Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОСТОЯНИЕ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ПАСТБИЩНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ АРИДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОСТОЯНИЕ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ПАСТБИЩНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ АРИДНЫХ ЭКОСИСТЕМ"



На правах рукописи

ГАССЕМ АЛИ ДИАНАТИ ТИЛАКИ

ВЛИЯНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОСТОЯНИЕ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ПАСТБИЩНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ АРИДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

Специальность 03.00.16 — Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2004

Диссертационная работа выполнена на кафедре экологии и безопасности жизнедеятельности Московской сельскохозяйственной академии имени К А Тимирязева (МСХА)

Научный руководитель: Заслуженный метеоролог Российской Федерации, доктор биологических наук, профессор И.Г. Грингоф.

Официальные оппоненты:

академик Академии Наук Туркменистана, академик Российской экологической Академии, доктор биологических наук, профессор Н.Г. Харин,

кандидат географических наук, профессор В. А. Сенников.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследоватечьский институт гидрометеорологической информации - Мировой Центр Данных (ВНИИГМИ - МЦД) Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет)

заседании диссертационного совета Д '220 043 03 при Московской сетьскохозяйственной академии им К А Тимирязева по адресу 127550, Москва, ул Тимирязевская, д 49 Ученый совет МСХА

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ МСХА

Зашита состоится <

час на

Автореферат разослан « ^С » ё £ '"'£004 г

Ученый секретарь диссертационного совета

В А Калинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оптимизация использования природно-ресурсного потенциала является одной из ключевых задач совершенствования взаимодействия общества и природы.

Во многих странах мира, в том числе и в Исламской Республике Иран, важная составляющая природно-ресурсного потенциала представлена обширными территориями, занятыми аридными и полуаридными экосистемами. Эти территории традиционно используются населением в качестве естественных пастбищных угодий.

Рациональное природопользование в пастбищном хозяйстве объективно диктует необходимость грамотного учета сложного комплекса факторов окружающей среды, динамично изменяющихся во времени и пространстве. Среди этих факторов первостепенная роль принадлежит абиотическим (агрометеорологическим) факторам, определяющим особенности роста, развития и формирования продуктивности аридных фитоценозов.

Исторически сложившееся, в основном, бессистемное использование пастбищных угодий в Исламской Республике .Иран, снижение устойчивости аридных экосистем к возрастающему антропогенному давлению, предопределило создание в стране Государственной программы, ориентированной на разработку научно обоснованной системы управления пастбищным хозяйством и рационального землепользования. Важным блоком в этой программе является «Исследование влияния климатических условий на продуктивность пастбищ ' для долгосрочного прогноза выпаса скота». Отсюда - актуальность выполненного нами исследования о влиянии абиотических факторов на сезонность развития фитоценозов и продуктивность их растительной массы. Последняя, как . известно, является основной кормовой базой для пустынного животноводства во всех засушливых и полузасушливых регионах мира.

В связи с отсутствием многолетних материалов наблюдений и статистических данных по аридным регионам Ирана, мы сочли целесообразным избрать в качестве модельных объектов нашего исследования аридные экосистемы среднеазиатских пустынь — Каракумов и Кызылкума, весьма близких по комплексу климатических и почвенных условий, по специфике и видовому составу растительного покрова аридных и полуаридных территорий Исламской Республики Иран.

Цель и задачи исследования. Основная цель нашего исследования заключалась в изучении комплексного воздействия абиотических факторов на рост, развитие и формирование урожайности фитомассы различных жизненных форм, родов и видов, обладающих неодинаковыми биологическими особенностями и кормовыми достоинствами, слагающих пустынные фитоценозы.

Достижение этой цели обеспечивалось последовательным решением системы сопряженных задач по:

— оценке особенностей пространственно-временной динамики абиотических факторов на территории гррднеазиатских-иустынь;

ЦНБ МСХА фонд научной питспатусы

№

- составлению характеристик различных типов почвенного покрова механического состава, водно-физических свойств и др ,

- оценке влияния абиотических факторов на жизненные циклы эдифика-торов пустынных фитоценозов, установлению качественных и количественных закономерностей их роста и развития,

- выделению и описанию пастбищн о-климатических сезонов - основы рационального пустынного пастбищеведения,

- количественной оценке влияния абиотических факторов на рост и формирование урожайности фнтомассы эдификаторов пустынных фитоценозов,

- оценке воздействия абиотических факторов на формирование динамики кормовой емкости пустынных фитоценозов

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В процессе обобщения и анализа наших многолетних полевых наблюдений, проведенных в пустынях Ирана, а также данных метеорологических станций и геоботанических стационаров в пустынях Средней Азии за влиянием абиотических факторов на рост, развитие и формирование урожайности основных эдификаторов аридных и полуаридных фитоценозов, нами выполнено

- впервые количественно определены границы «промежуточных» паст-бншно-климатических сезонов для аридных регионов предвесенья и предзимья,

- впервые выявлена количественная зависимость урожайности надземной фнтомассы эфемеров и эфемероидов от количества семян, сохранившихся в почве за предшествующие годы,

- на многолетних материалах наблюдений установлены общие закономерности роста и развития представителей различных жизненных форм аридных фитоценозов под влиянием абиотических факторов,

- разработаны математико-статистические модели, позволяющие с высокой достоверностью оценивать ожидаемую максимальную высоту линейного прироста эдификаторов и урожайность фитомассы различных жизненных форм, родов и видов пастбищных фитоценозов,

- показано влияние микроклиматических условий на формирование водного режима песчаной почвы и урожайность надземной фитомассы,

- показана возможность использования абиотических факторов для расчета кормовой ёмкости наиболее распространенных типов пастбищ аридных экосистем для средних и экстремальных условий года

Практическая значимость работы. Результаты наших исследований, выполненные на «модельных объектах» в среднеазиатском регионе, являются, одновременно, и методологической основой для разработки блока статистических методов количественной оценки и прогноза состояния и урожайности пастбищной растительности в пустынях Ирана, являющегося составной частью программы «Исследование влияния климатических условий на продуктивность пастбищ для долгосрочного прогноза выпаса скота»

Для этой программы пригодны также методы расчета кормовой ёмкости различных типов пастбищной растительности в аридных регионах в Иране

Полученные результаты могут использоваться и при создании системы рационального ведения пастбищного хозяйства в Иране, включая развитие фи-томелиоративных работ на обедненных пустынных фитоценозах в стране.

Вместе с тем, принятая нами методология исследований позволяет расширить спектр полевых (экспедиционных) и стационарных наблюдений для сбора оригинальных материалов, необходимых при развитии исследований в аридных и полуаридных регионах Исламской Республики Иран.

В определенной мере наша работа дополняет известный комплекс экологических исследований, выполненных в последние десятилетия в Среднеазиатском регионе, а также их практическую реализацию в системе агрометеорологического обеспечения пастбищного животноводства.

Апробация исследования. Результаты нашего исследования докладывались на: научных конференциях молодых ученых и специалистов МСХА (г. Москва, 2001 и 2002 гг.); научном семинаре «Природные ресурсы аридных территорий» (г. Тегеран, 2001 г.); на П и Ш Российско-Иранских конференциях «Сельское хозяйство и природные ресурсы» (г. Москва, 2001 и 2002 гг.); расширенном заседании кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности. МСХА (г. Москва, декабрь, 2003 г.). ■ ,

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 11 работ, в том числе 6 работ до поступления в аспирантуру (на английском языке и на фарси); 5 работ - на русском языке, в период обучения в аспирантуре МСХА.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав (при этом каждая глава заканчивается выводами), а также общих выводов и списка использованной литературы, включающего 133 источника, в том числе 24 на иностранных языках, и изложена на 255 страницах стандартного текста, включает 36 таблиц и 82 рисунка.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОЙ ПРОБЛЕМЫ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ рассмотрены в главе I.

Нами выполнен краткий анализ истории исследования растительного и почвенного покровов аридных территорий Средней Азии и Казахстана, начиная с 30-х годов XX столетия. Более подробно описаны исследования, связанные с комплексным экологическим изучением особенностей природы пустынь и полупустынь в связи с их освоением. Наибольшее внимание нами уделено циклу работ, посвященных анализу абиотических факторов и их влиянию на произрастание пустынно-пастбищной растительности, выполненные в Туркменистане акад. Н.Т. Нечаевой и ее учениками, в Казахстане - проф. А.П. Федосеевым и его сотрудниками, проф. И.Г. Грингофом и его коллегами в Узбекистане и да. На публикации этих авторов и многих других сделаны необходимые ссылки во всех главах, посвященных различным граням исследуемой проблемы.

Сопряженными объектами исследования нами выбраны эдифшсаторы пустынных фитоценозов, составляющих основу растительных формаций, и комплекс экологических условий (абиотических факторов), определяющих их

рост, развитие и формирование продуктивности (поедаемой надземной фито-массы) Общая схема нашего исследования по влиянию абиотических факторов на состояние и продуктивность пастбищной растительности в пустынях приведена на рис 1

Рис 1 Изучение влияния абиотических факторов на состояние н продуктивность пастбищной растительности аридных экосистем

К числу основных абиотических факторов среды обитания пустынных растений (эремофитов) мы относим солнечная радиация, температура почвы и воздуха, увлажнение, выраженное количеством и режимом выпадения осадков, влажностью воздуха и почвы, запасами продуктивной влаги в корнеобитаемых горизонтах почвы В определенной мере к этим факторам отнесены водно-физические свойства типов пустынных почв

В процессе исследования вами использованы материалы собственных наблюдений в пустынях Ирана, материалы стандартных метеорологических и агрометеорологических наблюдений 15 метеорологических станций, расположенных в среднеазиатских пустынях за 25...30 — летний период, проведенных в соответствии с действующими руководящими документами (Наставления, Инструкции, Руководства) в системах Гидрометеослужб среднеазиатских Республик (ныне - Республик Центральной Азии).

Обработка первичных материалов наблюдений проводилась нами по официальным методикам, в т.ч. с применением методов корреляционного и регрессионного анализа с привлечением компьютерных программ SPSS и EXEL.

ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ КЛИМАТА И ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТЕНИЙ исследованы нами в Главе П.

Изучение климатических условий пустынь Каракумы и Кызылкум проводилось по многочисленным метеорологическим ежегодникам сети станций, климатическим справочникам и доступной нам научной литературе. С климатическими реалиями Иранских пустынь. во все сезоны года мы имели возможность познакомиться в перйод нескольких полевых экспедиций, проведенных нами в 1990-2000 годах. • '

Важнейшим экологическим фактором в жизни растений является температурный режим почвы и воздуха. Температура почвы в корнеобитаемых горизонтах почвы заметно различается по территории, по элементам рельефа, по глубинам почвенного горизонта и по сезонам года.

Влага относится к числу основных экологических факторов жизни. В засушливых регионах влага, поступающая в почву из атмосферных осадков, является, практически, единственным источником жизнедеятельности аридных фитоценозов.

Яркой характеристикой сухости климата пустынь является испаряемость, т.е. максимально возможное испарение с водной поверхности или с увлажненной поверхности почвы. Нами выполнены расчеты испаряемости по данным ряда метеорологических станций, расположенных в исследуемых пустынях, по методу H.H. Иванова:

Е m = 0,0018 (25 + Т) 2 (100 - а),

где Б т - испаряемость за месяц (мм), Т - средняя температура воздуха (°С), а - относительная влажность воздуха (%).

Наш анализ полученных результатов показал, что к моменту, когда в корнеобитаемых горизонтах почвы запасы влаги снижаются до уровня коэффициента завядания, величина испаряемости начинает превышать количество выпавших осадков за зимне-весенние месяцы. Например, только в июле испаряемость с поверхности почвы достигает в Кызылкуме 378...440 мм, а в Каракумах варьирует от 370 до 452 мм.

Ветер, его направления, скорости по месяцам, а также суточный и годовой режимы, повторяемость различных категорий скорости, как экологический фактор оказывает прямое и косвенное влияние на растения

По нашим наблюдениям, в пустынях Ирана при усилении ветра более 4 м/с в условиях песчаного рельефа происходит обнажение корневых систем растений в зоне «выноса» и отложения эрозионного материала - в зоне «накопления»

Важнейшим экологическим фактором в жизни растений является почва, которую мы относим (с известной условностью) к абиотическим факторам

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ II ОСОБЕННОСТИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА В ПУСТЫНЯХ СРЕДНЕЙ АЗИИ описываются нами в главе III

В условиях общей засушливости, резкой континентальности климата и высокой солнечной радиации почвенный покров среднеазиатских пустынь весьма неоднороден и имеет много общего с почвами сопредельных стран -Ирана и Афганистана Об этом свидетельствуют исследования акад И П Герасимова (1958), выделившего почвенно-климатическую фацию, как часть более обширной Ирано-Аравийской фациальной области В основном почвенный покров исследуемых пустынь представлен комплексов типов серо-бурых, различной степени солонцеватости и засоления, пустынно-песчаных почв, такыров и солончаков

Изучение обширной научной литературы, посвященной почвам Каракумов и Кызылкума, позволил нам сформулировать основные экологические особенности почвенного покрова аридных территорий К числу этих особенностей мы относим прерывистость и кратковременность сезонного почвообразовательного процесса, происходящего только во влажный период, когда повышается активность микрофлоры и фауны почвы, высокая карбонатность верхних горизонтов почвы, неглубокое залегание гипса и воднорастворимых солей в условиях слабого промачивания атмосферными осадками, высокой зольности и засоленности растительного опада, образование солончаков в зонах засоленных почвообразующих пород и близкого залегания минерализованных грунтовых вод, высокая подверженность почвенного покрова развитию процессов ветровой и водной эрозии

В нашей работе приводится краткое описание основных, наиболее распространенных типов пустынных почв

Значительное внимание уделено исследованию водно-физических (агро-гидрологических) свойств пустынных почв В частности, нами выполнены многочисленные расчеты запасов продуктивной влаги (мм) в корнеобитаемых горизонтах почвы по данным о влажности почвы (%) сети метеорологических станций за 15-20 летний ряд наблюдений Расчеты проводились согласно «Руководства 1985» по формуле

^УП1>Од.=0,1<111(\У-к),

где Я'прод. - запасы продуктивной влаги в заданном слое почвы (мм), с/ - объемная масса сухой почвы ненарушенного сложения (г/см2), А - толщина (мощ-

ность) слоя почвы, для которого вычибляется запас влаги; IV- влажность почвы (%); к - влажность устойчивого завяданйя (коэффициент завяданйя,' %); 0,1 -коэффициент для перевода см в миллиметры водяного слоя:

Нами исследованы также экологические особенности формирования запасов продуктивной влаги в условиях песчаного рельефа. Следствием различного. притока солнечной радиации к Склонам разных экспозиций, крутизны и неодинакового расхода тепла-на испарение, а также изменений в направлении и . скоростях ветра является неравномерное распределение запасов влаги в почве склонов, вершины и на выровненных поверхностях песка.

Нами проанализированы материалы многолетних наблюдений за влажностью почвы и, с привлечением данных о водно-физических свойствах почвы, выполнены расчеты средней многолетней динамики формирования запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы (Дианати Тилаки,;;2О02). .На этом

основании составлены графики (рис. 2)- .: I .'. ......

Запасы влаги в (мы): 0-5 6-J0 11-15 16-20 21-25. 26-30 36-40 '41-45, 46-50. . Рис.-^. ч Динамика средних многолетних запасов продуктивной влаги в выровненных песках ( метеостанция Кары-куль ). •

Этот анализ многолетних материалов позволил также отметить! особенности водно-физических свойств пустынно ¡песчань|х почв: высокая.'водопроницаемость; отсутствие капилляров в толще; почвы, способствующее "¡сохранению влаги в почвенных горизонтах; низкий коэффициент завяданйя; обеспечивающий более высокую доступность влаги растениям; малое содержание гумуса

(<1%), обуславливающее низкое плодородие песчаных почв, преобладание мелких фракций в механическом составе песка

В годовой динамике распределения запасов влаги отмечено формирование двух пиков нарастания ее запасов, приуроченных к зимнему (декабрь-февраль) и к весеннему сезонам (март- начало мая) за счет атмосферных осадков В знойный, бездождный летний период, при активной ветровой деятельности, происходит почти полное иссушение метрового слоя на склонах и на вершинах песчаного рельефа На выровненных песках незначительное количество влаги сохраняется на глубинах 70 100 см

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ АРИДНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ рассмотрены нами в главе IV

Существование современных растительных сообществ и их размещение по аридным и полуаридным территориям поддерживается комплексом экологических условий В пустынях Ирана нами проводилось изучение влияния экологических условий на характер распределения растительных сообществ В частности, было показано, что даже невысокие формы пустынных гор оказывают заметное влияние на ботанический состав растительных формаций и плотность покрова благодаря различиям в микроклимате местообитаний Даже в условиях выровненных поверхностей, в микропонижениях, весенние осадки, накапливаясь, создают лучшие условия влагообеспеченности растений, что и влияет на видовой состав и степень развития растений (Дианати Тилаки, 1996)

Своеобразие климатических и почвенных условий определяют неоднородность, разреженность, сезонность развития и относительно низкую продуктивность растительного покрова в засушливых регионах В зависимости от характера почвенного покрова основная масса растений относятся к группам псаммофитов, ксерофильиых полукустарников и галофитов

В своем исследовании мы выбрали по несколько эдификаторов, относящихся к различным жизненным формам (по классификации Нечаевой, Василевской, Антоновой, 1973), характерных для различных пустынных фитопено-зов эфемеры, эфемероиды, однолетние травы весенне-ъетнего развития, многолетние травы весенне-летнего развития полукустарники и кустарники

На основании наших полевых исследований (Дианати Тилаки, 1999) и литературных источников нами изучены особенности корневых систем всех перечисленных жизненных форм конкретных растений Морфоструктура корневых систем (разветвленность, глубина проникновения, распространение в верхних горизонтах почвы и др признаки) является косвенным индикатором экологических условий местообитания растений и степени их толерантности к этим условиям

В настоящей работе нами выполнено обобщенное описание основных типов пустынных фитоценозов, развивающихся на различных типах почвы.

Значительное внимание в работе . уделено описанию пастбищно- ' климатических сезонов, впервые выделенных проф. Л.Н. Бабушкиным (1964) и развитых проф. И.Г. Грингофом (1967). На многолетних материалах наблюдений метеорологических станций в пустынях Каракумы и Кызылкум нами уточнены сроки пастбищно-климатических сезонов: весны, лета, осени и зимы. В результате этого уточнения нами построены картосхемы сроков начала весны и летнего сезона. В связи с изменчивостью температурных условий от года к году изменяются и сроки наступления каждого пастбищно-климатического сезона в каждом конкретном году. Эти сроки рассчитываются путем установления дат устойчивого перехода средней суточной температуры по каждой метеорологической станции через установленные пороговые значения. Так, весенний сезон ограничен периодом со средней суточной температурой > 5°С, но < 20СС, лето - устойчивым превышением температуры 20°, осенний сезон -температурами менее 20°С, но более 5*С; зимний пастбищно-климатический сезон ограничен среднесуточными температурами ниже 0°С. При сопоставлении температурных режимов с состоянием пастбищных растений нами выделены два «промежуточных» сезона: предвесенье и предзгшье. В аридных регионах предвесенье ограничено периодом с устойчивой средней суточной температурой > 0°С до устойчивого перехода через 5°С, означающего начало весны. Предзимье ограничено периодом со средней суточной температурой воздуха < 5°С, но > 0°С. В эти «промежуточные» сезоны, при наличии запасов влаги в почве, в дневные часы' отмечается слабая вегетация эфемеров и эфемероидов, которая замирает с понижением температуры ночью. Общая характеристика исследованных эдификаторов приведена в табл. 1.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РОСТА И РАЗВИТИЯ ОСНОВНЫХ ЭДИФИКАТОРОВ ПАСТБИЩНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ исследованы нами в главе V.

Прямым следствием ограниченности запасов почвенной влаги, ее сезонной динамики являются особенности роста и развития растений аридных регионов. Внешними морфологическими признаками развития и роста растений являются фенологические фазы. Прохождение фаз характеризуется определенной последовательностью, обусловленной биологической природой растения и динамикой абиотических факторов.

Нами выполнен анализ многолетних материалов фенологических наблюдений пустынных метеорологических станций и геоботанических стационаров за 20. ..25 — летний период; результаты обобщения по некоторым эдификаторам приведены в табл.2. Известно, что в условиях достаточной влагообеспеченно-сти скорость развития растений определяется температурой воздуха (Бабушкин, 1953, 1964). При изменении условий тепло- и влагообеспеченности продолжительность межфазных периодов также изменяется: при высоких температурах и низких запасах влаги скорость развития увеличивается и наоборот.

Таблица 1

Общая характеристика исследованных эдификаторов пустынных фитоценозов

№ пп Жизненные формы 1 ипичлые представители Цикли развития Основные типы почв Общая характеристика корневых систем

1 Эфемеры Эфемероиды Костер кровельный, виды родов эгилоис, малькольмия, астрагал и др Однолетники во влажные годы - осснне-зимне-вессннее развитие, в сухие юды - весеннее разните Пустынно песчаные, светлые сероземы (незасолснпые) Слабомочковатая, волосяная, достигающая глубины 10 25 см

2 3 Осоки песчаная и тол стостолбиковая, мятлик луковичный феру ла, луки, тюльпаны и ДР Многолетники во влаж--нпс. годы - осение-зимне-весеннсе развитие, в сухие годы - весеннее развитие Пустынно-песчаные; светлые сероземы, ссро-бурьн,, опесча ненпие I устая со слабо ветвящимися корневищами (осоки), мочкова тая, луковицы, клубни с однолетними корнями, до глубины 10-20-50 см

Однолетние , травы летники Различные роды и ви ды однолетних солянок и др По ¡дне весенне летне-осеннее ра)вит не 1акыровидные, ела бозасоленные и онес-чаненные почвы Неглубокая, слаборазвет пленная с выраженным главным корнем (15-20 см)

4 Многолетние травы Триостница, астрагалы, верблюхая колюч ка, телиотроп, ковыль и др Весенне-летний цикл рывший Пустынно песчаные, светлые сероземы (нсзасоленные и слабо )асоленные) Мощная, сильно ра;ветвленная по горизонтали до 10 15 м, в глубину стержневой корень до 2 х -25 м (верблюжья колючка)

5 ~6 Пол> кустарники Виды родов полынь, прушяк, солянки и др Весенне летне осеннее развитие Пустынно песчаные, серо бурые, опесча ненные, такыровид-ннс слабозаьолишые, солончаковатые Главный, сильно разветвленный корень до тлубины 50-70 см Характер ветвления зависит от механического состава почвы

Кустарники Виды родов саксаул, кандым (каллигонум), эфедра и др Весенне-лстне осеннее развитие Пустынно-песчаные, светлые сероземы (сдабтасоленные и незаселенные) Глубокая стержневая до 3 5 м, разветвленная до 10-12 м но ю-ризонтали {(салли! онум)

Таблица 2

Экстремальные и средние многолетние сроки наступления основных фаз развития некоторых пустынных растений в Каракумах

Метео- Весеннее возобновление вегетации Цветение

станции ранние поздние средние ранние поздние средние

Каллигонум (дакузгун)

Репетек 11.03 10.04 01.04 02.04 16.05 27.04

Чешме 26.02 06.04 17.03 18.04 06.05 21.04

Уч-Аджи 01.03 06.04 22.03 14.04 06.05 21.04

Солянка рихгера (черкез) '

Уч-Аджи 08.02 06.04 26.03 10.04 04.06 27.05

Репетек 11.03 24.04 30.03 02.06 26.06 13.06

Астрагал полукустарниковый

Леккер 31.01 04.04 01.02 :' 28.03 28.05 10.05

Чагыл 04.01 09.04 10.03 20.04 20.05 09.05

Саксаул белый

Репетек 25.01 06.03 22.02 15.03 20.04 ' 07.04

Чешме 28.01 28.03 27.03 31.03 10.05 07.04

Уч-Аджи 03.02 06.04 02.03 15.03 12.05 14.04

По методу Л.Н. Бабушкина нами выполнены расчеты скорости развитая некоторых пастбищных растений по формуле:

1/п = (Т^ -В)/А,

где 1/п - скорость развития растений за межфазный период; Тер- средняя температура воздуха за межфазный период (по стандартным метеорологическим наблюдениям); В — нижний (биологический) температурный предел развития растений; А - сумма эффективных температур за межфазный период. Отсюда определяется сумма эффективных температур, необходимая растению для завершения развития растения в том или ином межфазном периоде:

А = (Тер.-В)/1/п

Так, например, для костра кровельного (АшэапШа 1ес1огит) за период от даты всходов до наступления фазы колошения необходима сумма эффективных температур 980°С при запасах влаги 30...40 мм в слое почвы 0...20 см.

Нами исследованы закономерности роста растений эдификаторов пустынных фитоценозов. Был проведен статистический анализ влияния различных абиотических факторов на формирование максимальной высоты (длины годичного прироста) у основных пастбищных растений. Полученные математические выражения, величины коэффициентов корреляции однофакгорных и многофакторных статистических зависимостей, а также величины абсолютных и относительных ошибок расчета позволили сделать обоснованный выбор экологически значимых абиотических факторов (предикторов) и периода их влияния на формирование годичного прироста эдификаторов пустынных фитоценозов. Полученные нами результаты достоверно подтверждены 42 математическими (прямолинейными, квадратическими, кубическими и логарифмическими) выражениями и 23 компью-

тернымн графиками связей максимальной величины годичного прироста эдифи-каторов с экологически значимыми абиотическими факторами (табл 3)

ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ФОРМИРОВАНИЕ УРОЖАЙНОСТИ ЭДИФИКАТОРОВ АРИДНЫХ ПАСТБИЩ исследованы нами в главе VI

Методы определения урожайности пастбищной растительности, регламентированные нормативными документами (инструкциями, наставлениями, руководствами и т п ), весьма различны, им присущи «свои» недостатки и достоинства Поэтому мы сочли целесообразным провести критический анализ всех известных нам наземных, расчетных и дистанционных методов учета урожайности пустынно-пастбищной растительности Весьма хорошие результаты показал примененный нами при полевых исследованиях в пустынях Ирана метод «Doubl samplmg» или «дублирование отбора проб» (Дианати Тилаки, 1996) Суть этого метода заключается в определении количества укосных площадок (N), необходимых для получения объективной величины сформировавшейся урожайности пастбищной растительности (травы) с заданной точностью (90 95%)

N=t2Sl/(kxw)1

где t - критерий Стьюдента (определяется по таблицам), S2 - вариация, к - заданная точность (%), Хер - средняя величина фитомассы (в г или кг) фактически скошенной (например, с 10 площадок) Далее по стандартному уравнению регрессии Г - ах ± Ь (Y - визуальная оценка урожайности, х - фактическая средняя урожайность по укосам) производится расчет величины урожайности в среднем по всему исследуемому пастбищному массиву В результате выполненного анализа методов учета урожайности мы пришли к выводу, что оптимальным вариантом определения урожайности пастбищной растительности является комплексное использование наземных, самолетных и спутниковых методов, имеющих различные масштабы осреднения данных по урожайности, неодинаковую оперативность и погрешности измерений

Формирование продуктивности пустынных фитоценозов происходит под воздействием сложного динамического комплекса абиотических и биотических факторов режимов фотосинтетически активной радиации, температуры и влажности почвы и воздуха, доступности элементов органического и неорганического питания в условиях постоянной конкурентной борьбы живых организмов за свет, тепло, влагу, элементы питания

По нашим наблюдениям в пустынях Ирана и обобщенным литературным данным изменчивость величины урожайности различных эдификаторов и жизненных форм различна Так, кустарниковые формы, обладающие глубокой и разветвленной корневой системой, имеют наименьшую изменчивость от года к году - в 3,5 3,7 раза, полукустарники, корневая система которых обычно достигает глубины 40 50 см, в 12 14 раз, однолетние солянки с корневой системой, едва достигающей 25 30 см, — до 30 раз Эфемеры и разнотравье, с неглубокой корневой системой (до 20 25 см), имеющие преимущественно только весенний период развития, характеризуются наивысшей изменчивостью в

Таблица 3,

Статистические связи высоты роста в длины молодых побегов некоторых эдификаторов растений с суммой осадков и с запасами продуктивной влаги в различных слоях почвы.

Название растений | Уравнения Коэффициенты корреляции r.R Абсолю ошибка уравнения (см) 3Н

Сагех physodes П „,= 2,82 ER xa^ - 0,01 XR 2 , -65,48 0,90 ±0,06 ±1,84

Anstida karehmi H 0,003 0,0006 L R1,,.» +20,26 0,81 ±0.12 ±16.2

Heliotropium arguzioides H„,= 0,63 IRj_, - 0,002IH'a.,- 14,006 0,84 ±0,11 ±3,5

Artemisia kemmdica H = 0,44 ЕКтЯ_,-0,001 XR2,, .,-0,91 0,83 ±0,12 ±4,3

Mausolea enocarpa Н„,=0Д7 VRI(I_, +9J5 0 82 ±0,13 ±4.5

Astragaalus longipetiolatus П-3,53 W, -0,14W\ +24,78 0 90 ± 0 08 ±3,4

Salsola gemmascens H ш - 7Л Ig W .+ 14,59 0,94 ±0,04 ±зд

Calligonum setosum II ra,, " 5,92 W , - 0,11 W \ + 10,96 0,99 ±0,004 ±2,5

CalUgonum rubens H „„- 2,04 W v + 0,47 W2„-0,02 W3» + 19,4 0,99 ±0,004 ±2.7

Salsola nchten Н«и= 1,78 W» + 0,41 W \ - 0,017 W \ +20,67 0,97 ±0,016 ±1,0

Salsola arbuscula Ни-16,06 W,- 1,52 W\ + 0,043 W \ 0,95 ±0,03 ±3,8

Aellema subaphylla H««,- 28,14 W. - 2,67 W \ + 0,07 W \ 0,96 ±0,02 ±2,0

Таблица 4.

' Статистические связи максимальной урожайности эдификаторов пастбищной растительности аридных регионов с абиотическими факторами.

Эфемеры и эфемероиды и-2,607 ЕЯ,**+0,408 ГГ >5°-145,64 Я-0,91 ± 0,07; Б о=30 кг/га или Б „,-± 19 % от средней урожайности.

и -1,757 ЕЯ + 0Л4 £Т >5<»° ^ 8^63 О ^-70,07 Я - 0,94 ± 0,04; Б » - ± 22,3 кг/га; Бы - ± 16 % от средней урожайности и 9 % от максимальной урожайности.

Однолетнее разнотравье и = и^Ихи-у-0,186ГГ>5-4,13 Я - 0,76±0,1б; Би - ±31,3 кг/га; в (Л - ± 30% от средней урожайности

Осока песчаная и - 0,677131 „а^ + 0,454 ХТ > 5° -12,48 Я - 0,93 ± 0,06; Б , - ± 24,8 кг/га; Б « - ± 18 % от средней урожайности и 9 % от максимальной урожайности.

Полукустарников и = 0,13 ЕТ > 5...42о + 1,63 о... 100 - 8,04 Я = 0,90 ± 0,07; в „ - ± 16 кг/га или Б л- 10%, от средней урожайности.

о—о— Запасы продуктивной влаги •—•—Количество осадков --Урожайность

Рис. 5. зависимость средней многолетней динамики урожайности (%) Сагех рЬуэо<1е5, от количества осадков (% от нормы) и запасов продуктивной влаги в почве (% от нормы).

величине надземной фитомассы от года к году - от 22 до 40 раз Минимальной изменчивостью в величине продуцируемой надземной фитомассы (всего в 2,8 раза) из всех известных нам эдификаторов обладает осока песчаная (Сагех рЬу-зоёез), формирующая наиболее плотную (типа войлока), широко разветвленную корневую систему, обеспечивающую растения почвенной влагой из верхнего 20 25 см слоя песка

Нами исследованы особенности формирования урожайности надземной фитомассы конкретных видов и жизненных форм аридных фигоценозов Корреляционный анализ сопряженных многолетних материалов названных наблюдений позволил выявить наиболее значимые абиотические факторы, определяющие величину урожайности пастбищной растительности Результаты полученных достоверных математических зависимостей величины надземной фитомассы от различных абиотических факторов в качестве примера приведены в табл 4 и проиллюстрированы на рис 3

Рассмотрено также влияние микроклиматических условий на формирование величины надземной фитомассы пастбищных растений в условиях песчаного рельефа Наблюдения в пустынях Ирана показали, что существуют заметные различия в величине урожайности растений на различных склонах песчаного рельефа, в пределах каждого конкретного года В результате обработки материалов наблюдений станции и стационара Карыкуль в Каракумах и привлечения литературных источников составлена обобщенная табл 5, демонстрирующая различия в условиях увлажнения и величине надземной фитомассы на различных элементах рельефа

Таблица 5

Влияние различных элементов рельефа на декадный прирост фитомассы весенних трав (средние многолетние данные)

Элементы рельефа Запасы продуктивной влаги (мм) в слое почвы 0 30 см Прирост фитомассы весенних трав (кг/га)

март апрель март апрель

I а Ш I П П1 I П III I II Ш

Вершина бархана 11 и 8 13 9 9

Восточный склон 14 13 12 12 10 7 97 105 80 77 70 13

Западный склон 9 15 10 9 8 б 40 80 63 60 36 14

Выроненные пески 16 16 15 18 14 10 95 96 94 128 100 25

Мы провели статистический анализ (по методу Фишера) многолетних данных с целью получения достоверного заключения действительно ли имеются фактические различия в продуктивности весенней фитомассы, сформировавшейся в различных микроклиматических условиях песчаного рельефа. Такой анализ подтвердил, что с вероятностью 95 %, декадная урожайность фитомассы на западном склоне песчаной гряды (35,4 кг/га) оказывается ниже, чем

урожайность фигомассы весенних трав на выровненных песках (46,2 кг/га), т.е. декадная урожайность надземной фигомассы на выровненных песках на 30 % превышает таковую на западном склоне песчаной гряды. Этот факт объясняется различиями в условиях влагообеспеченности растений, Складывающимися в условиях песчаного рельефа.

Статистический корреляционный анализ многолетних материалов, выполненный нами, позволил установить многофакторную количественную зависимость урожайности весенних трав (U, кг/га) от двух основных предикторов: суммы эффективных температур воздуха за весенний период (2 Т г s...s2o*c) и запасов продуктивной влаги (мм) в слое почвы 0...30 см за весну (W 0...зо):

U = 0,21 S Т as... sä»9 + 8,95 W 0...30-96,01 (R = 0,91 ± 0,07; S „ = ±. 10 кг/га; S * = ± 11 %.

Установлено также количественное влияние величины осадков на формирование урожайности надземной фитомассы кустарниковых форм: при сумме осадков за осенний сезон, зиму и весну, превышающих 100 мм урожайность этих растений на выровненных песках достигает 175...550 кг/га, тогда как на склонах песчаных гряд она составляет всего 114...225 кг/га. Эту изменчивость в урожайности мы объясняем различиями в степени увлажнения различных элементов рельефа и в неодинаковой густоте стояния кустарниковых форм на единице площади.

Как и следовало ожидать, величина урожайности фигомассы в значительной степени зависит также от видового состава растительных формаций и преобладания тех или иных жизненных форм. Самая высокая продуктивность формируется белосаксауловой формацией на грядово-бугристых песках, самая низкая — на такыровидных формациях. Это хорошо просматривается на диаграммах рис. 4.

Впервые выявлена количественная зависимость урожайности фигомассы эфемеров (и эфемероидов) от количества семян, попавших в почву в предшествующие годы (сезоны):

U = 0,133 С - 74,76 W 0...20 + 470,065 (R = 0,88 ± 0,1; S „ = 180 кг/га; S„ = 16 % ), где: С - количество семян в слое 0...20 см на площади 1м2; Wo...20 - запасов продуктивной влаги весной в слое почвы 0...20 см.

Аналогичная количественная зависимость урожайности фигомассы эфемеров установлена нами при использовании другого предиктора - количества осадков за февраль-май (R

U = 0,123 С - 24,62 R ц...т+224,035 (R = 0,96 ± 0,11; S и = ± 54,41 кг/га; S ы=± 12% от средней урожайности эфемерового травостоя).

КОРМОВАЯ ЁМКОСТЬ ТИПИЧНЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ ПАСТБИЩ АРИДНОЙ ЗОНЫ исследовалась нами в главеVII.

Согласно определению, принятому в «Толковом словаре по сельскохо-. зяйственнои метеорологии» (2002), кормовая ёмкость — это показатель, определяющий количество травоядных животных, которые способны прокормиться на пастбище в течение месяца, сезона или всего периода использования этого угодья. В экологическом отношении учет кормоёмкости имеет принципиальное

Рис. 4 Рспределение растительных формаций и урожайности фитомассы некоторых жизненных форм по различным формам рельефа в Центральных

Каракумах.

Белосаксауловая

формация на грядовобутристых песках

Кандымовая формация Боялычевая формация Тетыровая формация

на песчаных грядах на на такыровидных

мелкогрядовобутристых поверхностях песках

значение для обеспечения устойчивости пустынных экосистем и предотвращения дигрессии пастбищ и процессов опустынивания, активно развивающихся в арвдных и полуаридных регионах мира (Kharin, Tateishi, Gringof, 1998; Kharin, Tateishi, 1999; Борликов, Харин и др., 2000; Харин, ГрингОф, 2002; Черняков-ский, 2002; Robert L. at all., 2002 и др.).

Кормовые достоинства различных растений значительно отличаются друг от друга и в различные пастбшцно-клим этические сезоны питательность растительной массы неодинакова и имеет четко выраженную сезонную динамику.

Наши исследования показали, что общей закономерностью в динамике питательности практически всех пастбищных растений является снижение кормовых достоинств от весны к заме. Другой особенностью динамики поедаемости пастбищных растений является избирательность видов, поедаемых в различные сезоны

Используя материалы нятпих полевых наблюдений на пустынных пастбищах Ирана, литературные источники и данные сета метеорологических станций, мы провели расчеты поедаемого запаса кормов по сезонам года для всех изучаемых типов пастбищ. Поедаемый запас кормов оценивался по методике Н.Т. Нечаевой (1957).

. Для определения площади пастбища, необходимого для выпаса одной овцы (W, га), нами использована методика Б.И. Демина (J973), в частности, по формуле:

W = N ■ t / Р,

где N - средняя масса сухого корма, поедаемая овцой за'однн день (принятый норматив 2 кг); t - число дней в пастбшцно-климатическом сезоне; Р — поедаемый запас кормов, приходящийся на сезон;

Кормовая ёмкость пастбища (Е) рассчитывалась по формуле:

Е = S / W,

где S - площадь пастбища (га); W - рассчитывается по предыдущей формуле. Эти расчеты выполнены нами для овец и верблюдов.

В качестве примера оценок кормоемкости могут служить табл.<5>. рис. 5.

Таблица б

Расчетная кормовая емкость различных типов пастбищ Каракумов в средние по агрометеорологическим условиям годы (овцы)

Типы пастбищ Поедаемый запас кормов, кг/га Площадь, потребная для выпаса 1 овцы, га Кормовая ёмкость пастбища (число овец на 1000 га)

В Л О 3 В Л О 3 В Л О 3

Саксаулово-илаковые 260 140 160 80 0,47 2,00 0,82 2,40 2128 500 1219 417

Кандымово-илаковые 350 190 100 80 0,35 1,49 1,32 2,40 2857 671 758 417

Боялычово- полыняо илаковые 280 230 110 90 0,44 1,23 1,20 2,11 2273 813 833 474

Полынно- тетыровые 0 0 220 170 0 0 0,60 1,11 0 0 1667 901

Примечание'. В, Л, 0,3 - условные обозначения всех сезонов года.

Рис Зависимость величины кормовой ёмкости некоторых типов пастбищной растительности от режима температуры воздуха и количество осадков в различные пастбищно-климатические сезоны.

3000

Весна

Лето.

Осень

Зима

~~~ Температура воздуха -----— Количество осадков НСаксзулово- иКандымово- ИБояльнево- вполынно-

илаковый илаковый полынно- тетыровыи

илаковый

Г 30

г

■25 §Я

(-20 И

• I I

НО 2

з §

■5 ч в №

Анализируя эти материалы, отметим, что при благоприятных абиотических условиях весеннего периода поедаемый запас кормов достигает в зависимости от типа пастбища 260...350 кг /га, при этом площадь пастбища, необходимая для выпаса одной овцы составляет 0,35... 0,47 га, а для верблюда 2,5;..3,3 га. Кормовая ёмкость пастбища варьирует в интервале 2128... 2857 овец и 303... 400 верблюдов на 1000 га.

Известно, что климат и погода оказывают непосредственной влияние на самих выпасающихся животных (О.Л.Бабушкин, Е.К.Балакирев А.П.Федосеев, А.И. Чекерес и др.). Исследование этой проблемы является актуальным для аридных регионов Исламской республики Иран. Однако, это - тема для другого самостоятельного исследования.

1 . *

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние важнейших абиотических факторов на жизнедеятельность эдификаторов пустынных фитоценозов и показано их комплексное воздействие на пустынные фитоценозы, на формирование надземной фитомас-сы. '

2. Охарактеризованы особенности основных типов почв аридных экосистем (на примере среднеазиатских пустынь) и показана специфика водно-физических агрогидрологических свойств, оказывающих влияние на режим и формирование запасов продуктивной влаги в корнеобитаемых горизонтах почвы. Проанализированы особенности формирования запасов влаги в условиях песчаного рельефа.

3. Рассмотрены основные типы и формации растительного покрова, характерного для аридных регионов равнин Средней Азии и Ирана. Проведен детальный экологический анализ пастбищно-климатических сезонов. Впервые выделены температурные границы «переходных» сезонов - предвесенья и предзимья, дано пояснение их экологического значения. Составлены уточнённые картосхемы изохрон устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 5 "С (начало весны) и через 20 °С (начало лета).

4. Сформулированы общие закономерности роста и развития пастбищных растений различных жизненных форм, определяемые особенностями экологических режимов.

5. Установлены достоверные статистические связи (математические модели) максимальной высоты (длины) годичного прироста у основных жизненных форм пустынных фитоценозов с различными предикторами (абиотическими факторами), в экологически значимые периоды их влияния на растения.

. 6. Полученные связи являются основой для разработки статистических методов оценки и прогноза максимальной высоты эдификаторов.

7. Впервые проведен критический анализ известных методов учета урожайности (годичного прироста фитомассы) пастбищных растений: наземных, расчетных и дистанционных. Выделены основные абиотические факторы, определяющие величину урожайности аридных пастбищ.

8 Установлены достоверные математические (статистические) зависимости величины надземной фитомассы эдификаторов аридных пастбищ от абиотических факторов условий влагообеспеченности растений, температурного режима в экологически значимые периоды их жизнедеятельности Проанализирован характер изменчивости урожайности фитомассы растений в динамике

9 Исследованы особенности среднемноголетней динамики формирования урожайности фитомассы в зависимости от условий обеспеченности влагой растений аридных регионов Показано влияние микроклиматических условий на формирование урожайности фитомассы трав на различных элементах рельефа Установлено, что величина надземной фитомассы каждого эдифпкатора различается по элементам песчаного рельефа

10 Исследована кормовая ёмкость основных типов пастбищ показана ее изменчивость по сезонам года и по годам, в зависимости от складывающегося комплекса абиотических факторов Количество потребленного корма травоядными животными определяется видовым составом, породами сельскохозяйственных животных, питательностью кормов и сезонами их использования

11 Проведенные нами исследования и полученные результаты могут служить основой для решения адекватных решавшимся задачам на территории Ирана.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1 Дианати Тилаки Г А, Резай М Изучение влияния некоторых экологических факторов на качественные характеристики многолетних злаковых в полупустынных регионах Ирана // Тр науч семинара «Природные ресурсы»,Т1993, №4 (на англ Яз) -С95-100

2 Дианати Тилаки ГА Сравнение различных методов для определения урожайности пастбищной растительности в аридных и степных районах Ирана - Тарбиат Модаррес Университет, 199б-а (на фарси) - С 135-152

3 Дианати Тилаки Г А. Изучение влияния некоторых экологических факторов на распределение сообщества растений в пустынных регионах Ирана -Тарбиат Модаррес Университет, 1996-6 (на фарси) - С 170-181

4 Дианати Тилаки ГА., Нашеми А, Адобекиа Е, Изучение аутэкологии Artemisia heba-alba в аридных регионах Ирана// Лес и пастбища - 1997, (на фарси) - С 38-45

5 Дианати Тилаки Г А Изучение аутэкологии Kochia prostrate в аридных регионах Ирана (Семнан)//Лес и пастбища- 1999 (на фарси) -С 23-28

6 Дианати Тилаки Г А Изучение отношения углерода и азота (C/N) в почве при различных состояниях типов пастбищ /Сб Докладов П международной Ирано-Российской конф «Сельское хозяйство и природные ресурсы», Москва, 2001 -С 221-227

7 Дианати Тилаки Г А Сравнение условий пустынных регионов Средней Азии и пустынными регионами Ирана// Тр науч семинара «Природные ресурсы» Т 2001, (на фарси), С 123-129

8. Дианати Тилаки ГА., Влияние абиотических факторов на произрастание пастбищной растительности в аридных районах, Тр. науч. конференции молодых ученых и специалистов ТСХА - М., 2001. -13 с.

9. Дианати Тилаки Г.А. Экологические особенности формирования запасов влаги в аридных почв // Тр. науч. Конференции молодых ученых и специалистов ТСХА. Деп. рук., № 18884, ВНИИТЭИ, Москва, 2002. - 14с.

10. Дианати Тилаки ГА., Влияние микроклиматических особенностей на формирование запасов продуктивной влаги и урожаев пастбищной растительности в условиях песчаного рельефа// Тр. Третья международная Российско-Иранская конференция «Сельское хозяйство и природные ресурсы». - М., 2002. -С.191-193.

11. Дианати Тилаки ГА., Грингоф.И.Г. Влияние экологических условий на урожайность пастбищных растений в аридных регионах // Изв. ТСХА — 2003. Вып. 3.-С. 49-59.'

Объем 1 5 п I

Зак 01

Тир 100 экз

АНО «Издательство МСХА» 127550 Москва, ул Тимирязевская 44