СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ЛАНДШАФТЕ АЙТУАРСКОЙ СТЕПИ ПРИ РОСТЕ УВЛАЖНЕНИЯ
STRUCTURAL CHANGES IN THE AITUAR STEPPE LANDSCAPE UNDER GROWING HUMIDITY
А.В. Хорошев, Г.М. Леонова
A.V. Khoroshev, G.M. Leonova
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет
(Россия, 119991, Москва Ленинские горы, 1)
Moscow Lomonosov State University, Faculty of Geography
(Russia, 119991, Moscow, Leninskiye Gory, 1)
e-mail: akhorosh@orc.ru, glashusik@yandex.ru
Представлены результаты исследований структурных различий в низкогорно-степном ландшафте Айтуарской степи (Южный Урал), обусловленных градиентами увлажнения. В качестве факторов рассматриваются солярная экспозиция, проективное покрытие, уклоны, площадь водосбора. Последовательность изменений свойств фитоценозов и почв при росте увлажнения трактуется как модель временных изменений в случае тенденции роста атмосферного увлажнения в зимний период.
We demonstrate results of research focused on structural variability in the low-mountainous Aituar steppe landscape (Southern Urals) under control of humidity gradients. Slope aspect, slope gradient, herb coverage and catchment area are treated as binding factors. Sequence of changes in phytocoenoses and soils is interpreted as a model of possible temporal changes under growing winter precipitation.
Введение. Для Южного Урала большинство источников констатирует рост среднегодовых температур за счет зимнего сезона вследствие усиления циклонической широтной циркуляции, которая в зимний сезон приносит повышенное количество осадков [1, 2, 4, 5]. В силу высокой чувствительности степного ландшафта к увлажнению и значимости снеговой влаги для почв и фитоценозов [3] возможные структурные изменения степного ландшафта при гипотетическом росте атмосферного увлажнения представляют интерес как основа прогноза и ресурсного потенциала, и биологического разнообразия. В нашем исследовании в качестве модели использован низкогорно-степной ландшафт на Южном Урале в пределах участка «Айтуарская степь» государственного заповедника «Оренбургский». Предметом исследования является степень синхронности реакции свойств ландшафта при гипотетическом нарастающем увлажнении. При общем дефиците влаги в степях рост доступной весенней влаги должен способствовать росту биопродуктивности и интенсивности биологического и химического выветривания в почвах. С другой стороны, в условиях степного низкогорья рост весеннего талого стока при малом проективном покрытии травостоя способен активизировать эрозию. Вопрос исследования формулируется так: различаются ли свойства компонентов по чувствительности к увлажнению и в какой последовательности они могут изменяться при росте увлажнения?
Материалы и методы. В исследовании использованы материалы 202 комплексных описаний, включающих данные об обилии видов трав и кустарников, показателях развития фитоценоза, мощности, механическом и химическом составе почвенных горизонтов, морфометрических свойствах рельефа (в том числе рассчитанных по цифровой модели рельефа с разрешением 90 м). Для снижения размерности данных о видовом составе травяных фитоценозов применен метод многомерного шкалирования. Он позволяет оперировать ограниченным числом виртуальных переменных – «осей», каждая из которых описывает согласованное поведение группы видов, подчиняющихся тому или иному экологическому фактору (увлажнению, засоленности, каменистости и др.).
В ландшафте Айтуарской степи наиболее физиономичные черты ландшафтной организации придает наследие тектонических режимов позднего палеозоя – времени герцинской складчатости Уральской горной страны – и неоген-четвертичного этапа неотектонических поднятий и расчленения территории. Складчатые структуры палеозоя предопределили разнообразное падение пластов осадочных пород, неравномерное эрозионно-денудационное преобразование поверхности, характер гидрографической сети. Некогда единая поверхность выравнивания в неоген-четвертичное время оказалась расчленена эрозией, за исключением плато Актобе на водоразделе рек Алимбет и Айтуарка. Плакорное положение геосистем плато Актобе обусловливает единственную в пределах Айтуарского участка заповедника возможность развития зональных разнотравно-типчаково-залесскоковыльных степных растительных сообществ на черноземах южных.
Предполагалось, что основными механизмами задержки влаги в почвах Айтуарской степи могут быть: а) повышенное накопление в отрицательных формах мезорельефа, б) пониженное физическое испарение на склонах холодных экспозиций, в) уменьшение поверхностного стока по сравнению с подземным и сокращение физического испарения при росте проективного покрытия травостоя, г) сокращение латерального оттока влаги и рост фильтрации в почву при выполаживании склонов, д) рост водосборной площади для урочищ днищ эрозионных форм. Каждый из выделенных курсивом показателей представлен в виде 4-х категорий группирующей переменной; зависимыми переменными были показатели видового состава фитоценоза свойств почв. Основным статистическим методом был дисперсионный анализ.
Результаты. Методом многомерного шкалирования выделено 8 осей дифференциации травостоя, которые описывают основную часть варьирования обилий видов. Из них чувствительность фитоценозов к влажности описывается 1-й, 3-й и 5-й осями. Варьирование видового состава фитоценоза по мезоформам рельефа отражает достаточно очевидные структурные изменения степного ландшафта при гипотетических радикальных климатических изменениях со сдвигом условий, как минимум «на подзону». Более интересны дисперсионные модели, отражающие варьирование видового состава фитоценозов и свойств почв в зависимости от экспозиции, проективного покрытия и крутизны. Они показывают более тонкие структурные изменения при небольшом росте увлажнения без выхода за пределы «степного» или «лугового» диапазона увлажнения.
Нарастание увлажненности в зависимости от экспозиции в ряду «южные-западные-восточные-северные склоны» обусловлено различием условий удержания влаги почвенно-растительным покровом при разном испарении.
5-я ось дифференциации травостоя отражает переход от южных к западным склонам (группа теплых склонов), то есть первую стадию роста увлажненности почв. При этом растет содержание обменного магния, содержание органического углерода и падает рН. Эти тенденции продолжаются с ростом увлажненности на восточных и северных склонах. Значения 1-й и 3-й осей различны, с одной стороны, на северных и восточных («холодных») склонах, с другой – на южных и западных («теплых»), что позволяет рассматривать их как индикаторы второй стадии роста увлажнения. Минимальным значениям 1-й оси дифференциации травостоя соответствует высокое обилие на южных и западных склонах петрофитов и ксерофитов Elytrigia pruinifera, Hedysarum argyrophyllum, Scorzonera austriaca, Centaurea marschalliana, Artemisia salsoloides, Echinops ruthenicus. При уклонах до 10 градусов на этой стадии возрастает мощность дернины. С этой же стадией связаны наиболее резкие изменения большинства химических свойств почв согласованно с резким изменением обилия групп видов трав, описываемых значениями 1-й и 3-й осей. Фитоценоз на восточных склонах становится сопоставим с плакорными сообществами плато Актобе: в нем возрастает доля мезоксерофитов Artemisia marschalliana, Centaurea marschalliana, Dianthus andrzejowskianus, Falcaria vulgaris, Galium ruthenicum, Helictotrichon desertorum, Hieracium virosum, Jurinea multiflora, Poa transbaicalica, Scorzonera austriaca, Spiraea crenata. Параллельно заметно возрастает, по сравнению с западными склонами, содержание общего азота, подвижного фосфора, обменного натрия, снижается содержание обменного кальция; может происходить изменение цветовых характеристик почв, а на известняковых склонах – также утяжеление механического состава почв. На конгломератовых склонах рост оглиненности происходит при более высоком увлажнении – на северных склонах.
Следующая модель – зависимости структуры ландшафта от проективного покрытия – исходила из предположения, что рост атмосферного увлажнения способствует росту фитомассы и, как следствие, снижению физического испарения, росту фильтрации в почву при сокращении поверхностного стока.
Значения 1-й оси дифференциации травостоя резко меняются при росте проективного покрытия до 80% при любых уклонах, 3-й оси – до 60% на покатых и крутых склонах, что соответствует возрастанию доли ксеромезофитов и мезоксерофитов по сравнению с ксерофитами. На пологих теплых склонах накопление подвижного К начинается при меньшем проективном покрытии (40-60%), чем на крутых (60-80%), что доказывает более благоприятные условия для задержки влаги, роста биопродуктивности и накопления биофильных элементов. Отметим, что на песчаниках таких уклонов и соответствующего увлажнения достаточно также для снижения рН и роста органического углерода, а на конгломератах и известняках – недостаточно. Азот выступает как наиболее биофильный элемент; его варьирование тесно связано с параметрами развития фитоценозов: в низкотравных сообществах (высота до 40 см) его содержание минимально, в высокотравных (75-80 см), напротив, максимально. Отсюда следует, что при нарастании увлажнения рост биопродуктивности вызовет накопление азота в гумусовых горизонтах почв. Этот элемент начинает накапливаться при проективном покрытии более 80%, т.е. при достижении луговостепного уровня увлажнения и видовом составе, сопоставимом с верховьями лощин и восточными склонами (т.е. с повышенной долей ксеромезофитов Seseli libanotis, Filipendula vulgaris, Melampyrum arvense, Phleum phleoides и др.).
На южных склонах проективное покрытие травостоя находится в обратной зависимости от уклонов. Возможен усиленный смыв глинистых частиц во время бурного весеннего снеготаяния. Снижение проективного покрытия менее 80% при любых уклонах и экспозициях вызывает уменьшение концентрации подвижного фосфора (от 80-140 до 40-60 мг/кг) и калия (от 300-600 до 100-200 мг/кг). Однако содержание обменного калия, в отличие от азота и особенно фосфора, определяется в большей степени уклонами, чем проективным покрытием. Это отличие свидетельствует в пользу преимущественной связи калия с глинистыми частицами, но биогенного источника азота и фосфора. Снижение проективного покрытия до 40 % (в том числе в случае гипотетического усиления плоскостной эрозии при росте увлажнения) на пологих склонах приводит к снижению концентраций обменного магния (с 14-17 до 12-14 ммоль/100 г). Чем круче склоны, тем при более высоких значениях проективного покрытия начинается уменьшение концентраций магния: на сильно покатых склонах – уже при покрытии менее 60 %. Концентрация обменного кальция контролируется при любых уклонах проективным покрытием с заметным снижением при покрытии более 70% (с 40-50 до 30-40 ммоль/100 г). Возможными причинами могут быть: рост оглиненности и вытеснение магнием из почвенного поглощающего комплекса при усиленном биогенном почвообразовании, усиление выноса в более влажных условиях при замедленном физическом испарении. Показатель рН может снижаться с 7,8-8,6 до 6,4-7,6 при проективном покрытии более 60%.
Еще один пространственный ряд, имитирующий рост увлажнения, образует серия природных комплексов с уменьшающимися уклонами, то есть с ослабевающей возможностью латерального оттока влаги. На рост влагообеспеченности при уменьшении уклонов до 15? снижением обилия реагируют Centaurea kasakorum, Echinops ruthenicus, Onosma simplicissima, ростом обилия – Jurinea multiflora, Astragalus wolgensis. Ряд видов меняет обилие при достижении более высокой влагообеспеченности при уклонах менее 10?, в частности Ephedra distachya, Allium flavescens. Такие уклоны являются критическими для большого количества структурных показателей. Например, на песчаниковых склонах восточной экспозиции к их числу относятся: рост проективного покрытия, рост мощности гумусового профиля до 12 см, рост содержаний подвижного фосфора (с 10-20 до 28-55 мг/кг), обменного магния (с 12,8-13,5 до 14-14,8 ммоль/100 г), органического углерода с 2-3 до 3-7 %); снижение рН (с 7,9-8,6 до 7,2-7,8), увеличение глубины залегания карбонатного горизонта (от 0 до 20-30 см), снижение обилия Centaurea marschalliana, Elytrigia pruinifera, Echinops ruthenicus, Ferula tatarica. При дальнейшем уменьшении уклонов (менее 10?) перечисленные свойства не меняются: следовательно, достигнутый уровень влажности создает равновесные отношения. На песчаниках таких уклонов и соответствующего увлажнения достаточно для снижения рН и роста органического углерода. На конгломератах и известняках для подкисления необходимы более пологие склоны и более существенная задержка влаги.
В качестве модели структурных изменений при росте увлажнения в диапазоне достаточного увлажнения изучена глубоковрезанная лощина, протягивающаяся от водосборного понижения в пригребневой части массива Жуванаадыр к долине р.Айтуарки. Наиболее ранний скачок при увеличении площади водосбора характерен для значений 1-й оси дифференциации травостоя: он выражается в резком росте обилия Bromopsis inermis, Poa transbaicalica, Euphorbia seguierana, Falcaria vulgaris, Filipendula vulgaris, Galatella rossica, Sanguisorba officinalis, Seseli libanotis, Veronica spicata, Amygdalus nana, Cerasus fruticosa, снижении обилия Stipa zalesskii, Elytrigia pruinifera, Hieracium virosum, Tanacetum achilleifolium. Одновременно происходит уменьшение каменистости почв, рост содержании общего N, подвижного P и К, обменных Na и K, а также падение рН до 7,1-7,2. Обратим внимание, что в луговостепных и луговых урочищах лощины азот из всех макроэлементов наиболее чувствителен к постепенному росту увлажнения, в отличие от чисто степных местообитаний, где он начинает накапливаться в последнюю очередь. При большем уровне увлажнения в средней части лощины происходит переход доминирующей роли к Bromopsis inermis, Falcaria vulgaris, Rosa majalis, Lonicera tatarica. Часть химических свойств в лощине имеет практически линейную связь с нарастающей водосборной площадью (коэффициент корреляции Пирсона для подвижного фосфора составляет 0,88, для подвижного калия – 0,51, для общего азота – 0,52), что свидетельствует о низкой устойчивости химических свойств к росту увлажнения при отсутствии дефицита влаги. Отметим, что в современном ландшафте Айтуарской степи локальной особенностью является накопление магния: этот элемент содержится в повышенных количествах в ультраосновных породах в восточном секторе участка, и в гравии этих пород, впрессованных в конгломераты. Магний накапливается преимущественно в днищах балок, в лощинах и на поймах ручьев, врезанных в днища балок, что доказывает значимость как усиленного выветривания в наиболее влажных урочищах, так и привноса глинистых частиц с возвышенных элементов рельефа.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект 14-05-00170).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: