ВЫЯВЛЕНИЕ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНЫХ СВЯЗЕЙ В ЗАПОВЕДНЫХ И ПАСТБИЩНЫХ СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТАХ

IDENTIFICATION OF SOIL-PLANT RELATIONSHIPS IN RESERVED AND GRASSLAND STEPPE LANDSCAPES

А.П.Еремеева

A.P.Eremeeva

Географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова
(119991, Москва, ГСП-1, Ленинские Горы, 1)
Geographical faculty of Lomonosov Moscow State University
(119991, Moscow, GSP-1, Leninskiye Gory, 1)
e-mail: eremeeva.a.p@gmail.com

В работе предпринята попытка выявить согласованные изменения в пространстве свойств почв и растительности, а также некоторых морфометрических характеристик рельефа на примере ландшафтов Буртинской степи с помощью статистических методов. Выяснено, что наиболее ярко проявлены в пространстве закономерные смены свойств почв и растительности, зависимых от влагообеспеченности.

The research is aimed to reveal spatial relations between vegetation and soil properties and some morphometric attributes of topography using statistical techniques. Case study was performed in the Burtinskaya steppe landscape. Our computations evidence that the most vivid relations between vegetation and soil properties are provided with spatial changes of wetness.

Все связи между компонентами ландшафта осуществляются за счет процессов перемещения вещества или энергии, то есть наличия в ландшафте множества разных процессов. С точки зрения тесноты связей и их соотношения с процессами В.Н.Солнцев все связи разделяет на «связи-отношения» и «связи-взаимодействия» [3]. Цель данной работы – выявить наиболее яркие связи-отношения между свойствами почв, растительности и рельефа с помощью статистических методов. При этом внимание сосредоточено на пространственной согласованности изменений свойств компонентов.

Территория исследований включает северную часть участка Оренбургского заповедника «Буртинская степь» и прилегающие с северо-запада пастбища. Ландшафт Буртинской степи представляет собой сочетание предгорных возвышенных сильно расчлененных равнин, сложенных красноцветными пермо-триасовыми песчаниками и конгломератами молассовой формации, с пониженными слаборасчлененными равнинами, заполненными юрскими озерными и делювиальными суглинками. Распространены типичные разнотравно-типчаково-залесскоковыльные степи преимущественно на маломощных сильнощебнистых южных черноземах [4]. Пастбищные участки приурочены к пониженным равнинам.

Основным материалом для выявления связей между компонентами послужили данные полевых комплексных описаний (186 точек), выполненных в 2009-2011 гг. В обработке использованы следующие характеристики компонентов:

морфолитогенная основа: форма и элемент формы рельефа, крутизна, экспозиция, каменистость поверхности почвы (в %);

почва: набор генетических горизонтов, мощности и глубины границ, каменистость (единично, мало, средне, много, очень много), цвет по глубинам через 5 см по цветовой шкале Манселла (три характеристики: Hue, Value, Chroma – оттенок, светлота, насыщенность цвета);

растительность: набор видов, обилие каждого вида по шкале Друде, обилие каждого вида кустарников (единично, мало, средне, много, очень много), общее проективное покрытие травостоя (в %);

другое: современное хозяйственное использование.

Использовались также данные лабораторной обработки почвенных образцов. В верхних горизонтах почв были определены показатели рН, содержания углерода органической части почв[1]. На некоторых точках также определено содержание легкорастворимых солей.[2]

Для характеристики рельефа использованы цифровые модели рельефа (ЦМР). На основе горизонталей топографических карт создано две цифровых модели рельефа на территорию заповедного участка и его окрестностей: ЦМР с разрешением 30 м и 360 м. Также использована спутниковая цифровая модель рельефа SRTM [6] с разрешением 90 м. По трем ЦМP рассчитаны морфометрические характеристики: а) горизонтальная кривизна, характеризующая плановую кривизну склона; б) вертикальная кривизна (профильная кривизна); в) горизонтальная расчлененность (процент площади скользящего квадрата, занимаемый водотоками); г) вертикальная расчлененность (стандартное отклонение высот в пределах окрестности). Каждая характеристика рассчитана в скользящих квадратах нескольких размеров – со стороной в 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 пикселей. Для расчета использованы общепринятые в геоморфометрии формулы [5]. Дополнительно рассчитаны параметры рельефа, характеризующие степень влагообеспеченности: а) удельная площадь водосбора – число пикселей, с которых собирается вода к данному пикселю; б) индекс влажности – отношение удельной площади водосбора к тангенсу угла наклона (уклону) поверхности. Этот индекс отражает степень задержания влаги на поверхности.

Для анализа данных применены статистические методы: корреляционный анализ, дисперсионный анализ, дискриминантный анализ [2]. Так как распределение большинства переменных не соответствуют нормальному, при корреляционном анализе использовался коэффициент непараметрической корреляции Спирмена.

В результате статистической обработки выяснены основные закономерности в проявлении взаимных зависимостей между рассматриваемыми компонентами.

Важнейшим фактором, определяющим пространственные изменения свойств растительности и почв, являются различия в гигротопах (увлажненности местообитаний). Так, с увеличением влагообеспеченности сообществ возрастает их общая мезофитность (нами она посчитана как доля суммарного обилия наиболее часто встречаемых мезофитных и ксеромезофитных видов от суммарного обилия всех видов). Этот показатель мезофитности сообществ связан со свойствами почв: мощностью дернины (коэффициент корреляции 0,44) и гумусово-аккумулятивного горизонта (0,53), показателем рН (0,40) и содержанием гумуса (0,33) в верхних горизонтах почв. Достоверные связи обнаружены между мезофитностью и насыщенностью и светлотой цвета на глубинах 30-45 см (коэффициенты корреляции составляют -0,51 – -0,65). Таким образом, в более влажных местообитаниях мы видим более мезофитный травостой на почвах с более кислым рН и более высоким содержанием гумуса, более темных и неярких в глубине (то есть с более мощным гумусовым горизонтом). Там идет промыв от карбонатов, которыми обогащены все почвообразующие породы, создаются условия для образования и сохранения гумуса.

Обнаружены зависимости между типами сообществ и свойствами почв, зависимыми от увлажнения. Дисперсионный анализ показывает достоверность различий рН и содержания гумуса в разных типах растительных сообществ (рисунок).

В условиях сильно расчлененного рельефа предгорных ландшафтов Буртинской степи гигротоп зависит в первую очередь от положения в рельефе. Из морфометрических показателей рельефа мезофитность травостоя связана наиболее сильно с горизонтальными кривизнами, рассчитанными по ЦМР разрешением 30 м в пределах скользящих квадратов небольшого размера (со стороной в 5-7 пикселей, т.е.150-210 м), а также от рассчитанных по этой ЦМР индекса влажности и удельной площади водосбора. Однако свойства почв, за исключением цветовых характеристик и мощности А1, слабо зависят от характеристик такого локального масштаба. Это говорит о том, что изменения мезофитности травостоя и мощности гумусовых горизонтов наиболее чутко реагируют на изменения гигротопов в локальном масштабе. Зная характер рельефа Буртинской степи, можно понять, что смены гигротопов в таком масштабе связаны с чередованием гребней и ложбин, различающихся в первую очередь по режиму накопления и таяния снега.

Обратные закономерности во взаимных связях со свойствами почв и рельефа наблюдаются для петрофитности травостоя (доля суммарного обилия петрофитов от суммарного обилия всех видов). Обнаружены достоверные корреляции показателя петрофитности с мощностью дернины (коэффициент корреляции -0,35) и гумусово-аккумулятивного горизонта (-0,44), процентом каменистости поверхности почвы (0,58). Есть связь петрофитности также с показателями цвета почв, особенно с насыщенностью цвета почв на глубинах 40-45 см, т.е. ниже гумусовых горизонтов (коэффициенты корреляции около 0,45). Это говорит о зависимости каменистости почв и петрофитности травостоя от почвообразующих пород, которые сильно отличаются по цвету. Наиболее сильно показатель петрофитности зависим от таких параметров рельефа, как горизонтальные кривизны, индекс влажности и удельная площадь водосбора, рассчитанные по ЦМР разрешением 30 м. Действительно, в таких локальных масштабах петрофитность определяется чередованием ложбин и гребней – смывом мелкозема и увеличением каменистости почв на гребнях. Выражены также более слабые связи показателя петрофитности с горизонтальной кривизной поверхности, рассчитанной по ЦМР разрешением 360 м в пределах скользящих квадратов размером 7-9 пикселов (2,5-7,2 км). Это говорит о некоторой зависимости петрофитности травостоя от принадлежности к разным местностям, отличающимся составом почвообразующих пород, в том числе их каменистостью.
Показатели рН и содержания гумуса наиболее зависимы от горизонтальной расчлененности, рассчитанной по ЦМР разрешением 360 м в пределах скользящих квадратов размером 5-7 пикселей, то есть 1800-2520 м, что также сравнимо с размерами участков разных местностей. Возвышенные местности сложены более каменистыми породами, большее количество камней в них оказывается на поверхности, так как из-за сильного расчленения и значительных уклонов поверхности идет смыв мелкозема.

Локально проявляется такой фактор дифференциации, как засоление почв, влияющее в свою очередь и на растительность. Нами выяснено, что в Буртинской степи на состав растительных сообществ влияет в первую очередь степень, а не тип засоления. В том числе на солонцах важным фактором, определяющим состав растительности, является мощность надсолонцовой толщи.

Менее значимым фактором дифференциации растительности и почв (после влагообеспеченности и почвообразующих пород), является выпас, приводящий к различию заповедных и пастбищных сообществ.

Проведение дискриминантного анализа позволило более точно выделить виды-индикаторы заповедного и пастбищного режимов. К пастбищам тяготеют Stipa lessingiana, Artemisia austriaca, Agropyron pectinatum, Jurinea multiflora, Potentilla bifurca, Koeleria cristata, Taraxacum sp. Увеличивается обилие Festuca valesiaca, Galatella villosa. Индикаторами заповедного режима, заметно снижающими обилие при выпасе, являются Stipa zalesskii, Hieracium virosum, Melampyrum arvense, Onosma simplicissima, Dianthus andrzejowskianus. В почвах пастбищ несколько понижено содержание гумуса, однако это может быть связано не только с выпасом, но и с другими почвообразующими породами пониженных местностей, поэтому сложно выделить влияние выпаса на почвы как самостоятельный фактор.

В целом можно говорить о том, что наиболее яркие согласованные изменения растительности и почв в пространстве обусловлены рельефом – чередованием ложбин и гребней, от чего зависит мезофитность и петрофитность сообществ, так как происходят процессы перераспределения влаги, а также смыв и намыв мелкозема, в результате чего варьирует каменистость почв. Слабее выражены смены растительности и почв, связанные с различиями почвообразующих пород, обусловившими формирование разных типов местностей. Локально действует фактор засоленности почв. Выпас приводит к некоторым изменениям растительности, но на почвах отражается слабо, в связи с чем не может считаться фактором ландшафтной дифференциации.

Большинство обнаруженных нами связей не точны и являются корреляционными связями, но никак не строго детерминированными. Это связано как со сложностью исследуемого объекта (многофакторность процессов в ландшафте), так и с несовершенством исследований (рассмотрена лишь часть свойств компонентов). Наша дальнейшая задача должна заключаться в уменьшении различными способами неточностей такого рода.

Исследования проводились в рамках проектов РФФИ 08-05-00441-а, 11-05-00954-а (руководитель к.г.н., доцент А.В.Хорошев).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004.

2. Пузаченко Ю.Г. Математические методы в экологических и географических исследованиях: уч. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2004.

3. Солнцев В.Н. О трудностях внедрения системного подхода в физическую географию // Вопросы географии. Сб. 104. Системные исследования природы, М.: Мысль, 1977.

4. Степной заповедник «Оренбургский»: физико-географическая и экологическая характеристика. Екатеринбург: УрО РАН, 1996.

5. Сысуев В.В. Физико-математические основы ландшафтоведения. М.: Изд-во МГУ, 2003.

6. База данных дистанционной информации о Земле. Global Land Cover Facility. URL: http://glcf.umiacs.umd.edu/index.shtml

[1] Определение выполнено А.П. Еремеевой в лаборатории Географического факультета МГУ

[2]Определение выполнено Д.В. Ладониным в лаборатории Почвенного факультета МГУ

[3] Разделение солонцов по мощности надсолонцовой толщи – по классификации почв России (2004) [1]