Изучение и освоение морских и наземных экосистем в условиях арктического и аридного климата: междунар. науч. конф. (6-10 июня 2011 г., Ростов-на-Дону). - Ростов-на-Дону, 2011. - С. 353-354.

14. Федорова, Н.Л. Изучение процессов антропогенной динамики естественных экосистем с использованием ГИС-технологий и материалов дистанционного зондирования Земли / Н.Л. Федорова, С.С. Уланова // Вестник института: науч. изд. / Правительство Респ. Калмыкия, ИКИАТ. - 2011. - № 2. - С. 28-34.

Подписано в печать 10.02.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать RISO. Объем 1,25 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 112.

Отпечатано с готового оригинал-макета Центр полиграфических и копировальных услуг Предприниматель Серман Ю.Б. Свидетельство № 3117 410600, Саратов, ул. Московская, д.152, офис 19, тел. 26-18-19,51-16-28

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Федорова, Наталья Лиджиевна, Элиста

61 12-3/1322

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЛМЫЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Федорова Наталья Лиджиевна

СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ И ИХ КОМПОНЕНТОВ В ГОСУДАРСТВЕННОМ ПРИРОДНОМ БИОСФЕРНОМ ЗАПОВЕДНИКЕ «ЧЕРНЫЕ ЗЕМЛИ»

03.02.08-экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биол. наук, доцент Лиджиева Н.Ц.

Элиста-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................... 4

1. ПРОБЛЕМЫ ОПУСТЫНИВАНИЯ И ДЕГРАДАЦИИ ЗЕМЕЛЬ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО ПРИКАСПИЯ 8

1.1. История изучения процессов опустынивания, формы и факторы деградации природных экосистем..................... 8

1.2. Сукцессии растительных сообществ под влиянием антропогенного фактора.................................... 17

1.3. Использование фитоиндикации для выявления деградационных процессов в аридных регионах............................... 23

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, РАЙОН РАБОТ .... 29

2.1. Материал и методы исследований........................ 29

2.2. Климатические условия................................. 36

2.3. Геолого-геоморфологические условия и поверхностные отложения................................................ 42

2.4. Гидрологические условия................................ 45

2.5. Растительность........................................ 46

3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ И ИХ КОМПОНЕНТОВ ГОСУДАРСТВЕННОГО ПРИРОДНОГО БИОСФЕРНОГО ЗАПОВЕДНИКА «ЧЕРНЫЕ ЗЕМЛИ» И ПРИЛЕГАЮЩИХ К НЕМУ ТЕРРИТОРИЙ.................... 51

3.1. Геоботаническая характеристика ключевых участков........ 51

3.2. Почвенное разнообразие объекта исследования............. 78

3.3. Фитоценотическое разнообразие на ключевых участках....... 87

3.4. Применение индекса вегетации (Ж)VI) для определения биологической продуктивности фитоценозов................... 105

4. БОТАНИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ НА КЛЮЧЕВЫХ УЧАСТКАХ ГОСУДАРСТВЕННОГО ПРИРОДНОГО БИОСФЕРНОГО ЗАПОВЕДНИКА «ЧЕРНЫЕ ЗЕМЛИ» И ПРИЛЕГАЮЩИХ К НЕМУ ТЕРРИТОРИЯХ........ 111

4.1. Анализ систематических групп............................ 111

4.2. Анализ жизненных форм................................. 120

4.3. Анализ экологических групп............................. 124

4.4. Анализ приуроченности к разным типам растительности...... 130

5. ОТОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССОВ АНТРОПОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ.............. 135

5.1. Ретроспективный анализ многолетней динамики деградации природных экосистем ГПБЗ «Черные Земли» с использованием аэрокосмической информации................................ 135

5.2. Сравнительный анализ площадей деградированных территорий в зонах заповедной, охранной и выпаса с использованием

материалов разновременной космической съемки............... 143

5.3 Карта-схема аридных экосистем Черных земель (на примере

ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих к нему территорий)....... 156

ВЫВОДЫ.................................................. 162

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................... 164

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................ 187

ВВЕДЕНИЕ

Проблема сохранения и восстановления нарушенных пастбищ СевероЗападного Прикаспия в настоящее время является одной из главных и актуальных проблем в современном природопользовании для аридных регионов Российской Федерации. Естественные природные экосистемы Республики Калмыкия на протяжении многовековой истории используются в качестве пастбищных угодий, являющихся основой ее социально-экономического развития. Процессы опустынивания (деградации) природных комплексов и их компонентов отражены в многочисленных работах ученых (АиЬгеуШе, 1949; Ковда, 1950, О^пе, 1977; Петров, 1979; Харин, 1980; Зонн, 1985; Виноградов и др., 1990; Залибеков, 1997; Кулик, 2001; Гунин, 2004; Сафронова, 2010 и др.). Однако процессы восстановления аридных экосистем недостаточно изучены, поэтому актуальность приобретают многолетние стационарные исследования на территориях с протекающими восстановительными процессами.

Регион Черные земли, большая часть которого занимают деградированные площади с низкопродуктивными пастбищами, образовавшиеся в результате негативного антропогенного влияния, расположен на северо-западе Прикаспийской низменности.

Выявление закономерностей демутационной динамики естественных экосистем на современном этапе является необходимым условием для восстановления уязвимых пастбищных земель в аридной зоне. Репрезентативной моделью для изучения структуры и динамики компонентов естественных экосистем в изменяющихся природных условиях может служить Государственный природный биосферный заповедник (ГПБЗ) «Черные Земли». Знание структуры и динамики естественных экосистем, масштабов их деградации на современном этапе является необходимым

условием эффективного управления хрупкими пастбищными экосистемами в аридной зоне в целях их неуклонного восстановления.

Объект исследования: природные экосистемы района Черных земель, включающие опустыненные территории.

Цель работы: выявление структуры и динамики естественных экосистем и их компонентов в ГПБЗ «Черные Земли» при воздействии природных и антропогенных факторов. Задачи исследования:

1. Изучение современного состояния почвенных и растительных компонентов естественных экосистем в ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих к нему территорий.

2. Анализ ботанического богатства и разнообразия (флористического и фитоценотического) растительности на участках, различающихся по степени антропогенного воздействия.

3. Изучение динамики естественных экосистем и их компонентов в ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих территорий во времени на основе материалов космической информации с применением геоинформационных технологий.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования динамики и восстановления аридных пастбищ. Выявленные при помощи вегетационного индекса (Ж)У1) и полевых исследований количественные и качественные критерии деградации растительных сообществ в результате антропогенного воздействия послужат основой для принятия в дальнейшем управленческих решений, направленных на повышение урожайности естественных пастбищ. Разработанные инвентаризационные картографические материалы предполагается использовать для создания специальной серии электронных карт для атласа. Материалы диссертации используются в учебном процессе при чтении курсов «Геоинформационные системы» и «Индикационная

геоботаника» для магистрантов по направлению «Биология» в Калмыцком государственном университете.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Восстановительные сукцессии растительности на изучаемой территории быстрее протекают на засоленных суглинистых равнинах (зона выпаса) и медленнее - на супесчаных и песчаных равнинах, песках (охранная и заповедная зоны).

2. Значительное уменьшение площади активных очагов опустынивания и увеличение площади заросших песков связано с активным восстановлением растительности в заповедной и охранной зонах. При зарастании песков в травостое чаще всего доминируют сорные и рудеральные виды.

3. Биологическая продуктивность фитоценозов исследованной территории имеет положительную связь со значениями вегетационного индекса, однако в аридной зоне могут быть исключения для монодоминантных сообществ растений-ксерофитов.

4. Современный статус растительного покрова ГПБЗ «Черные Земли» представляет собой динамически неустойчивое образование переходного состояния пустынных экосистем.

Научная новизна. Разработана методика изучения и оценки степени антропогенной нарушенности экосистем. Выявлены закономерности восстановительных сукцессий растительных сообществ на ключевых участках ГПБЗ «Черные Земли» и прилегающих территорий с использованием метода топоэкологического профилирования, сопряженного с применением геоинформационных технологий. Создана геоинформационная система (ГИС) «Черных Земель», включающая в себя аналитические картографические и экспериментальные данные наземных наблюдений, на основе чего составлена Карта-схема современной растительности ГПБЗ «Черные Земли». При использовании материалов

б

дистанционного зондирования и современных ГИС-технологий получена объективная информация о состоянии природных экосистем, степени их нарушенности и динамике. Показаны возможности использования нормализованного разностного индекса растительности NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) для оценки биологической продуктивности, а также для выявления деградированных пастбищ в аридной зоне.

Апробация работы. Основные результаты исследования обсуждались на международных и российских конференциях по проблемам биоразнообразия, природопользования и устойчивого развития (Заповедное дело: проблемы охраны и экологической реставрации степных экосистем», Оренбург, 2004; «Роль особо охраняемых территорий в сохранении биоразнообразия», Ростов-на-Дону, 2006; международной научно-практической конференции международном симпозиуме «Степи Северной Евразии», Оренбург, 2006, 2009; «XI Докучаевские Молодежные Чтения «Почва как носитель плодородия», Санкт-Петербург, 2008; международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010», Москва, 2010 и др.); заседаниях отдела экологических исследований и ученого совета ГУ «Институт комплексных исследований аридных территорий» (Элиста, 20042011 гг.); заседаниях кафедры общей биологии и физиологии ФГБОУ ВПО «Калмыцкий государственный университет» (Элиста, 2010-2011 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном Перечнем ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Основные положения диссертации изложены на 188 страницах компьютерного текста. Работа иллюстрирована 36 таблицами и 17 рисунками, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложения. Список использованной литературы включает 218 наименований отечественных и зарубежных авторов.

1. ПРОБЛЕМЫ ОПУСТЫНИВАНИЯ И ДЕГРАДАЦИИ ЗЕМЕЛЬ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО ПРИКАСПИЯ

1.1. История изучения процессов опустынивания, формы и факторы деградации природных экосистем

Понятие «опустынивание», принятое в Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием (КБОООН) означает деградацию земель в засушливых, полузасушливых и сухих субгумидных районах в результате различных факторов, включая изменение климата и деятельность человека (Конвенция ООН..., 1995). Впервые термин «опустынивание» был применен французским экологом и лесоводом A. Aubreville (1949) для определения «процесса деградации растительности и почв в районах тропической Африки вследствие обезлесения, беспорядочного выжигания естественной растительности и возделывания сельскохозяйственных культур» (Aubreville, 1949). В настоящее время около 70% засушливых земель, исключая гипераридные пустыни, считаются деградированными (CCD, 1994). Более 1 млн. км2 территории Российской Федерации подвержены деградации и засухе. Основными очагами опустынивания остаются аридные регионы юго-востока Европейской части России (Виноградов, Глазовский, Габунщина, 1996).

Изучением процессов и проблем опустынивания (деградации)

засушливых земель занимались многие ученые, так как еще с конца XIX и до

середины XX века в ряде регионов Центральной и Средней Азии

происходили процессы «опустынивания», называемые в те времена,

«иссушение» или «усыхание». Свои наблюдения и факты на развитие

процессов «иссушения» приводили такие ученые как P.S. Pallas (1778),

Н.М. Пржевальский (1883), Г.Н. Потанин (1893), П.К. Козлов (1923) и др.

При изучении растительного покрова степной зоны впервые на эту проблему

обратили внимание И.К. Пачоский (1892), Г.Н. Высоцкий (1915). В более

8

позднее время проблемой опустынивания занимались исследователи: Н. Дрегне (Dregne, 1976), В.А. Ковда (1950, 1981), Л.Г. Динесман (1960), М.П. Петров (1979), Н.Г. Харин (1980, 1986), C.B. Зонн (1983), А.Г. Бабаев (1985, 1986), Б.В. Виноградов, А.К. Черкашин (1990), Г.С. Куст (1993, 1999), З.Г. Залибеков (1996, 1997, 2000) и другие.

Подробный обзор работ российских и зарубежных ученых по изучению опустынивания как глобального явления был опубликован в книге П.Д. Гунина, Е.И. Панковой «Почвы, биогехимические циклы и биосфера» (2004).

Работы по изучению процессов опустынивания затрагивают различные аспекты деградации природных экосистем. Исследования Н.Т. Нечаевой (1954, 1986), З.М. Шамсутдинова (1995) посвящены темам экологического мониторинга биоты пустынных экосистем, определению нагрузок в зависимости от потенциала пастбищной дигрессии. В трудах А.Г. Бабаева, С.Б. Байрамова (1985), C.B. Зонна (1986), В.П. Зволинского (1992, 2000) приведены результаты изучения и оценки природы пустынных территорий, разработки научных и прикладных основ их охраны, воспроизводства и рационального использования. Н.Г. Харин (1980), Б.В. Виноградов, К.Н. Кулик (1996), Н.Г. Харин, H.A. Орловский и др. (1986) занимались разработкой методических основ картографии процессов опустынивания и прогнозом состояния аридных земель. Обоснованию типов и стадий процессов опустынивания посвящены исследования C.B. Зонна (1983, 1995), В.Б. Виноградова (1984), K.M. Петрова (1997), К.Н. Кулика (2007) и др. изучали историю и процессы опустынивания в Российском Прикаспии.

Анализ этих работ показывает, что в настоящее время проблема изучения процессов опустынивания (деградации) остается дискуссионной. Такое положение, несмотря на многочисленные объемы публикаций по этой проблеме, связано с отсутствием четких понятий и критериев для процессов и прогноза развития процессов опустынивания, а также нет ясных

разграничений между понятиями «природное» и «антропогенное» опустынивание.

Основной концепцией российских ученых в изучении процессов опустынивания является исследование состава, структуры, функционирования и динамики засушливой области юга Российской Федерации. Исследования же зарубежных ученых Н. Б^пе (1976), в. Уаг§иег (1987) и др. больше затрагивают экологические и экономические теории освоения аридных территорий.

Основные формы проявления деградации (опустынивания) определены на международной конференции в Найроби (Положение с опустыниванием..., 1992). К ним относятся: деградация растительного покрова, ветровая и водная эрозия, деградация и засоление почв, коркообразование, слитизация, осолонцевание, вынос тонких фракций почв, химическое промышленное и сельскохозяйственное загрязнение, а также сокращение биоразнообразия.

Формы опустынивания оцениваются различной степенью по четырем классам: слабое, умеренное, сильное и очень сильное. Обязательным условием при этом является определение фонового уровня - состояния природной среды, при котором процессы опустынивания еще не получили развития. Каждый из уровней имеет качественные и количественные критерии (ботанические, зоологические, почвенные). Они сопрягаются с зонами экологических нарушений (нормы, риска, кризиса, бедствия) (Критерии оценки экологической..., 1992).

Отсутствие или слабое опустынивание (зона экологической нормы) включает территории без заметного изменения продуктивности, с достаточно высокой устойчивостью и стабильностью экосистем. Здесь рекомендуется нормальное хозяйственное использование земель с превентивными мерами охраны природы.

Умеренное опустынивание (зона экологического риска) включает территории с заметным снижением продуктивности и устойчивости экосистем, с максимальной нестабильностью, ведущей, в дальнейшем, к

ю

спонтанной деградации экосистем, но нарушения экосистем здесь еще обратимы; предполагает сокращение хозяйственного использования и планирование поверхностного улучшения.

Сильное опустынивание (зона экологического кризиса) включает территории с сильным снижением продуктивности и потерей устойчивости, трудно обратимыми нарушениями экосистем, предполагающими лишь выборочное их хозяйственное использование и планирование глубокого улучшения.

Очень сильное опустынивание (зона экологического бедствия) включает территории с полной потерей продуктивности, практически необратимыми нарушениями экосистем, полностью исключающими территорию из хозяйственного использования и требующими коренного улучшения.

Современное опустынивание развивается в последние десятилетия в условиях глобального потепления, для которого характерно повышение среднегодовой приземной температуры воздуха на суше, особенно в засушливых внутриконтинентальных регионах (Climate Change 2001, 2001). Климат становится одним из главных факторов опустынивания в экстремальных условиях. Этот природный фактор накладывается на региональные антропогенные факторы, особенно в районах с максимальной хозяйственной нагрузки на экосистемы. Последствия этих взаимодействующих факторов трудно разделить. Таким образом, опустынивание р�