Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,653

ПРОДУКТИВНОСТЬ ФИТОМАССЫ ЛУГОВЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ НАЗАРОВСКОЙ КОТЛОВИНЫ ПРИ РАЗНЫХ РЕЖИМАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Дубынина С.С. 1
1 Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН
Изучение особенностей формирования фитомассы луговых растительных сообществ Березовского ключевого участка Шарыповского района Назаровской котловины представляет важную часть исследований, главной целью которых являются изменения продуктивности фитомассы луговых сообществ при разных режимах использования. Изучаемый участок расположен в юго-западной части Назаровской котловины, в пределах Шарыповской депрессии, где основные земли занимают пашни; луга, пастбища и выгоны, леса; болота и заболоченные земли; застройки, дороги. Для развития природных систем, как показывают результаты климатических наблюдений, очень важно их соотношение и совместное влияние. Выявлены максимальные и минимальные запасы надземной, подземной массы в луговых фациях ключевого участка. Наглядно показаны флуктуации зеленой массы за вегетационный период в сообществах при разных режимах использования, где количество фитомассы по годам меняется в прямой зависимости от погодных условий, от местонахождения и внутренних свойств конкретного сообщества. На фоне климатических данных в течение исследуемого года установлены значительные изменения показателей фитомассы за вегетационный период, с мая по октябрь. Установлена ритмичность зеленой массы небольшие осадки, которые приводят к уменьшению контрастности показателей запасов зеленой массы в рассматриваемых сообществах. Максимальные запасы для большинства сообществ формируются в конце июля, в первой декаде августа, и этот максимум выражен более четко, в благоприятных условиях тепла и влаги, и зависит от увлажненности предшествующего года. Показаны значительные изменения величины мортмассы в разных луговых сообществах за вегетационный период, т.е. почти во всех сообществах наблюдается уменьшение от весны к лету и увеличение к осени. Отмершие побеги травостоя долго сохраняют вертикальное положение, затем переходят в подстилку и максимальный пик фиксируется в мае и октябре.
Назаровская котловина
Шарыповский район
микроклимат
продуктивность
функционирование
структура фитомассы
1. Природа и хозяйство района первоочередного формирования КАТЭКа. Новосибирск: Наука, 1983. 259 с.
Nature and economy of the area of priority formation КАТЭКа. Novosibirsk: Science, 1983. 259 p. (in Russian).
2. Дубынина С.С. Природно-антропогенная динамика растительного вещества лесостепных геосистем // Мониторинг и прогнозирование вещественно-динамического состояния геосистем сибирских регионов. Новосибирск: Наука, 2010. С. 64–80.
Dubynina S.S. Natural and anthropogenic dynamics of vegetable substance of forest-steppe geosystems // Monitoring and forecasting of a material and dynamic condition of geosystems of the Siberian regions. Novosibirsk: Science, 2010. P. 64–80 (in Russian).
3. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М.: Мысль, 1978. 182 с.
Methods of studying of biological circulation in various natural zones. M.: Thought, 1978. 182 p. (in Russian).
4. Гаджиев И.М., Королюк А.Ю., Титлянова А.А., Андриевский В.С., Баяртогтох Б., Гришина Л.Г., Косых Н.П., Кыргыс Ч.О., Миронычева-Токарева Н.П., Романова И.П., Самбуу А.Д., Смелянский И.Э. Степи Центральной Азии. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. 298 с.
Gadzhiyev I.M., Korolyuk A.Yu., Titlyanova A.A., Andrievsky V.S., Bayartogtokh B., Grishin L.G., Slanting N.P., Kyrgys Ch.O., Mironychev-Tokarev N.P., Romanov I.P., Sambuu A.D., Smelyansky I.E. Steppes of Central Asia. Novosibirsk: Siberian Branch of the Russian Academy of Science publishing house, 2002. 298 р. (in Russian).
5. Базилевич Н.И., Титлянова А.А. Особенности функционирования травяных экосистем // Доклады Академии наук. 2010. Т. 79. № 1. С. 75.
6. Титлянова А.А., Шибарева С.В. Время оборота фитомассы в травяных экосистемах // Математическое моделирование в экологии: материалы пятой Национальной научной конференции с международным участием. 2017. С. 219–222.
Titlyanova A.A., Shibareva S.V. Turn-around time for phytoweight in grass ecosystems // Mathematical modeling in ecology: materials of the fifth National scientific conference with the international participation. 2017. P. 219–222 (in Russian).
7. Титлянова А.А., Шибарева С.В. Новые оценки запасов фитомассы и чистая первичная продукция степных экосистем Сибири и Казахстана // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2017. № 4. С. 43–55.
Titlyanova A.A., Shibareva S.V. Phytomass stock and net primary production in the steppe ecosystems of Siberia and Kazakhstan // Izvestiya Rossijskoj akademii nauk. Seriya geograficheskaya. 2017. № 4. Р. 43–55 (in Russian).

Назаровская котловина относится к Верхнечулымской провинции Южно-Сибирской физико-географической области, на юго-западе и северо-востоке она граничит соответственно с Кузнецко-Алатауской и Красноярско-Канской провинциями [1]. Изучаемый участок расположен в юго-западной части Назаровской котловины, в пределах Шарыповской депрессии, где около 60 % площади занимают пашни; луга, пастбища и выгоны – 20 %, леса – 12 %; болота и заболоченные земли – 3 %; застройки, дороги – 5 %.

Назаровская котловина, сформировавшаяся на нижнепалеозойском основании складчатых сооружений Кузнецкого Алатау и Восточного Саяна, выполнена породами девона, карбона, юры и мела, которые перекрываются четвертичными отложениями небольшой мощности.

Почвенный покров впадины представлен следующими генетическими типами почв: черноземами; серыми лесными; дерново-лесными; лугово-черноземными; болотными; лугово-болотными; солонцами и солончаками. В южной части котловины – обыкновенные черноземы, серые лесные почвы занимают в основном северные и восточные склоны, покрытые березняками и смешанными высокотравными лесами.

Леса молодые средневозрастные, III–IV класса бонитета, разнотравные, осоково-вейниково-разнотравные [2]. Луговые степи в основном представлены разнотравными формациями с подчиненной ролью злаков и примесью преимущественно луговых видов, требующих достаточного увлажнения. Значительную часть площади занимают лесные и суходольные луга, которые состоят из речных долин, луговых склонов и лесных полян. Определения запасов растительной массы проводились с 1981 по 2017 гг., геоботанические описания в биогеоценозах осуществлялись один раз в сезон и приурочены к периоду максимального развития травостоя (конец июля - начало августа). В целом для каждого сообщества получена качественная и количественная характеристика растительного компонента.

Цель работы – оценить особенности формирования запасов фитомассы луговых растительных сообществ на Березовском участке Шарыповского района Назаровской котловины при разных режимах использования.

Материалы и методы исследования

Климат отличается большой временной и незначительной пространственной изменчивостью. Средняя температура в январе –20 °С, в июле +18 °С (по данным метеостанции «Шарыпово»). Переход температуры через ноль происходит в первой половине апреля, осенью – во второй половине октября. Заморозки отмечаются в среднем с середины сентября до конца мая, продолжительность безморозного периода равна 100–120 дням. Вегетационный период продолжается с мая по октябрь. В равнинной части Назаровской котловины выпадает 350–550 мм осадков в год. По метеоданным станции «Шарыпово» с 1980 по 1999 гг. установлено, что максимум осадков в 1996 г., выпало 668 мм. Минимальная температура воздуха была отмечена –2,6 °С в 1992 г. с 2000 по 2017 гг. максимум осадков 618 мм отмечено в 2002 г. Самая низкая температура воздуха 0,0 °С, – в 2009 г. (рис. 1).

dub1.wmf

Рис. 1. Гидротермическая характеристика атмосферных осадков и температуры воздуха Шарыповского района (по данным метеостанции «Шарыпово»)

Для оценки биологической продуктивности фитомассы луговых растительных сообществ на Березовском участке используются показатели общего количества фитомассы, определяемые общепринятыми методами [3, 4]. Именно фитомасса характеризует многие особенности геосистемы, ее инерцию и динамические тенденции. При определении запасов фитомассы использованы следующие термины и их символы. Термин «фитомасса» нами используется как синоним массы растительного вещества – живых и мертвых органов надземной и подземной частей травостоя. Наряду с понятиями «запас фитомассы» мы применяем понятие «структура растительного вещества». Оно включает запасы всех компонентов растительного вещества и отношение этих запасов: зеленой массы (G), ее максимального запаса (Gmax), ветоши (D), подстилки (L). Ветошь и подстилка образуют мертвую надземную растительную массу (D + L), а вместе с зеленью – надземное растительное вещество (G + D + L). Подземная растительная масса (R + V) состоит из живых (R) и отмерших корней (V). Общий запас растительного вещества фитоценоза (Q) образован суммой надземной и подземной массы (G + D + L + R + V). Фитомасса – та масса живых и мертвых органов растений, которая находится на единице площади в момент измерения в г/м2. Надземная масса растений учитывалась на площадках размером 0,25 м2 методом укосов в 3–5-кратной повторности с разбором на зеленую часть и отмершую (ветошь, подстилку). Камеральный период обработки полевых материалов: образцы надземной массы, высушенные до абсолютно сухого состояния в сушильном шкафу при температуре 1050, взвешивались на электрических весах (ВЛТК-500). Проведенная статистическая обработка материала, собранного за многолетние исследования, показала, что для определения надземной массы достаточно 3–5 повторностей с площадок по 0,25 м2. Достоверность учета надземной массы составляет ±15 %.

Выбор луговых участков исследования обусловлен особенностями ландшафтной структуры и приоритетными направлениями хозяйственного использования территории. Характеристика растительных сообществ Шарыповского участка показана в табл. 1. Участки лугово-лесных сообществ сохранились в состоянии, близком к коренному. Лесной луг т. 2 и мезофитный луг т. 6 используются как сенокосные угодья. Остепненный луг т. 3 близок к лесному массиву, находится в естественном состоянии, периодически закашивается. Луг т. 5 с остепненно-луговой растительностью с 1986 г. находится в изолированном режиме (заповедный участок).

Таблица 1

Характеристика луговых растительных сообществ Шарыповского участка

Растительное сообщество

Характеристика растительности

1

2

т. 2. Злаково-разнотравно-луговое с темно-серой лесной луговатой глубоковскипающей тяжелосуглинистой почвой на двучленных отложениях

Phleum pretense, Poa botryoides, Vicia unijuga, Trifolium pretense, Carex, Crepis sibirica, Sanguisorba officinalis, Achillea millifolium,Geranium pseudosibiricum, Phlomis tuberose, Plantago media (в – min 20, max 120; п/п – 50–60).

т. 3. Злаково-разнотравное сообщество с черноземом обыкновенным луговатым маломощным тучным на карбонатных покровных суглинках степного класса фаций

Phleum pretense, Poa botryoides, Vicia craeca Trifolium pretense, Carex, Sanguisorba officinalis, Achillea millifolium Geranium pseudosibiricum, Phlomis tuberose, Plantago media, Potentilla anserine (в – min 20, max 100; п/п – 60–70).

т. 6. Злаково-бобово-разнотравно-мзофитный луг на лугово-черноземной мощной среднесуглинистой почве на покровных суглинках

Calamagrostis pseudophragmites, Poa botryoides, Lathyrus gmelinii, Melissitus platycarpos, Vicia unijuga, Heracleum dissectum, Pleurospermum uralense, Chamaenerion angustifolium, Sanguisorba officinalis, Achillea millifolium, Rubus saxatilis, Equisetum pretense (в – min 20, max 130; п/п – 90–100).

т. 5. Остепненно-луговое разнотравно-осоково-злаковое сообщество с черноземом обыкновенным на покровных карбонатных суглинках находится в заповедном режиме (огороженный участок)

Poa botryoides, Elibrigia repens, Bromus inermis, Fectuca pratesis, Trifolium repens, Trifolium pretense, Vicia craeca, Plantago media, Achillea millifolium, Geum aleppicum, Cirsum setosum, Potentilla anserine, Taraxacum officinale,Geranium sibiricum, Galium verum (в – min 15, max 111; п/п – 100).

Примечание. в – высота травостоя, см; п/п – проективное покрытие, %.

Результаты исследования и их обсуждение

Изучение особенностей функционирования луговых сообществ: в естественных и изолированных условиях важен многосторонний учет всех процессов оборота фитомассы, складывающийся в зависимости от соотношения показателей тепло- и влагообеспеченности, а также от экологических условий каждого сообщества, от степени хозяйственного использования и видовой структуры травостоя [5, 6]. Разные по структуре и местоположению луговые биогеоценозы Березовского участка отличаются в целом сходными показателями запасов растительного вещества и его распределением в надземных и подземных частях. Под влиянием меняющихся гидроклиматических условий в сообществах происходят существенные изменения фитомассы в течение года. Вегетационный период начинается во второй декаде апреля, когда происходит устойчивый переход среднесуточной температуры воздуха через 0 °, а завершается в октябре (рис. 2). По данным метеостанции «Шарыпово» температура воздуха в апреле составляла +6 °С с количеством осадков до 41 мм. С конца мая температура воздуха повысилась до +11 °С, а осадки остались прежними. Максимальная температура воздуха наблюдалась в июне и июле до +18 °С. В августе месяце выпало осадков в 2 раза больше, чем в июле (87 мм), самое большое их количество, до 103 мм, пришлось на сентябрь. В октябре температура воздуха еще положительная +1,3 °С (количество осадков 37 мм).

За короткий вегетационный период в лесостепи Назаровской котловины в луговых сообществах, обусловленных теплом и влагой, прослеживается четкая ритмичность зеленой массы (рис. 3, а). Недостаток тепла, ощущаемый в начале вегетации, приводит к тому, что в мае зеленая масса составляет 6–8 % на всех исследуемых сообществах. Общие запасы зелени начинают расти в июне с повышением температуры воздуха +18 °С, достигая до 200 г/м2, тем не менее прирост зеленой массы сообществ лесного луга (т. 2) и остепненного (т. 3), находящихся близко к лесу, в июне запасы ниже, т.е. запаздывают по времени, чем на мезофитном (т. 6) и остепненном заповедном лугу (т. 5), где масса в июне достигает до 300 г/м2. Так в сообществе с остепненно-луговой-злаковой растительностью (заповедный участок, т. 5) пик накопления зеленой массы приходится на август, до 600 г/м2, за счет продуктивной влаги, которой было достаточно и за счет формирования генеративных побегов у раннелетних злаков. В сентябре начались дожди, которые сопровождались понижением температуры и резким снижением зеленой массы на всех луговых сообществах. К концу вегетации запасы зеленой массы резко упали в связи с резким понижением температур воздуха в октябре.

dub2.wmf

Рис. 2. Осадки и температура воздуха за вегетационный период 2017 г.

dub3.wmf dub3b.wmf

а) б)

Рис. 3. а) сезонная динамика зеленой массы Березовского участка 2017 г., г/м2; б) сезонная динамика мортмассы Березовского участка 2017 г., г/м2

В любом спонтанно развивающемся растительном сообществе сохраняется определенное количество отмерших надземных органов растений, которое принято разделять на ветошь и подстилку. Количество ветоши в сообществе меняется и зависит от периодичности и интенсивности процесса отмирания побегов у разных видов, а также устойчивости отмерших побегов к разрушению. Отмершие побеги разных групп видов остаются на корню разное время. Мертвое вещество дерновинных злаков может сохраняться на корню 1,5–2 года. В сезонной динамике суммарных запасов мортмассы почти во всех сообществах наблюдается уменьшение от весны к лету и увеличение к осени (рис. 3, б).

Изменение запасов мортмассы идентично изменению продуктивности зеленой массы, но имеет противоположный ход. Максимальные запасы мортмассы приходятся на начало вегетации, минимальные – на июнь месяц. В июле, августе и сентябре запасы мортмассы находятся на одном уровне, а в октябре увеличиваются, так как зеленая масса отмирает и переходит в ветошь и затем, в процессе минерализации, поступает в подстилку. Каждое сообщество достигает максимума зеленой массы в разное время вегетации, и отмирание происходит тоже в разное время. Запасы мортмассы в лесном (т. 2) и остепненном (т. 3) лугу в течение всего вегетационного сезона колеблются от 250–500 г/м2. Запасы мортмассы в мезофитном лугу (т. 6) гораздо выше и значение ее достигает 500–750 г/м2, это зависит от структуры травостоя и от интенсивности процесса разрушения, т.е. отмершие побеги травостоя долго сохраняют вертикальное положение, затем переходят в подстилку. Подобная закономерность прослеживается также и в других регионах, например, в луговых и степных сообществах Сибири и Казахстана [7]. Большие запасы мортмассы отмечаются в сообществе с остепненно-луговой-злаковой растительностью (заповедный участок, т. 5) от 750–1000 в мае, июле, августе и сентябре. Максимальный пик фиксируется в мае и октябре от 1000–1250 г/м2.

Особый интерес представляет изучение фитомассы растений, так как она в процессе своего накопления и преобразования связывает практически все компоненты изучаемых сообществ и характеризует многие особенности их структуры и функционирования (табл. 2).

Таблица 2

Средние запасы и структура растительного вещества в сообществах Березовского участка Назаровской котловины, 2017 г., г/м2

Показатель фитомассы

Условно-естественные сообщества

Заповедные

т. 2

т. 3

т. 6

т. 5

Gmax

260

306

488

510

G

234

262

320

348

D + L

476

408

709

1191

G + D + L

710

670

1029

1539

Живые корни, R

680

549

1325

3158

Отмершие, V

651

801

1503

2479

Общие, R + V

1331

1357

1503

5637

G + D + L + R + V

2041

2027

2532

7176

 

Соотношение запасов

D + L / G

2,0

1,6

2,2

3,4

R / G

2,9

2,1

4,1

9,1

V / R

1,0

1,5

1,1

0,9

R + V / G + D + L

0,2

2,0

1,5

3,7

Изменение запасов надземной массы и ее структуры в процессе восстановления растительного покрова затрагивает всю природную систему. Запасы Gmax – возрастающая функция от доступной влаги в почве, так как увлажнение является основным фактором, определяющим Gmax. Средние запасы зеленой массы составляли от 234 до 348 г/м2. Основная часть растительного вещества аккумулируется в мортмассе и в подземной части. Количество ежегодно накапливающихся мертвых растительных остатков зависит не только от того, сколько наросло зеленой массы, но и от погодных условий текущего года и прошлых лет. При скоплении мортмассы (ветоши и подстилки) меняются режимы тепла и влаги в почвах и, соответственно, направленность изменений в растительном покрове. Если погодные условия не способствовали интенсивному разложению подстилки, то к весне следующего года накапливаются значительные запасы мортмассы 476–709, с максимумом в заповедном до 1191 г/м2. Участки лесных остепненных и мезофитных лугов, используемых под сенокосы и пастбища, сохранились в состоянии, близком к коренному. Запасы подземной массы в сообществах т. 2, т. 3, т. 4 колеблются от 1331 до 1503 г/м2, а подземная выше надземной массы в 3,7 раза на заповедном участке (т. 5) и отношение R / G в 9 раз больше. Основная масса живых органов состоит из корней злаков: пырея ползучего и мятлика лугового. Масса мертвых подземных органов представлена также корнями злаков. Исследования показали, что наименьшие запасы в подземной части, как правило, отмечаются в июле или в августе, тогда как в надземной части, наоборот, на эти периоды приходится максимум запасов надземной массы. Для каждой площадки характерны два пика максимальных запасов корней, который может приходиться на начало и конец вегетации. Поступившее мертвое вещество в сообществах должно компенсироваться его разложением, но в силу заповедного режима запас D + L превышал запас G до 3,4 раза, а отношение R / G в 9 раз.

Заключение

Таким образом, на основании проведенных режимных наблюдений сделаны следующие выводы: динамика запасов фитомассы и ее структуры в процессе восстановления растительного покрова отражает ландшафтно-геофизические условия территории, находясь во взаимодействии с природными и заповедными факторами среды, и представляет один из важнейших функциональных показателей лесостепных сообществ. Установленный факт, что основная часть растительного вещества аккумулируется в мортмассе и в подземной части. Каждому сообществу свойствен свой вегетационный распорядок во времени, а также свой собственный режим, преодолевая резкие изменения климата, сообщества показывают общую устойчивость и выживаемость.


Библиографическая ссылка

Дубынина С.С. ПРОДУКТИВНОСТЬ ФИТОМАССЫ ЛУГОВЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ НАЗАРОВСКОЙ КОТЛОВИНЫ ПРИ РАЗНЫХ РЕЖИМАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 10. – С. 102-107;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36890 (дата обращения: 25.06.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252