Роли и функции различных частей корневой системы варьируются в зависимости от вегетационного периода и местонахождения корней в корневой системе и относительно локальной почвенной среды [1]. Корни выполняют множество функций: сбор воды и питательных веществ, необходимых для роста растений, фиксация растений, аккумуляция воды, питательных веществ и органических веществ – поступающих в корни из надземной части растения. Корни также изменяют физико-химические свойства почвы в непосредственной близости (ризосфера) с помощью таких процессов, как высвобождение сложных органоминеральных соединений, взаимодействие с почвенной микрофлорой или дыхание. Поскольку рост корней индуцирует в ризосфере множество изменений в физических и химических свойствах почвы, считается, что корни влияют и на эрозионную стойкость почвы.
При уклонах поверхности почвы направление и ориентация роста корней играют важную роль в определении развития и выживания растений. Как следствие, величина уклона влияет на архитектуру корневой системы [2]. Так, ряд исследователей [2, 3] показали, что механическое напряжение, возникающее в корневой системе из-за надземной части растений метельника ситникового (Spartium junceum L.), растущих в контейнерах, установленных с углом наклона 100 % (45 °), вызвало увеличение общей длины корней по сравнению с растениями, выращенными в горизонтальных контейнерах, и что эта адаптация была связана с качественными и количественными изменениями содержания белка в клетках корней.
Цель исследований – выявить влияние корней на эрозию почвы и устойчивость почвы к смыву при различных уклонах местности. Мы также рассмотрели вероятную роль корней в борьбе с эрозией почв, сосредоточив внимание на развитии мелких корней вблизи поверхности почвы при различных способах землепользования и различных уклонах.
Материалы и методы исследования
Водосбор расположен недалеко от поселка Кавказский, Прикубанского района КЧР, место исследования (координаты Google 44,2633283, 42,2488331) в 800 м от п. Кавказский и в 300 м от Кубанского водохранилища на территории землепользования учебно-опытного хозяйства СевКавГГТА (рис. 1).
Среднегодовое количество осадков составляет 650 мм/год, причем 70 % осадков выпадает в течение вегетационного периода – с марта по ноябрь. Почва – мицеллярно-карбонатный предкавказский тяжелосуглинистый чернозем на лессовидных суглинках.
Корневой рост контролировался в трех местах: естественная древесная растительность, занятой пар и посев озимой пшеницы. Первое местоположение имело средний уклон 45 % (24,23 °) (вариации с 10 до 70 %), второе – уклон 10 % (5,71 °) (вариации с 10 до 70 %), третий участок – уклон 11 % (6,28 °) (вариации с 10 до 70 %). Все участки расположены на высотах 610–620 м над уровнем моря. Для исследования развития корневой системы применялись два метода – метод траншеи и модифицированный метод почвенных монолитов (метод Н.А. Качинского) [4].
На исследуемых участках были установлены по два корневых окна (траншея, с одной стороны отделенная стеклом) до глубины почвы ~ 30 см. Рост корней отслеживался вручную, с помощью фотографирования. Верхняя часть окон была закрыта, в промежутки, между измерениями для предотвращения эффектов, вызванных фотофобией корня, крышкой из темного пластика.
Рис. 1. Водосбор Кубанского водохранилища
Изменения гранулометрического состава почвы с увеличением уклона
|
Наименование механических элементов |
Посев и занятой пар |
Древесная растительность |
|||||
|
Угол наклона, ( %) |
|||||||
|
10 |
25 |
40 |
55 |
70 |
10 |
45 |
|
|
Тонкий ил, ( %) (0,0001–0,0005 мм) |
20,72 ± 1,49 |
21,6 ± 1,82 |
19,85 ± 1,37 |
21,51 ± 2,13 |
27,67 ± 1,92 |
28,53 ± 1,59 |
26,45 ± 1,62 |
|
Грубый ил, ( %) (0,0005–0,001 мм) |
9,55 ± 0,75 |
7,84 ± 0,49 |
6,13 ± 0,58 |
4,99 ± 0,63 |
5,38 ± 1,05 |
9,48 ± 0,76 |
8,66 ± 0,84 |
|
Мелкая пыль (0,001–0,005 мм) |
11,8 ± 0,79 |
11,97 ± 0,89 |
23,76 ± 2,13 |
28,92 ± 1,98 |
24,74 ± 2,24 |
12,88 ± 0,96 |
6,65 ± 0,54 |
|
Средняя пыль (0,005–0,01 мм) |
6,72 ± 0,64 |
5,33 ± 0,68 |
6,94 ± 0,47 |
4,75 ± 0,41 |
9,81 ± 0,72 |
6,99 ± 0,79 |
4,51 ± 0,36 |
|
Крупная пыль (0,01–0,05 мм) |
23,08 ± 2,85 |
29,43 ± 3,11 |
27,62 ± 2,87 |
19,55 ± 1,65 |
7,26 ± 0,72 |
14,63 ± 1,07 |
6,03 ± 0,41 |
|
Мелкий песок, ( %) (0,05–0,25 мм) |
13,7 ± 1,11 |
11,01 ± 0,98 |
6,32 ± 0,38 |
5,67 ± 0,48 |
6,67 ± 0,66 |
10,01 ± 0,94 |
10,65 ± 0,67 |
|
Средний песок (0,25–0,5 мм) |
2,4 ± 0,17 |
3,14 ± 0,12 |
1,98 ± 0,22 |
2,44 ± 0,13 |
1,66 ± 0,21 |
2,46 ± 0,23 |
1,61 ± 0,18 |
|
Крупный песок, ( %) (0,5–1 мм) |
10,59 ± 1,05 |
9,07 ± 1,05 |
6,88 ± 0,60 |
10,13 ± 0,79 |
14,48 ± 1,51 |
12,77 ± 1,02 |
17,93 ± 1,14 |
|
Гравий, ( %) (1–3 мм) |
1,44 ± 0,05 |
0,61 ± 0,12 |
0,52 ± 0,04 |
2,04 ± 0,11 |
2,33 ± 0,13 |
2,25 ± 0,19 |
17,51 ± 0,24 |
Как для посевов озимой пшеницы, так и для посевов занятого пара (вико-овсяная смесь на зеленый корм) наблюдали рост корней при вариациях уклонов от 10 до 70 %. Углы наклона, при которых брались монолиты, 10, 40 и 70 %. Все монолиты были взяты в трех повторностях толщиной 5 см (0–5 см, исключая лесную подстилку в случае древесной растительности). Окна наблюдения за корневой системой были установлены под углами наклона 10, 25, 40, 55 и 70 % (т.е. 5,7 °, 14,04 °, 21,80 °, 28,81 ° и 34,99 ° соответственно). Всего было собрано и обработано 90 монолитов и осуществлено 60 измерений через корневые окна.
Корни тщательно отделялись от почвы с использованием специальной гидропневматической машины. После разделения корневые образцы хранили в разбавленной уксусной кислоте (5 % раствор) при 6 °С до тех пор, пока не будут измерены в лаборатории. Параметры, характеризующие рост корней, следующие: пространственное распределение длины корня, средний диаметр корня, масса воздушно-сухих корней и удельная длина корня.
Чтобы получить измерения длины и диаметра корней, сначала мы сканировали каждый вымытый образец корня с помощью планшетного сканера. Для этого корневые образцы помещались в стеклянный лоток той же ширины, что и окно сканера (размеры 210x300 мм) и глубиной около 30 мм. Перед каждым сканированием корневой образец осторожно переносили в лоток, наполовину заполненный водой.
Мониторинг инфильтрации, стока и смыва почвы. Для оценки стока и смыва почвы мы использовали учетные площадки размером 1 м2. Каждая площадка состояла из металлической рамы, частично вставленной в почву, чтобы создать граничную площадь поверхности почвы 1x1 м. За учетной площадкой (ниже по склону) была установлена емкость объемом 100 л, углубленная в почву, в которую собирался сток и смыв почвы. Вода, собранная из емкости после каждого дождя, использовалась для оценки объема стока и концентрации осадка в сточной воде. Кумулятивное количество осадков, измеренное почвенным дождемером (WatchDog 1120), сочеталось с измерениями учетной площадки, для получения коэффициента стока и инфильтрации.
Что касается инфильтрации / стока, то содержание воды в почве контролировалось два раза в неделю с помощью почвенного влагомера Aquaterr. Фильтрационная влага собиралась на глубине 100 см.
Результаты исследования и их обсуждение
Плотность сложения почвы составляла в среднем 1,15 г/см3 под посевом и занятым паром и 1,22 г/см3 под древесной растительностью, без значимого изменения по склону. Все измеренные почвы по гранулометрическому составу соответствовали тяжелосуглинистым с преобладанием фракции физической глины (частицы менее 0,01 мм) от 42 до 68 % (таблица).
Рис. 2. Изменение коэффициента фильтрации (в слое 0–100 см) в зависимости от угла наклона в условиях посева, занятого пара и древесной растительности, (см/сут)
Не было существенной разницы в содержании средней и крупной фракций песка и гравия с увеличением величины уклона. Содержание тонкого ила и мелкой пыли имело достоверную тенденцию к росту (соответственно с 20,72 ± 1,49 до 27,67 ± 1,92 % и с 11,8 ± 0,79 до 24,74 ± 2,24 %). Изменения в содержании грубого ила и средней пыли были недостоверны (таблица).
Другие измеренные параметры почвы (органический углерод, общий N и отношение C/N), как правило, увеличивались с увеличением угла наклона под посевом, тогда как в условиях занятого пара наблюдалась противоположная тенденция.
Было обнаружено, что коэффициент фильтрации увеличивается с уклоном, как под посевами, так и под паром (рис. 2). Наибольший коэффициент фильтрации ожидаемо наблюдался на занятом паре (колебания в зависимости от уклона 82–90 см/сут). Влияние уклона также отразилось на коэффициенте фильтрации в посевах озимой пшеницы и в условиях древесной растительности, однако в меньшей степени, чем в условиях пара. Наибольший коэффициент фильтрации был достигнут при наибольшем уклоне (70 см/сут в случае посева озимой пшеницы и 61 см/сут в случае древесной растительности).
Анализ монолитов, собранных в течение 5 месяцев исследования роста корней, показал значительные различия между пространственным распределением длины корней, в зависимости от типа землепользования (рис. 3).
Рис. 3. Изменение пространственного распределения корней в зависимости от уклона и типа землепользования
Рис. 4. Изменение среднего диаметра корня в зависимости от уклона местности
Рис. 5. Изменение удельной длины корня в зависимости от уклона местности
Наблюдается выраженная обратная зависимость между пространственной длиной корней и величиной уклона. Наиболее ярко эта зависимость наблюдалась в варианте с посевом озимой пшеницы. По мере увеличения уклона с 10 до 70 % показатель снизился с 7,3 до 3,1 см/см2, или более чем в два раза. Аналогичная тенденция наблюдалась в варианте занятого пара – произошло снижение с 7,1 до 2,2 см/см2. В случае древесной растительности такого выраженного эффекта не наблюдалось вплоть до уклона в 50 % (показатели колебались от 1,4…1,0 см/см2 – разница статистически недостоверна). Однако с дальнейшим увеличением уклона – до 70 % – произошло резкое уменьшение длины корней в расчет на площадь корневого окна – до 0,3 см/см2.
Диаметры корней и удельная длина корней. В посевах озимой пшеницы средний диаметр корня значительно (p < 0,05) увеличился с 0,27 ± 0,034 до 0,34 ± 0,06 мм (рис. 4) с увеличением угла наклона.
Эти тенденции были подтверждены средними измерениями длины корней (рис. 5), которые уменьшились с 77,04 ± 48,22 до 37,82 ± 25,34 м/м3 и 106,92 ± 55,24 до 36,41 ± 19,66 м/м3 в занятом паре и посеве озимой пшеницы соответственно, поскольку угол наклона увеличился от 10 до 70 %.
Мы выявили, что однолетние (озимая пшеница) и многолетние виды (древесные растения) растений развивают плотные сети тонких волокнистых корней вблизи поверхности почвы, тогда как плотность укоренения обычно имеет тенденцию к уменьшению с увеличением глубины почвы, аналогичные результаты (максимальное нарастание корневой системы в слое почвы 0–20 см) были получены в исследованиях ряда ученных [5]. Увеличение уклона местности значительно влияет на гранулометрический состав, в частности происходит вымывание вниз по склону ряда фракций (крупный песок, тонкий ил), эти результаты коррелируют с данными Г.А. Ларионова, О.Г. Бушуевой и других ученых [1].
Наши исследования подтвердили, что тонкие корни локально связывают почву и, уменьшая эрозию почвы, повышают устойчивость верхнего слоя почвы. Данная функция корневой системы общеизвестна и находит подтверждение во многих исследованиях, например в работах В.Г. Гребенникова и И.А. Шипилова [2], Однако данное свойство корневой системы находится в сложной зависимости от типа почвы (чем тяжелее почвы, тем выраженнее противоэрозионное влияние корней) и видов растений (максимальный эффект наблюдается у посевов многолетних трав [2, 3], минимальный эффект – древесные растения), Поэтому увеличение плотности корневой системы может и не иметь выраженного влияния на устойчивость почвы к смыву в случае песчаных и супесчаных почв [6].
Выводы
Таким образом, уклон местности оказывает значительное влияние на гранулометрический состав почвы – имеется выраженная тенденция к накоплению физической глины и ила на участках с уклонами более 40 %. Было обнаружено, что коэффициент фильтрации увеличивается с уклоном, как под посевами, так и под паром. Наибольший коэффициент фильтрации был достигнут при наибольшем уклоне. Наблюдается выраженная обратная зависимость между пространственной длиной корней и величиной уклона. Наиболее ярко эта зависимость наблюдалась в варианте с посевом озимой пшеницы. По мере увеличения уклона с 10 до 70 % показатель снизился с 7,3 до 3,1 см/см2, или более чем в два раза.