Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние пастбищной дигрессии на основные свойства лесостепных и степных черноземов Предуралья

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Влияние пастбищной дигрессии на основные свойства лесостепных и степных черноземов Предуралья"

На правах рукописи

БУЛГАКОВА Марина Александровна

ВЛИЯНИЕ ПАСТБИЩНОЙ ДИГРЕССИИ НА ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛЕСОСТЕПНЫХ И СТЕПНЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ

ПРЕДУРАЛЬЯ

Специальность 03.02.13 - Почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Оренбург - 2013

21 НОЯ 2№

005538867

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Научный руководитель РУСАНОВ Александр Михайлович,

доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой общей биологии, декан химико-биологического факультета ФГБОУ ВПО ОГУ, г. Оренбург.

Официальные оппоненты: БАГАУТДИНОВ Фатих Ягудович,

доктор биологических наук, профессор кафедры агрохимии, защиты растений и агроэкологии ФГБОУ ВПО БГАУ, г. Уфа;

НОВОЖЕНИН Иван Алексеевич,

кандидат биологических наук, доцент кафедры управления технологическими процессами в АПК Института дополнительного профессионального образования ФГБОУ ВПО ОГАУ, г. Оренбург.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет им. М.В. Ломоносова», г. Москва.

Защита диссертации состоится 18 декабря 2013 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 220.003.01 при ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан 15 ноября 2013 г. и размещен на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации http://vak2.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» www.bsau.ru

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с печатью организации и заверенными подписями по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, ученому секретарю диссертационного совета Д 220.003.01 Гайфуллину P.P. Факс: (347) 228-08-98 E-mail: gayfullin@bk.ru

Ученый секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук

P.P. Гайфуллин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В структуре земель сельскохозяйственного назначения черноземной зоны России естественные пастбища по своей площади занимают второе место после пашни. Так, в Оренбургской области, общая площадь которой составляет 12370,2 тыс.га., а доля земель сельскохозяйственного назначения составляет 88,6%, пашня занимает 6137,3 тыс.га, естественные пастбища 3990,8 тыс.га, сенокосы - 688,2 тыс.га. В силу разных причин, начиная с периода интенсивного сельскохозяйственного освоения почв черноземного типа, основные исследования процессов почвообразования и свойств почв были сосредоточены на территории пашни. Почвы же пастбищ и сенокосов исследовались лишь эпизодически. Между тем естественные пастбища являются не только основной базой развития животноводства, но и резервом пахотных площадей. Черноземы пастбищных экосистем в процессе их использования испытывают воздействия, которые существенным образом отличаются от ежегодного влияния плуга и других сельскохозяйственных орудий на почвы пашни. Специфика этого воздействия заключается в том, что под влиянием ежегодного стравливания животными надземной фитомассы почвы пастбищ испытывают дефицит растительной органики, естественного первоисточника органического вещества почв, гумуса. Одновременно, под влиянием многократного воздействия копыт сельскохозяйственных животных, особенно в период, когда почвы не достигли состояния «физической спелости», происходит уплотнение верхнего слоя почв и ухудшение физических свойств черноземов пастбищных экосистем. Все эти явления в своей совокупности требуют изучения как с целью пополнения теоретических знаний об антропогенном изменении свойств черноземов, так и для их практического применения.

Перечисленные обстоятельства определяют актуальность настоящего исследования.

Степень разработанности темы. Исследованию влияния длительного пастбищного использования на гумусное состояние степных черноземов Урала посвящены работы А.М.Русанова [1993, 2012], A.B. Тесля [2009]. Однако комплексного изучения влияния выпаса на свойства черноземов Предуралья до сего времени не проводились, не исследовалось и влияние пастбищной деградации на структуру почвенной биоты.

Цели и задачи. Цель работы заключается в исследовании изменений гумусного состояния, водно-физических свойств и структуры населения почвенных беспозвоночных при разной интенсивности пастбищной нагрузки.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие основные задачи:

- исследовать влияние пастбищной дигрессии на гумусное состояние черноземов;

- определить водно-физические свойства лесостепных и степных почв Предуралья и особенности их трансформации под влиянием длительного пастбищного использования;

- описать видовой состав, численность и доминирующие группы мезофауны почв пастбищных экосистем, а так же их изменения под влиянием выпаса разной интенсивности.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований показана динамика гумусного состояния и водно-физических свойств почв пастбищных экосистем под влиянием пастбищных нагрузок разной интенсивности. Описан комплекс почвообитающих беспозвоночных естественных пастбищ Предуралья. Получен сравнительный материал по мезофауне черноземных почв с разным режимом пастбищного использования.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследования дополняют теоретические знания по антропогенному изменению основных свойств черноземов и позволяют установить степень влияния скотосбоя на почвенное население, что может быть использовано в ходе проведения экологического мониторинга почв с целью оптимизации сельскохозяйственных нагрузок.

Результаты диссертационного исследования использованы в материалах курсов «Экологический мониторинг земель Оренбургской области», «Деградация и охрана почв», читаемых в Оренбургском государственном университете.

Изложенные в работе положения выполнены в рамках исследований по гранту РФФИ № 12-04-31384 «Использование биоиндикационного метода при определении степени пастбищной дигрессии».

Методология и методы исследования. В основу методологии оценки эколого-биологического состояния почв пастбищ был положен системный подход: совместное и одновременное изучение фито- и зооценозов,

морфологических, основных химических и физических свойств почв, их гумусного состояния.

В работе применялся комплекс методов разработанных Розановым Б.Г. [2004], Раменским Л.Г. [1938], Миркиным Б.М. [1984], Тюриным И.В. [1968, 1993], Гиляровым М.С. [1975], Стригановой Б.Р. [1975].

Положения, выносимые на защиту:

- длительное бессистемное пастбищное использование в незначительной мере влияет на количественные и качественные показатели гумуса;

- выражены изменения плотности почв, их структурного состояния и коэффициента фильтрации связаны с длительным влиянием копыт выпасаемых сельскохозяйственных животных на верхние слои черноземов;

- нерациональное использование пастбищных экосистем провоцирует смену доминантных групп почвенных беспозвоночных на более аридные комплексы. По структуре почвенной фауны черноземы пастбищ приобретают признаки, характерные для более южных подтипов;

- использование доминантных групп почвообитающих беспозвоночных в комплексе всех показателей состояния почв естественных пастбищ позволяет повысить объективность оценки степени деградации и демутации пастбищных экосистем.

Степень достоверности и апробация результатов. Сформулированные в работе научные положения и выводы обоснованы экспериментальными данными полевых и лабораторных опытов. Основные положения диссертационной работы были представлены на V и VI Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала», Оренбург, 2011, 2013гг; Международной научной конференции «Почвы Хакасии, их использование и охрана», Абакан, 2012; VI Съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева с международным участием «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования», Петрозаводск, 2012; XIV Съезде Русского энтомологического общества, Санкт-Петербург, 2012 г.

Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал в выборе объектов исследований, построении методики, закладке почвенных разрезов и зоологических площадок, отборе образцов, их лабораторном анализе и определении видов почвенной биоты, написании статей и тезисов.

Автор выражает благодарность за руководство исследованиями и всестороннюю помощь научному руководителю, д-ру биол. наук, профессору

A.M. Русанову. Автор благодарит за помощь в определении зоологического материала и консультации по вопросам построения методологии эксперимента канд. с.-х. наук В.А. Немкова, канд. биол. наук A.B. Русакова и A.M. Шаповалова, а также сотрудников кафедры общей биологии ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» за поддержку и помощь в проведении исследований.

Публикации. По теме исследования опубликовано 9 печатных работ, в том числе 6 статей в издании, рекомендованном ВАК РФ для публикации материалов диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата биологических наук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 131 странице машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, описания объектов и методов исследования, двух глав собственных исследований, выводов, списка использованных источников и приложений. Диссертация содержит 9 рисунков, 17 таблиц, список использованных источников из 268 наименований, в том числе 28 на иностранных языках.

1. ИЗМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПАСТБИЩ (обзор литературы)

В главе анализируются имеющиеся литературные данные, касающиеся проблемы изменения основных свойств почв и почвенного покрова пастбищных экосистем в процессе их использования. Систематизированы имеющиеся данные трансформации доминирующих групп видов почвенной биоты под влиянием пастбищной дигрессии.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В основу методологии оценки эколого-биологического состояния почв пастбищ был положен системный подход: совместное и одновременное изучение фито- и зооценозов, морфологических, основных химических и физических свойств почв, их гумусного состояния.

Исследования были проведены в течение 2010-2013 годов. В качестве объекта исследования были выбраны целинные и пастбищные участки черноземных почв Оренбургского Предуралья: черноземы типичные юга

лесостепной зоны (Тюльганский район, окрестности с. Ташла) и черноземы обыкновенные настоящих степей (Сакмарский район, окрестности с. Сакмара).

Геоботаническое описание исследуемых участков и их диагностика по степени пастбищной дигрессии проводились методом заложения пробных площадок [Раменский, 1938; Миркин, 1984]. Величину надземной фитомассы определяли укосным методом (1x1м), величину подземной биомассы - методом отмывания почвенных монолитов (20x20x20 см).

На целинном участке чернозема типичного растительность была представлена разнотравно-зеленоземлянично-луговотимофеевковой (Phleum pratense L. + Fragaria viridis Duch. + Achillea nobilis L.) с проективным покрытием 90-95%, общий запас фитомассы 348,4 ц/га, отношение подземной фитомассы к надземной 1,0. Слабосбитое пастбище занимало разнотравно-полынково-типчаковое сообщество (Artemisia austriaca Jacq. + Festuca valesiaca Gaudin.) с проективным покрытием 75-80%. Стадия среднего сбоя была представлена разнотравно-типчаково-полынковым (Artemisia austriaca Jacq. + Festuca valesiaca Gaudin.) растительным сообществом проективное покрытие которого составляло 60-65%. На стадии сильного сбоя с разнотравно-полынково-подорожниковой (Plantage urvillei Opiz + Artemisia austriaca Jacq.) растительностью, травостой сильно изрежен, встречаются участки с полностью выбитой растительностью общее проективное покрытие 20-25%, общий запас фитомассы 188,5 ц/га, отношение подземной фитомассы к надземной 1,9.

Целинный участок чернозема обыкновенного характеризовался разнотравно-ковыльно-типчаковым сообществом (Stipa lessingiana Trin. et Rupr. + Festuca valesiaca Gaudin) с проективным покрытием 85-90%, общий запас фитомассы 179,05 ц/га, отношение подземной фитомассы к надземной 2,0. Слабосбитый участок был представлен полынково-типчаково-ковыльным растительным сообществом (Festuca valesiaca Gaudin + Artemisia austriaca Jacq. + Stipa lessingiana Trin. et Rupr.) с проективным покрытием 70-75%. Среднесбитый участок был представлен тонконогово-мятликово-типчаковым травостоем (Koeleria gracilis Pers. + Роа bulbosa L. + Festuca valesiaca Gaudin) площадь проективного покрытия 40-45%. Сильносбитое пастбище характеризовалось типчаково-тонконогово-полынковой (Artemisia austriaca Jacq.+ Koeleria gracilis Pers. + Festuca valesiaca Gaudin) растительной ассоциацией общее проективное покрытие составляло 15-20%, общий запас фитомассы 87 ц/га, отношение подземной фитомассы к надземной 2,6.

В полевых условиях на участках опробования были описаны полнопрофильные разрезы [Розанов Б.Г., 2004 г.]. Плотность и влажность почв определяли общепринятыми методами. Скорость водопроницаемости черноземов исследовалась послойно методом трубок с шагом опробования 10 см. Для определения водопрочности агрегатов и структурно-агрегатного состава почв использовали методики Н.И. Савинова.

Содержание органического вещества в почве определяли по методу И.В. Тюрина в модификации ЦИНАО по ГОСТ 26213-91 [1993]. Фракционно-групповой состав гумуса по методике И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой - Т.А. Плотниковой [1968].

В полевых условиях производили также определение рН почвы с помощью электронного измерителя РН300 в 3-кратной повторности послойно через каждые 10 см.

Зоологические пробы брали по общепринятой методике [Гиляров, 1975] площадью 0,25 м2 (50x50 см) и глубиной до 40 см. Отобранных беспозвоночных фиксировали по методике Б.Р. Стригановой [1975]. Всего было разобрано 360 проб (90 м2) и отобрано более 10 тысяч экземпляров почвенных беспозвоночных. Сбор жесткокрылых производили пластиковыми стаканчиками с фиксатором по аналогу ловушек Барбера. Диаметр входного отверстия емкости составлял 65-70 мм, объем 200 мл. Ловушки располагались в линию на каждом участке в количестве 10 штук на расстоянии одного метра друг от друга. Сбор материала проводился через 5 суток. Общий объем работ составил 2400 ловушко-суток.

3. ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПАСТБИЩНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПРЕДУРАЛЬЯ

3.1 Динамика органического вещества почв пастбищ

Содержание гумуса в исследованных почвах закономерно снижается вниз по почвенному профилю, демонстрируя как в целинных, так и в черноземах пастбищ постепенно убывающее его профильное распределение. В ответ на антропогенное воздействие в гумусе происходит изменения в соотношениях групп и фракций гумусовых веществ.

В таблице 1 представлены средние значения показателей качественного состава органического вещества чернозема типичного и обыкновенного в слое 0-20 см за годы исследования.

Динамика содержания общего гумуса и его фракционно-группового состава в ряду целина - сильносбитое пастбище соответствует изменению геоботанических показателей, которые отражают особенности поступления в почву фитомассы как потенциального гумусообразователя.

Таблица 1 - Средние показатели фракционно-группового состава органического вещества в гумусовом слое (слой 0 — 20 см)

Степень пастбищной дигрессии Гумус,% ГК,% от Собщ ФК,% от Собщ НО Сгк/Сфк

ГК1 ГК2 ГКЗ I ФК1 ФК2 ФКЗ I

Целина

Чернозем типичный 11,05 10,28 24,62 17,34 52,23 2,76 5,45 10,38 18,59 29,18 2,81

Чернозем обыкновенный 6,60 9,80 29,67 9,79 49,26 3,19 8,60 5,88 17,66 33,08 2,79

Слабый сбой

Чернозем типичный 10,77 9,65 31,06 11,90 52,60 3,44 7,74 8,35 19,53 27,87 2,69

Чернозем обыкновенный 5,72 9,47 29,42 9,15 48,04 4,17 10,32 3,85 18,34 33,62 2,63

Средний сбой

Чернозем типичный 10,17 10,60 30,00 11,55 52,15 4,16 7,78 9,02 20,96 26,90 2,49

Чернозем обыкновенный 4,79 9,42 28,52 9,75 47,69 3,83 9,36 6,29 19,48 32,83 2,46

Сильный сбой

Чернозем типичный 9,81 9,10 25,79 13,87 48,76 4,16 7,44 8,42 20,02 31,23 2,44

Чернозем обыкновенный 4,49 9,28 24,13 9,19 42,59 4,95 8,69 4,81 18,45 38,96 2,31

Анализ количественного и качественного состава гумуса исследуемых участков чернозема типичного и обыкновенного показывает, что, несмотря на длительное использования пастбищных территорий, в почвах пастбищных экосистем значительных изменений гумусного состояния не происходит. Так, содержание гумуса в верхнем слое почв в ряду целина - сильносбитое пастбище на черноземе типичном последовательно уменьшалось с 11,0% до 9,8%; на черноземе обыкновенном - с 6,6 до 4,5%.

Установлено превалирование гуминовых кислот над фульвокислотами. В ряду целина — сильносбитое пастбище в составе гумуса отмечено сокращение доли наиболее лабильной фракции гуминовых кислот - ГК1 (с 10,28 до 9,10% на черноземе типичном и с 9,80 до 9,28% на черноземе обыкновенном), при этом наблюдалось увеличение фракции ФК1 (с 2,76 до 4,16% на черноземе типичном и с 3,19 до 4,95% на черноземе обыкновенном). Данные фракции обеспечивают почвообитающую биоту легкодоступными питательными веществами. Отмечалась тенденция к снижению количества ГК2 - фракции, связанной с ионами кальция и магния как на черноземе типичном так и на черноземе обыкновенном.

При определении качественного состава гумуса в слое 0-20 см было установлено, что максимальное значение величины Сгк/Сфк характерно для целинного участка чернозема типичного (2,81). Отмечалась тенденция к снижению по мере развития пастбищной дигрессии от 2,69 (слабый сбой) до 2,44 (сильный сбой) в черноземе типичном и от 2,79 (целина) до 2,31 (сильный сбой) в черноземе обыкновенном. Ежегодные исследования заметных изменений в степени гумификации органического вещества почв не показали.

В том же направлении отмечена тенденция к увеличению содержания негидролизуемого остатка: с 29,18% на целине до 31,23% на участке сильного сбоя чернозема типичного и с 33,08% на целине до 38,96% на участке сильного сбоя чернозема обыкновенного. Одновременно наблюдается относительное увеличение содержания фракций фульвокислот.

Столь незначительные изменения в качественно-количественных показателях гумуса почв пастбищ в связи с их использованием, вероятно, связаны со следующими обстоятельствами. В отличие от пашни, на пастбища не подлежат распашке, в связи с чем не происходит интенсивного окисления органического вещества почв нижележащих слоев, ежегодно выходящих на дневную поверхность под воздействием плуга. Из-за изменений в видовом составе естественных фитоценозов и снижения ежегодно производимой фитомассы сокращается расход органического вещества почвы, направленного на её производство. Минерализация же гумуса под влиянием естественных явлений в значительной мере компенсируется вовлечением продуктов распада в процессы гумусообразования (Дергачева, 2010). Все эти условия способствуют сохранению органического вещества почв пастбищ, своеобразной его

консервации, что объясняет незначительные изменения в их гумусном состоянии.

Для оценки интенсивности новообразования гумуса по методу М.Ф.Овчинниковой используется отношение Сгк1:Сфк1, а для отображения увеличения степени конденсированности гумуса, - отношение Сгк2:Сфк2 (Овчинникова, 2007). Рассчитанные показатели для обозначенных выше этапов гумусообразования представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Оценка интенсивности новообразования и конденсации гумуса (по М. Ф. Овчинниковой, 2007)

Слой, см Интенсивность новообразования гумуса (Сгк1:Сфк1) Интенсивность конденсации гумуса (Сгк2:Сфк2) Сгк1:Сфк1/Сгк2:Сфк2

Чернозем обыкновенный Чернозем типичный Чернозем обыкновенный Чернозем типичный Чернозем обыкновенный Чернозем типичный

Целина

0-10 5,69 6,56 3,02 4,38 1,89 1,50

10-20 2,14 2,02 3,95 4,80 0,54 0,42

20-30 1,50 1,43 3,49 4,50 0,44 0,32

Слабый сбой

0-10 5,18 5,93 2,45 3,70 2,16 1,60

10-20 1,60 1,93 3,53 4,35 0,46 0,44

20-30 1,45 1,57 3,53 4,46 0,54 0,37

Средний сбой

0-10 3,79 4,17 2,56 3,56 1,88 1,45

10-20 1,69 1,64 3,69 4,23 0,46 0,39

20-30 1,56 1,53 3,47 4,66 0,55 0,39

Сильный сбой

0-10 2,56 3,97 2,29 3,14 1,58 1,59

10-20 1,49 1,47 3,16 3,98 0,48 0,37

20-30 1,62 1,54 3,68 4,71 0,53 0,36

Целинные черноземы обладают более высокими показателями отношения Сгк1:Сфк1 и Сгк2:Сфк2 чем пастбищные, что свидетельствует о более эффективном гумусообразовании в условиях естественных экосистем.

Отраженные в таблице данные показывают, что процессы новообразования гумуса на целинных участках активнее протекают в верхних слоях гумусового горизонта. Одновременно выявлена ярко выраженная тенденцией к сокращению активности не только по мере нарастания степени пастбищной дигрессии, но и вниз по профилю. Подобная ситуация объясняется спецификой видового состава растительных ассоциаций. На целинных участках подавляющее большинство растений принадлежит к семейству злаковых (<Згаттеае), виды которого обладают мочковатой корневой системой, приуроченной к самым верхним слоям почв. На пастбищных участках пропорции видового доминирования сдвигаются в сторону растений, обладающих стержневой корневой системой, уходящей значительно глубже по почвенному профилю, чем у злаков. Это подтверждается тем, что в слое 2030 см наблюдается повышение интенсивности новообразования гумуса с 1,50 до 1,62 на черноземе обыкновенном и с 1,43 до 1,54 на черноземе типичном.

В отличие от новообразования конденсация гумуса, напротив, менее интенсивна на поверхности, чем в более глубоких слоях почв, но также характеризуется понижением по мере нарастания пастбищной дигрессии.

Соотношение новообразования гумуса и его конденсации (Сгк1:Сфк1/Сгк2:Сфк2), подтверждает незначительное снижение активности гумусаккумулятивных процессов в ряду целина-сильносбитое пастбище.

Таким образом, почвы всех исследуемых участков, судя по качественно-количественным показателям гумуса, несмотря на сельскохозяйственное использование, полностью соответствуют черноземному типу почвообразования.

Вместе с тем следует отметить, что выявленные изменения в гумусном состоянии лесостепных и степных черноземов пастбищных участков, ставших следствием вытаптывания, уплотнения почв и стравливания естественной растительности, свидетельствуют об аридизации пастбищного ландшафта под влиянием длительного выпаса.

3.2 Изменения некоторых физических свойств почв пастбищ

Оценка изменений физических свойств исследуемых черноземов под влиянием выпаса проводилась по показателям структурного состояния почв пастбищных и целинных участков (по содержанию агрономически ценных

отдельностей при сухом и мокром просеиваниях и по коэффициенту структурности), их плотности и скорости водопроницаемости (табл. 3).

Таблица 3 - Средние значения основных показателей физических свойств исследуемых участков

Степень пастбищной дигрессии Показатели свойств Слой, см ^^дочв Плотность, г/смЗ Скорость водопроницаемости, мм/ч Коэффициент структурности

0-10 0,85 122 1,77

Целина 10-20 0,94 110 1,60

20-30 1,02 144 1,62

>s Слабый сбой 0-10 1,04 132 1,69

S Er S 10-20 0,99 139 1,43

5 H 20-30 1,05 96 1,64

S u Средний сбой 0-10 1,23 79 0,91

о s 10-20 1,07 74 1,20

и ET 20-30 1,03 93 1,45

Сильный сбой 0-10 1,32 49 0,78

10-20 1,23 62 0,87

20-30 1,06 77 1,21

0-10 1,02 138 1,80

Целина 10-20 1,11 147 1,34

>s 20-30 1,07 92 1,73

я X Слабый сбой 0-10 1,09 110 1,23

а о 10-20 1,09 101 1,03

20-30 1,05 77 1,40

Ю О s и м Средний сбой 0-10 1,21 89 1,05

10-20 1,17 67 1,00

S о. 20-30 1,10 75 1,30

£Г Сильный сбой 0-10 1,29 55 0,64

10-20 1,26 49 0,80

20-30 1,10 89 0,90

Анализ данных показал равномерное убывание содержания агрономически ценных агрегатов при мокром просеивании как вниз по профилю, так и в ряду целина - сильносбитое пастбище.

Отмечалось увеличение средней плотности чернозема типичного в слое 0-20 см в направлении от целины (0,89 г/см3) к сильносбитому пастбищу (1,27 г/см3). В том же направлении на черноземах обыкновенных средняя плотность в слое 0-20 см возрастала с 1,06 до 1,27 г/см3. Так, в связи с возрастанием пастбищных нагрузок, плотность почв изменяется: от типичной на целине, до сильного уплотнения в верхнем двадцатисантиметровом слое на участках, занятых полынковой растительностью.

Исходя из данных, полученных при анализе плотности почв, следует, что в наибольшей степени уплотнению подвержен самый верхний десятисантиметровый слой. Кроме того, судя по результатам структурно -агрегатного состава исследуемых черноземов и скорости их водопроницаемости можно предположить, что уплотнение происходит в первую очередь за счет снижения объёма межагрегатных пор и не затрагивает основной массы агрономически ценных структурных отдельностей.

4. ПОЧВЕННАЯ БИОТА КАК КОМПОНЕНТ ПАСТБИЩНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ

Длительное нерациональное воздействие на пастбищные биогеоценозы отражается на почвенных беспозвоночных. Проведенные исследования позволили определить численность и основные группы почвообитающих беспозвоночных животных естественных пастбищ.

На участках исследования зарегистрировано 49 видов жесткокрылых (Coleóptera), относящихся к 8 семействам. Наибольшим разнообразием отличались жужелицы (24 вида), чернотелки (8 видов), мертвоеды (4 вида). На остальные семейства приходилось от 1 до 3 видов. Помимо насекомых, найдены дождевые черви (Lumbricidae), губоногие (Chilopoda), полужесткокрылые (Hemiptera) и паукообразные (Arachnida).

4.1 Влияние пастбищной дигрессии на доминирующие семейства жесткокрылых

Жужелицы (Coleóptera, Carabidae) являются одной из основных групп беспозвоночных тесным образом связанных с почвой и обитающих на целине и

пастбищах лесостепной и степной зон.

На исследованных участках зарегистрировано 24 вида этого семейства, относящихся к 7 родам. Большим видовым богатством характеризовался целинный участок чернозема типичного на нем зарегистрировано 15 видов жужелиц. Аналогичное число видов, но в более ксерофитном сочетании, обнаружено на сильносбитом пастбище чернозема типичного.

Сравнение экологического состава фауны жужелиц на исследованных целинных и пастбищных участках лесостепной зоны показывает, что выпас скота приводит к снижению не только количества лесостепных видов, но и их обилия. В лесостепной зоне, на черноземе типичном, доля видов приуроченных к влажным местообитаниям составляла 72%, в степной зоне, на черноземе обыкновенном, они составляли не более 47% от общего обилия.

На пастбищах отмечено меньшее количество зоофагов по сравнению с целинными участками и особенно группы стратобионтов подстилочных и подстилочно-почвенных. Это, несомненно, связано с очень слабым развитием подстилки на средне и сильносбитых пастбищах (рис. 1). Общее число зоофагов сокращается ввиду исчезновения из биоценоза многих сапрофитов

РГкиортебКокгы □ Страгслортобкокгь:

■ Эшгг^обкс-нгъ: хвдшже В ясокхилочкые

Рисунок 1 - Оценка обилия жизненных форм жужелиц, (%)

При более детальном рассмотрении доли различных жизненных форм жужелиц в карабидокомплексе исследованных участков четко вырисовываются основные динамики обилия. Так, на черноземе типичном в ряду целина-сильносбитое пастбище велик процент обилия миксофитофагов геохортобионтов, повышение численности которых идет при нарастании влияния скота. Эти же тенденции представлены в отношении миксофитофагов стратохортобионтов. В силу способности к смешанному питанию данные жужелицы имеют большие возможности, чем зоофаги, численность которых неизменно сокращается с повышением ксерофитизации биогеоценоза.

Наибольшее видовое разнообразие жужелиц отмечалось на целинных участках чернозема типичного и чернозема обыкновенного. Самым бедным в видовом отношении жужелиц является сильносбитое пастбище чернозема обыкновенного. Максимально информативным является соотнесение только доминантных видов, то есть видов, не являющихся случайными на участке. На целинном и слабосбитом пастбище чернозема типичного к доминантам относятся одни и те же лугово-полевые виды Poecilus lepidus Leske, Poecilus versicolor Sturm, Harpalus luteicornis Duft, Harpalus rufipes DeGeer (эврибионт). При этом виды рода Poecilus являются зоофагами стратобионтами подстилочно-почвенными, а виды рода Harpalus — миксофитофагами геохортобионтами. На сильносбитом пастбище происходит многократное увеличение числа особей рода Harpalus, сопровождающееся выпадением из карабидокомплекса вида Poecilus versicolor Sturm и добавление степного вида -Poecilus sericeus Fisch.

На целине и слабом сбое чернозема обыкновенного к доминантам относились степной зоофаг стратобионт подстилочно-почвенный Poecilus sericeus Fisch, лугово-полевой зоофаг стратобионт подстилочно-почвенный Poecilus lepidus Leske, лугово-полевые зоофаги стратобионты подстилочные Calathus melanocephalus L, Calathus erratus Sahlberg.

На сильносбитом пастбище чернозема обыкновенного доминантами являлись лугово-полевые миксофитофаги геохортобионты Harpalus smaragdinus Duft, Harpalus calceatus Duft; степной миксофитофаг стратохортобионт Ophonus obscurus Fab; степной зоофаг стратобионт подстилочно-трещенный Cymindis angularis Gyll.

Следовательно, небольшие изменения комплекса жужелиц, связанные с уменьшением доли подстилочных видов (p. Poecilus), говорят о том, что травостой пастбища изымается в значительном количестве, а сдвиг видового доминирования в сторону группы геохортобионтов (p. Harpalus, р. Amara), может свидетельствовать о значительных изменениях в верхних слоях почв.

На аналогичную картину в характеристике почвенного покрова (значительное уплотнение и иссушение верхнего слоя почвы) указывает повышение доли степных видов жужелиц (Calathus halensis Schall, Cymindis angularis Gyll, Ophonus obscurus Fab). Наличие данных видов говорит о ксерофитизации территории и начавшихся изменениях в карабидофауне биогеоценоза.

Жуки-чернотелки (Coleóptera, Tenebrionidae) — это организмы — минерализаторы, которые производят глубокую переработку опада (измельчая, поедая и разлагая его), препятствуя его трансформации в гумус, сдвигая процессы в сторону минерализации.

Структура населения жуков-чернотелок рассматриваемых степных участков анализировалась с помощью таких параметров, как обилие и экологические группы.

Общая картина распределения численности и обилия чернотелок на черноземе типичном представляла собой постепенное повышение количества экземпляров. Исключением являлся Crypticus quisquilius, обилие которого сокращалось с 71,60% (58 экз/100 л.с.) до 11,93% (13 экз./100 л.с.), но не смотря на это вид являлся доминантом на всех участках чернозема типичного. Tentyria nomas также обладал статусом «доминант» на всех участках лесостепи имея максимальную численность (26 экз/100 л.с.) на сильносбитом пастбище.

В отличие от лесостепи в степях жуки-чернотелки являются одним из центральных экосистемных звеньев. На целине чернозема обыкновенного резко доминировал один вид жуков-чернотелок, Tentyria nomas, также была зарегистрирована высока плотность вида Gonocephalum granulatum pusillum F.

Blaps halophila на всех участках характеризовался как «субдоминант», максимальное количество особей было отмечено на целине - 47 экз/100 л.с. (обилие 8,32%), минимальное на сильном сбое - 17 экз/100 л.с. (обилие 9,83%). Постепенное повышение значения обилия объясняется сокращением доли других видов чернотелок в биоценозе. Blaps lethifera на всех участках вид являлся субдоминантом, исключением стал участок среднего сбоя, где за счет

выпадения Platyscelis hypolithos Blaps lethifera стал доминантом (обилие 10,04%).

Crypticus quisquilius наряду с остальными мезофильными видами чернотелок под влиянием скотосбоя значительно снизил численность особей, а именно с 54 экз/100 л.с. на целине до 3 экз/100 л.с. на сильном сбоя. Также произошла смена статуса в биоценозе с субдоминанта до статуса «редок» (обилие 1,73%).

Gonocephalum granulatum pusillum F. доминировал на целинном и слабосбитом участке обладая обилием до 12,61%. На средне и сильносбитом пастбище число особей сократилось и вид характеризовался как «субдоминант». На целинном участке Platyscelis hypolithos обладал численностью 55 экз/100 л.с. (обилие 9,73%) и характеризовался как «субдоминант», но на участке среднего сбоя его количество упало настолько, что не было зарегистрировано ни одного экземпляра.

Tentyria nomas доминировала среди чернотелок на всех участках. На целинном участке Tentyria nomas обладала численностью в 197 экз/100 л.с. (обилие 34,87%). С постепенным нарастанием воздействия скота наблюдалось сокращение численности, но даже на сильносбитом пастбище она составляла 106 экз/100 л.с. (обилие 61,27%).

Влияние скотосбоя, для большинства групп почвообитающих беспозвоночных, является сильным стимулом к сокращению численности популяции. При изучении чернотелок в этой общей тенденции наиболее информативной является оценка изменений в экологических группах, так как она позволяет иначе взглянуть на «потерю» численности видами. Так, в ряду целина-сильносбитое пастбище лугово-степной мезофилл-лессобионт Crypticus quisquilius сократился в численности на 94,4%, лесостепной мезофилл Pedinus femoralis — 95,5%. При этом группа термоксерофилов травяных в том же году снизилась в численности на 59,5%, а численность степного ксерофила Opatrum sabulosum на 75,5%. Незначительные отклонения от сложившейся картины наблюдались и в последующие годы исследования. То есть можно заключить, что пастбищные экосистемы в первую очередь утрачивают мезофильные компоненты колеоптерофауны (Crypticus quisquilius, Pedinus femoralis и т.д.). Одновременно получают распространение сухостепные виды жуков, среди которых Blaps halophila F.-W., Gonocephalum granulatum Fabric, и Platyscelis hypolitha Pall.

Таким образом, высокая численность чернотелок в степной зоне сокращается по мере нарастания последствий пастбищного воздействия: сокращение растительного покрова и подстилки, уплотнение почв, появление открытых участков почвы подверженных чрезмерной инсоляции.

4.2 Влияние пасущегося скота на динамику численности дождевых червей исследованных участков

Основную часть сапрофитного комплекса составляют дождевые черви. К югу от лесостепи зоомасса дождевых червей начинает снижаться, что не позволяет использовать их как индикаторов пастбищной деградации степных почв.

Несомненно, важным фактором при скотосбое является уплотнение верхнего сбоя почв, что ухудшает условия обитания и затрудняет передвижение червей, а сокращение подстилки практически лишает их пищи. Так, в ряду целина-сильносбитое пастбище чернозема типичного установлено закономерное сокращение численности дождевых червей, как в мае, так и в сентябре на протяжении всего эксперимента. При этом некоторые пробы включали в себя минимальное число экземпляров, не смотря на это, сумма экземпляров червей во всех 15 пробах оставалась существенной. Данное наблюдение подтверждается тем, что среднее квадратичное отклонение в пробах варьирует от 1,5 до 9,4 (табл. 4), а следовательно можно говорить о пятнистости в распределении дождевых червей.

В местах ежегодного скопления крупного рогатого скота происходит интенсивное вытаптывание и стравливание растительности, а отложенные в большом количестве экскременты сдвигают реакцию почвенной среды в щелочную сторону. Данные полученные при исследовании изменения реакции среды под воздействием привнесенных экскрементов отражены на рисунке 2.

Целинный и слабосбитый участки чернозема типичного в подверженном скотосбою слое 0-20 см характеризовались как слабокислые, обладая средним значением рН равным 5,95 и 6,20 соответственно. По мере увеличения уплотненности почв реакция среды стала приобретать нейтральный и слабощелочной характер, а именно при тех же условиях на участке среднего и сильного сбоя значение рН ровнялось 6,87 и 7,55 соответственно.

Таблица 4 - Среднее количество дождевых червей на 1 м2

Чернозем типичный

Период исследования Целина Слабый сбой Средний сбой Сильный сбой

эю/м2±ст С\',% экз/м2±я СУ,% экз/м2±<т СУ,% экз/м2±о СУ,%

май 38,4±4,2 10,94 29,6±6,3 21,28 22,4±5,2 23,21 10,4±3,7 35,58

о С-1 сентябрь 49,6±4,8 9,68 40,8±5,4 13,24 30,4±7,7 25,33 13,6±3,3 24,26

май 35,2±5,1 14,49 31,2±5,1 16,35 22,4±4,7 20,98 8,8±2,4 27,27

о СЧ сентябрь 44,8±9,4 20,98 32,8±7,9 24,09 20,8±2,4 11,54 7,2±2,6 36,11

СО май 36,8±5,4 14,67 29,6±5,8 19,59 22,4±6,7 29,91 8,0±1,5 18,75

О гч сентябрь 24,8±6,9 27,82 20,8±4,9 23,56 15,2±5,1 33,55 4,8±1,9 39,58

Примечание: а - среднее квадратичное отклонение; СУ - коэффициент вариации, %.

—— целина - ♦ - - слабый сбой

* ...... средний сбо й

—■— сильный сбой

0-10 10-20 20-30 30-40

Рисунок 2 - Значение рН исследованных участков чернозема типичного

Можно заключить, что с одной стороны выпас играет положительную роль для люмбрицид как сапрофагов в качестве поставщика дополнительного питательного вещества, но с другой стороны чрезмерный скотосбой, и все его последствия, угнетающе действуют на дождевых червей. Вместе с тем навоз активизирует миграции 1итЬгшс1ае таким образом влияя на их распределение по пастбищному участку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что при интенсивном пастбищном использовании происходит незначительное снижение содержания гумуса и отношения Сгк/Сфк. В связи с отчуждением растительного покрова расходование накопленного гумуса значительно сокращается, а в совокупности с уплотнением верхних слоев почв происходит своеобразное «консервирование» почвенного гумуса.

2. Среди показателей физических свойств почв наибольшими изменениями характеризовалась плотность почв, которая в слое 0-10 см возросла с 0,85 - 1,32 г/см3 на черноземе типичном и с 1,02 - 1,29 г/см3 на черноземе обыкновенном, что значительно затрудняет продвижение корневых волосков растений, личинок и дождевых червей в почвенном профиле.

3. В связи с уплотнением почв и сокращением межпорового пространства увеличилось время фильтрации воды с 194 мм/час на целине до 49 мм/час на сильном сбое чернозема типичного и с 90 мм/час на целине до 45 мм/час на сильном сбое чернозема обыкновенного. Исходя из данных, полученных при анализе структурно - агрегатного состава исследуемых черноземов, можно судить о том, что изменения, происходящие в профиле, скорее можно объяснить переходом почвенных агрегатов в микроагрегаты, чем полным их разрушением.

4. Показано, что в ряду целина-сильносбитое пастбище исследованных черноземов в комплексе жужелиц было зарегистрировано уменьшение доли зоофагов подстилочных (p. Poecilus), связанное с сокращением объема фитомассы, а соответственно и фитофагов. Отмечен сдвиг видового доминирования в сторону миксофитофагов геохортобионтов (p. Harpalus), объясняющийся переходом жужелиц к смешанному типу питания в связи со снижением толщины подстилки и числа сапрофагов. На сильносбитом участке под черноземом обыкновенном отмечен степной зоофаг стратобионт подстилочно-трещенный (p. Cymindis), наличие которого свидетельствует о ксерофитизации ландшафта и начавшихся изменениях в карабидофауне.

5. При нарастании пастбищной дигрессии под влиянием роста дефицита влаги меняется видовой состав чернотелок: исчезают мезофильные виды (Crypticus quisquilius, Pedinus femoralis и т.д.) и получают распространение сухостепные виды {Вlaps halophila F.-W., Gonocephalum granulatum Fabric, и Platyscelis hypolitha Pall).

6. Уплотнение верхних слоев почв и отчуждение значительной части растительности лишает червей привычных условий обитания и пищи, что сказывается на их численности - установлено закономерное сокращение количества экземпляров дождевых червей по мере нарастания дигрессии пастбищ с 76 до 18 экз/м2 на черноземе типичном; с 15 до нуля экз/м2 на черноземе обыкновенном.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ:

1. Русанов, А.М. Изменения в сообществе почва - растение - почвенная мезофауна под влиянием антропогенной нагрузки / А.М. Русанов, М.А. Гаевская // Вестник Оренбургского государственного университета, -2011. -№ 12 (131), декабрь, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»-С. 129-131. ISSN 1814-6457

2. Гаевская, М.А. Изменение свойств лесостепных и степных черноземов при различных антропогенных нагрузках как фактор влияния на состав и численность почвенной мезофауны / М.А. Гаевская // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2011. -№ 12 (131), декабрь, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» — С. 49-51. ISSN 1814-6457

3. Булгакова, М.А. Биологическая активность антропогенно нарушенных черноземов степной и лесостепной зоны / М.А. Булгакова // Вестник Оренбургского государственного университета. —2012. -№ 10, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» - С. 83-86. ISSN 1814-6457

4. Булгакова, М.А. Зоологический мониторинг пастбищных экосистем Оренбургского Предуралья / М.А. Булгакова, Е.А. Булгаков // Аграрный вестник Урала. - Екатеринбург: Издательство УрГСХА, 2013. - №2. С. 43-45. ISSN 1997-4868

5. Булгакова, М.А. Влияние помета крупного рогатого скота на плотность популяции Lumbricidae (на примере чернозема типичного) / М.А. Булгакова, Е.А. Булгаков // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2013. -№ 6, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» - С. 96 - 98. ISSN 1814-6457

6. Булгакова, М.А. Оценка роли карабидофауны (Coleóptera, Carabidae) как индикатора интенсивности зоогенного пресса / М.А. Булгакова, А.М. Русанов, Г.В. Карпова, Е.А. Булгаков // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. -№ 10, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» — С. 31-34. ISSN 1814-6457

Статьи (доклады) в сборниках научных трудов и материалах конференций:

7. Русанов, А.М. Взаимосвязь гумусового состояния и физических свойств степных черноземов пастбищных экосистем с дождевыми червями/ А.М. Русанов, М.А. Гаевская, О.В. Примак // Материалы международной научной конференции «Почвы Хакасии, их использование и охрана», посвященной 85-летию М.Г. Танзыбаева. - Абакан: ООО «Кооператив «Журналист», 2012.-С. 189-196.

8. Русанов, А.М. Активность Lumbricidae в почвах пастбищных экосистем лесостепной и степной зоны Предуралья/ А.М. Русанов, М.А. Гаевская, А.В. Бородин // Материалы докладов VI Съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Всероссийская с международным участием научная конференция «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск-Москва, 13-18 августа 2012г.) Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2012. - С. 435-436

9. Русанов, А.М. Изменение видового состава жуков-чернотелок (Coleóptera, Tenebrionidae) под влиянием пастбищной дигрессии/ А.М. Русанов, М.А. Гаевская // Материалы XIV съезда Русского энтомологического общества, Санкт-Петербург 27 августа - 1 сентября 2012 г. - С. 378.

Отпечатано: ИП Востриков П.В. . Оренбург, ул. Рыбаковская, 100, тел.:(3532) 25-33-60,93-81-12 www.kpoliart.ru, e-mail: rapoliart@gmail.corn Тираж 100 экземпляров

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Булгакова, Марина Александровна, Оренбург

МИНОБРНАУКИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

БУЛГАКОВА МАРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

ВЛИЯНИЕ ПАСТБИЩНОЙ ДИГРЕССИИ НА ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЛЕСОСТЕПНЫХ И СТЕПНЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ ПРЕДУРАЛЬЯ

03.02.13 - Почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор A.M. Русанов

На правах рукописи

04201452042

Оренбург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................3

¡.ИЗМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА

ПАСТБИЩ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..........................................................7

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................36

2.1 Физико-географическая характеристика района исследования................36

2.2 Описание объекта и методов исследования................................................................40

3. ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПАСТБИЩНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПРЕДУРАЛЬЯ............................................................49

3.1 Динамика органического вещества почв пастбищ........................ 49

3.2 Изменения некоторых физических свойств почв пастбищ............. 58

4. ПОЧВЕННАЯ БИОТА КАК КОМПОНЕНТ ПАСТБИЩНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ.................................... 67

4.1 Влияние пастбищной дигрессии на доминирующие семейства жесткокрылых........................................................................ 70

4.2 Влияние пасущегося скота на динамику численности дождевых

червей исследованных участков.................................................. 91

ВЫВОДЫ.............................................................................. 98

Список использованной литературы............................................. 100

Приложение А Оценка обилия почвенной мезофауны чернозема

128

типичного .............................................................................

Приложение Б Оценка обилия почвенной мезофауны чернозема обыкновенного.......................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В структуре земель сельскохозяйственного назначения черноземной зоны России естественные пастбища по своей площади занимают второе место после пашни. Так, в Оренбургской области, общая площадь которой составляет 12370,2 тыс.га., а доля земель сельскохозяйственного назначения составляет 88,6%, пашня занимает 6137,3 тыс.га, естественные пастбища 3990,8 тыс.га, сенокосы - 688,2 тыс.га. В силу разных причин, начиная с периода интенсивного сельскохозяйственного освоения почв черноземного типа, основные исследования процессов почвообразования и свойств почв были сосредоточены на территории пашни. Почвы же пастбищ и сенокосов исследовались лишь эпизодически. Между тем естественные пастбища являются не только основной базой развития животноводства, но и резервом пахотных площадей. Черноземы пастбищных экосистем в процессе их использования испытывают воздействия, которые существенным образом отличаются от ежегодного влияния плуга и других сельскохозяйственных орудий на почвы пашни. Специфика этого воздействия заключается в том, что под влиянием ежегодного стравливания животными надземной фитомассы почвы пастбищ испытывают дефицит растительной органики, естественного первоисточника органического вещества почв, гумуса. Одновременно, под влиянием многократного воздействия копыт сельскохозяйственных животных, особенно в период, в котором почва не успела достигнуть так называемой «физической спелости», происходит уплотнение верхнего слоя почв и ухудшение физических свойств черноземов пастбищных экосистем. Все эти явления в своей совокупности требуют изучения как с целью пополнения теоретических знаний об антропогенном изменении свойств черноземов, так и для их практического применения.

Перечисленные обстоятельства определяют актуальность настоящего исследования.

Степень разработанности темы. Исследованию влияния длительного пастбищного использования на гумусное состояние степных черноземов Урала посвящены работы А.М.Русанова [1993, 2012], A.B. Тесля [2009]. Однако комплексного изучения влияния выпаса на свойства черноземов Предуралья до сего времени не проводились, не исследовалось и влияние пастбищной деградации на структуру почвенной биоты.

Цели и задачи. Цель работы заключается в исследовании изменений гумусного состояния, водно-физических свойств и структуры населения почвенных беспозвоночных при разной интенсивности пастбищной нагрузки.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие основные задачи:

- исследовать влияние пастбищной дигрессии на гумусное состояние черноземов;

- определить водно-физические свойства лесостепных и степных почв Предуралья и особенности их трансформации под влиянием длительного пастбищного использования;

- определить видовой состав, численность и доминирующие группы мезофауны почв пастбищных экосистем, а так же их изменения под влиянием выпаса разной интенсивности.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований показана динамика гумусного состояния и водно-физических свойств почв экосистем пастбищ под воздействием пастбищных нагрузок разной интенсивности. Описан комплекс почвообитающих беспозвоночных естественных пастбищ Предуралья. Получен сравнительный материал по мезофауне черноземных почв с разным режимом пастбищного использования.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследования дополняют теоретические знания по антропогенному изменению основных свойств черноземов и позволяют установить степень влияния скотосбоя на почвенное население, что может быть использовано в ходе проведения экологического мониторинга почв с целью оптимизации сельскохозяйственных

нагрузок.

Результаты диссертационного исследования использованы в материалах курсов «Мониторинг земель Оренбургской области», «Охрана почв», читаемых в Оренбургском государственном университете

Изложенные в работе положения выполнены в рамках исследований по гранту РФФИ № 12-04-31384 «Использование биоиндикационного метода при определении степени пастбищной дигрессии».

Методология и методы исследования. В основу методологии оценки эколого-биологического состояния почв пастбищ был положен системный подход: совместное и одновременное изучение фито- и зооценозов, морфологических, основных химических и физических свойств почв, их гумусного состояния. В работе применялся комплекс методов разработанных Розановым Б.Г. [2004], Раменским Л.Г., [1938], Миркиным Б.М. [1984], Тюриным И.В. [1968, 1993], Гиляровым М.С. [1975], Стригановой Б.Р. [1975].

Положения, выносимые на защиту:

- длительное бессистемное пастбищное использование в незначительной мере влияет на количественные и качественные показатели гумуса;

- выражены изменения плотности почв, их структурного состояния и коэффициента фильтрации связаны с длительным влиянием копыт выпасаемых сельскохозяйственных животных на верхние слои черноземов;

- нерациональное использование пастбищных экосистем провоцирует смену доминантных групп почвенных беспозвоночных на более аридные комплексы. По структуре почвенной фауны черноземы пастбищ приобретают признаки, характерные для более южных подтипов;

- использование доминантных групп почвообитающих беспозвоночных в комплексе всех показателей состояния почв естественных пастбищ позволяет повысить объективность оценки степени деградации и демутации пастбищных экосистем.

Степень достоверности и апробация результатов. Сформулированные в работе научные положения и выводы обоснованы экспериментальными данными

полевых и лабораторных опытов. Основные положения диссертационной работы были представлены на V и VI Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала», Оренбург, 2011, 2013гг; Международной научной конференции «Почвы Хакасии, их использование и охрана», Абакан, 2012; VI Съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева с международным участием «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования», Петрозаводск, 2012; XIV Съезде Русского энтомологического общества, Санкт-Петербург, 2012 г.

Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал в выборе объектов исследований, построении методики, закладке почвенных разрезов и зоологических площадок, отборе образцов, их лабораторном анализе и определении видов почвенной биоты.

Автор выражает благодарность за руководство исследованиями и всестороннюю помощь научному руководителю, д-ру биол. наук, профессору A.M. Русанову. Автор благодарит за помощь в определении зоологического материала и консультации по вопросам построения методологии эксперимента канд. с.-х. наук В.А. Немкова, канд. биол. наук А.В. Русакова и A.M. Шаповалова, а также сотрудников кафедры общей биологии ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» за поддержку и помощь в проведении исследований.

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 9 печатных работ, из них 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата биологических наук.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 131 странице машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, описания объектов и методов исследования, двух глав собственных исследований, выводов, списка использованных источников и приложений. Диссертация содержит 9 рисунков, 17 таблиц, список использованных источников из 268 наименований, в том числе 28 на иностранных языках.

1. ИЗМЕНЕНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПАСТБИЩ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Оренбургская область славится плодородными черноземными почвами. До XVI в. это был край кочевых народов (болгары, хазары, татаро-монголы, башкиры, гунны, калмыки) которых привлекали богатые степи и обилие пастбищ [70].

Открытые степные территории способствовали беспрепятственному передвижению кочевников и их табунов, не задерживаясь долго на одном месте, возможно именно поэтому пасущиеся стада не наносили огромного ущерба растительности и почве [226].

Государственная сельскохозяйственная политика в 70-х годов XX века ориентировалась на создание крупных скотоводческих хозяйств, что повлекло за собой стабильное увеличение численности скота всех видов. Пик роста приходился на 1976 г. и составлял 281 тыс. голов [103].

Пастбища отличаются от остальных агроценозов тем, что почва пастбищ подвергается механической обработке намного реже, обычно только при создании культурных пастбищ, а чаще совсем не обрабатывается [260].

Пастбища, организуемые на естественных лугах без обработки почвы и без улучшения травостоя, называются естественными пастбищами. На культурных пастбищах проводится вспашка территории с последующим засевом травостоем определенного состава. В свою очередь содержание этих двух видов пастбищ бывает разным. За пастбищем не осуществляется никакого ухода и эксплуатация ведется до перехода в непригодное состояние. В другом случае пастбище ежегодно получает дополнительное минеральное питание, а невостребованный травостой косится на сено.

Режим выпаса может быть бессистемным и регулируемым. Все это приводит к изменениям в пастбищных биогеоценозах, которые учитываются в хозяйственной деятельности человека. Однако ранее вся схема восстановления и

ухода за используемыми пастбищами сводилась к регулированию выпаса, но в большинстве случаев и это протекало стихийно [104, 53].

В силу того, что растительный покров является важнейшим компонентом ландшафта, пластичным и чутко реагирующим на изменения экологических условий среды, а следовательно надежным индикатором характера и степени деградации почвенного покрова, именно на нем сказалась перегрузка поголовьем скота - произошла смена видового состава растительности [151, 155].

Первые описания изменений растительного покрова под влиянием выпаса скота в степях и полупустынях сделали в первой четверти XX века Г.Н. Высоцкий, И.К. Пачоский. Они сформулировали концепцию пастбищной дигрессии, ставшей основой дальнейших пастбищных исследований [39, 160].

A.M. Семенова-Тянь-Шанская и A.C. Горшкова установили, что под влиянием выпаса южностепные и полупустынные растения продолжают продвигаться на север. Ими доказано, что процессы разрушения целинного травостоя и разбивания верхнего горизонта почвы овцами и козами, идут гораздо быстрее, чем при выпасе крупного рогатого скота, так как овцы интенсивнее стравливают и вытаптывают растительность.

Бессистемное использование земель уже к 1980-м годам привело к ухудшению физических, физико-химических, химических свойств черноземов. Произошло выпадение трав, смена сукцессий, повысились эрозионные процессы и пр. [70, 76, 198].

Главным отрицательным моментом чрезмерной пастьбы Вильяме указывал, неизбежное влияние на дернину тяжести пасущегося скота. Он отмечал важное свойство дернины - упругость, т.е. способность массы дернины изменять свою форму под давлением и вновь принимать прежнюю форму после прекращения давления. Мертвые органические остатки трав обладают своей максимальной упругостью в сухом состоянии, во влажном же состоянии почвы теряют упругость [34].

Перевыпас ведет за собой смену видового состава и жизненных форм растений [14, 239], снижается площадь проективного покрытия, интенсивность

кущения, мощность дернины, глубина проникновения корневой системы, семенная продуктивность, высота травостоя, урожайность, уменьшается плодородие почвы, а значит усиливаются эрозионные. Изменением видового состава фитоценозов приводит к уменьшению подземной фитомассы, что связано с изменением анатомического строения корней растений, распространенных в качественно новых экологических условиях: происходит смена мочковатой злаковой корневой системы на стержневую характерную большинству видов степи [35, 99, 101, 154, 194, 189].

Естественным процессом при выпасе является то, что преимущество в экосистеме получают не те виды растений, которые способны активно поглощать минеральные элементы и воду, а те, которые более устойчивы к выпасу за счет меньшей потребляемости скотом. В результате на смену хорошо поедаемым растениям приходят малоурожайные, непоедаемые, плохо поедаемые травы и низкорослые растения. Так, например, на пастбищах условия благоприятны для чертополоха и кустарников, т.к. их скот не поедает.

Следовательно, перевыпас провоцирует появление абсолютно новых типов травостоя, в которых угнетается большая часть компонентов естественной степной растительности [8, 9, 14, 88, 113, 114, 117].

Если исходить из согласия с фактом возможной связи всех процессов протекающих в ландшафте, анализируя изменения в растительности можно осуществлять определение многих других признаков биогеоценоза, а именно прогнозировать изменения произошедшие в почвенном покрове.

При бессистемном выпасе, видовой состав пастбища меняется кардинально, но эти изменения происходят не сразу, а значит можно отметить закономерные отклонения происходящие в фитоценозе, называемые этапами пастбищной дигрессии [100, 101, 172, 72, 188, 191].

В своих работах Л.Г. Раменский выделяет 10 ступеней пастбищной дигрессии растительности:

Ступени 1-2. Влияние выпаса отсутствует или очень слабое. Видовое разнообразие растений значительное. Индикаторные виды - чина луговая, герань.

Ступени 3-4. Слабое влияние выпаса. На лугах возрастает роль злаков. Индикаторы: лютики, жеруха.

Ступень 5. Умеренное влияние выпаса. Роль злаков уменьшается, возрастает роль полыней и солянок, появляются пастбищные сорняки. Наблюдается господство злаков сенокосного типа (костер, пырей, тимофеевка, овсяница луговая), луг становится ценным сенокосным угодьем.

Ступени 6-7. Сильное влияние выпаса. В степи господствуют полыни, велика роль однолетников. Сильно выпасаемые луга имеют типично пастбищный травостой с высокой способностью отрастания, образованный в основном низовыми злаковыми (мятликом луговым, овсяницей красной, полевицей ползучей) с примесью клевера лугового, ползучего, одуванчика, кульбабы.

Ступень 8. Полусбой. Низовые злаки в степях наполовину и больше вытеснены сорными многолетними и однолетними растениями, большое количество непоедаемых и колючих пастбищных сорняков.

Ступень 9. Сбой. Растительный покров сильно изрежен, образован преимущественно однолетниками.

Ступень 10. Абсолютный сбой. Почва оголена. Произрастают лишь единичные растения [236].

Определяющее значение при мониторинге имеет выявление видов-индикаторов характеризующих степень пастбищной деградации. Для растительных сообществ настоящих степей Южного Урала З.Н. Рябинина выделяет следующие группы растений:

1) Понижающие обилие под воздействием выпаса (Clausia aprica, Stipa lessingiana, Linocyris villosa, Hedysarurn argyrophyllurn, Onosrna sirnplicissirna, Dicmthus uralensis, Orostachys spinosa, Alyssurn tortuosurn, Sedum stepposarn,, Thymus guberlinensis);

2) Относящиеся к выпасу безразлично {Ast