Экология, 2023, № 1, стр. 22-34
Неоднородность почвенно-растительного покрова при постагрогенной восстановительной сукцессии в средней подзоне тайги
Е. Н. Наквасина a, Т. А. Паринова a, *, А. Г. Волков a, Л. В. Голубева b
a Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова
163002 Архангельск, наб. Северной Двины, 17, Россия
b Архангельский педагогический колледж
163002 Архангельск, ул. Смольный Буян, 5, Россия
* E-mail: t.parinova@narfu.ru
Поступила в редакцию 05.03.2022
После доработки 08.09.2022
Принята к публикации 12.09.2022
- EDN: HAWHYD
- DOI: 10.31857/S0367059723010080
Аннотация
Представлены результаты исследований по выявлению особенностей неоднородности почвенно-растительного покрова на ранних стадиях самовосстановительной сукцессии, детерменированных биотическими и биокосными условиями, измененными под влиянием антропогенных факторов после длительной распашки на азональных окарбоначенных почвах в подзоне средней тайги (Россия, Архангельская обл., Каргопольский р-н). Объем анализируемого материала: 25 полнопрофильных почвенных разрезов, 500 почвенных проб, 125 площадок для учета видов деревьев и кустарников, 25 стандартных геоботанических пробных площадей, 250 площадок для учёта травянистых видов. Показано, что в первые 15 лет восстановительной сукцессии на залежном поле приоритет в фитоценотической значимости имеет травянистая растительность. В условиях остаточно карбонатных почв лесной зоны специализация экологических свойств, как приуроченность видов к определенным факторам, проявляется слабо и только у отдельных травянистых видов. Факторами формирования мозаичности растительного покрова на 15-летней залежи являются не изменчивость почвенных свойств и влияние поселившихся древесных и кустарниковых видов, а биологические свойства видов травянистых растений, их специфические потребности к экологическим факторам. Плодородие и увлажнение почв – главные факторы, обусловливающие варьирование растительности на этой стадии.
Изучению неоднородности растительного и почвенного покровов в последнее время уделяется все больше внимания. Считается, что неоднородность является основополагающей в сохранении биоразнообразия и существовании видов и поддержания экосистем [1–5], а ее снижение может привести к потере биоразнообразия [6].
Формирование неоднородности представляется закономерным природным процессом [7, 8], главными факторами которого являются биотические [5], создающие фитоценогенные микрогруппировки [9]. При этом признается роль биокосных факторов, связанных с педогенными причинами и почвообразующими породами [9–12]. Относительно земель, используемых в сельском хозяйстве, однозначно признается влияние агротехнических и агромелиоративных приемов в сочетании с естественно-генетическими факторами на формирование неоднородности почвенного покрова как в отношении морфогенетических показателей, так и изменчивости агрохимических свойств почв [4, 10, 12–15]. Уровень сельскохозяйственной нагрузки и тип землепользования определяют комбинации факторов в природно-антропогенных экосистемах, которые способствуют специализации среды обитания видов [16].
Распахивание почв природных ландшафтов при вовлечении в сельскохозяйственную деятельность влияет на формирование неоднородности почв неоднозначно. Гетерогенность почвенного покрова по отдельным параметрам может снижаться, по другим увеличиваться – эти изменения имеют региональный характер [15, 17]. Так, агрогенное воздействие выравнивает агрофизические и агрохимические показатели верхнего почвенного слоя [9, 12, 18], но в то же время при интенсивном сельскохозяйственном производстве неравномерность внесения удобрений приводит к усилению гетерогенности связанных с ними свойств [8, 19]. Кроме того, на пашнях, в верхнем гомогенном слое почв (пахотном горизонте), могут сохраняться мозаики природных почв, связанные с внутренним рельефом почвообразующих пород [9, 11] и сохраняющие свое влияние во время восстановительной сукцессии. Распахивание почв нарушает естественные процессы и сохраняет свое воздействие длительное время [12, 15], оказывая влияние на сукцессионные процессы. Мозаичность почвенно-растительного покрова при демутационных сукцессиях усиливается при расселении на открытые местообитания опушечной и луговой растительности [18].
Неоднородность растительного и почвенного покрова различных ландшафтов чаще рассматривалась представителями отдельных специальностей – геоботаниками, почвоведами, агрономами, а число комплексных работ невелико. Знание пространственной неоднородности почв востребовано для точного земледелия: для оптимального управления продуктивностью посевов с учетом плодородия почв на каждом метре поля [2, 7, 8, 15], для мониторинга и оценки уровня деградации земель [20] и сельскохозяйственного управления [21]. Мозаичность растительности в различных ландшафтах изучали для познания структуры фитоценозов, динамики смен растительности, моделирования биоразнообразия и изучения продуктивности биогеоценозов [5, 13, 22–24]. Все чаще экосистемы рассматриваются комплексно, с междисциплинарных точек зрения [21], основываясь на мозаично-цикличной концепции развития экосистем [25] и учитывая их разные элементы [4, 25, 26].
При этом важным считается изучить не только мозаичность растительного покрова и почвенной среды, но и их взаимодействие [26, 27] в системе “вид–среда обитания” [2, 28]. Мозаичность почвенного покрова обеспечивает неоднородность и разнообразие автохтонных и аллохтонных видов растений и микроорганизмов [4, 29], так как создаются экологические ниши для их поселения. Так, на черноземах именно пространственная составляющая и экологические функции почв обеспечили 43.6% разнообразия почвенной микрофлоры [30].
Особый интерес с точки зрения неоднородности почвенно-растительного покрова вызывают залежи (выведенные из оборота пашни), проходящие этапы восстановительной сукцессии при зарастании лесом. Отчуждение пашни не только влияет на рост древесной растительности, но и запускает различные механизмы процесса самозарастания [31, 32]. Поселение видов деревьев и кустарников начинает усиливать прежде всего почвенную неоднородность [20, 28]. В то же время, по данным Vellend et al. [33], в лесах, сформированных на бывших полях, биоразнообразие ниже по сравнению с нативными, что может сохраняться столетиями.
Отчуждение сельскохозяйственных земель из активного пользования, охватившее не только Россию, но практически все регионы мира, вызывает проблему экологических изменений в ландшафтах, которые предсказать невозможно [34] из-за значительных локальных и региональных особенностей влияния абиотических и биотических факторов, типов окружающих залежи сообществ, предшествующих агротехнических воздействий и применяемых технологий. Для прогнозирования реакции видов на изменение ландшафта, динамики формирования сообществ необходимо изучение процессов зарастания таких земель с учетом типологических характеристик почв, общей сукцессионной смены растительности и истории поля.
Цель наших исследований – выявить особенности неоднородности почвенно-растительного покрова на ранних стадиях самовосстановительной сукцессии, детерминированные биотическими и биокосными условиями, измененными влиянием антропогенных факторов после длительной распашки, для прогнозирования потенциала формирования лесных насаждений в подзоне средней тайги на азональных окарбоначенных почвах.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Для Европейского Севера России исторически характерно мелкополье. В советское время нередко проводили перепланировку полей, в частности при укрупнении совхозов, что приводило к объединению полей разных сроков использования, припахиванию вновь осваиваемых участков с разной технологией освоения. Все это влияло на мозаичность почвенного покрова в пределах большого поля при его забрасывании. Окружающий лес является источником обсеменения залежи лесными видами. Под пологом древесной растительности на землях сельскохозяйственного пользования сохраняется потенциал сорной и культурной растительности многопольного севооборота.
Объектом нашего изучения было заброшенное поле площадью 44.7 га в районе бывшей деревни Васильево (Каргопольский р-н Архангельской обл., 61°30′41.79″ с.ш., 38°47′30.92″ в.д.). Предмет изучения – неоднородность почвенно-растительного покрова заброшенного поля.
Неоднородность понимается нами как варьирование свойств в пространстве и во времени [35], а однородность соответственно как константность значений в пределах изучаемого объекта [36]. Неоднородность почвенного покрова залежного поля анализируется нами через оценку показателей, характеризующих пространственную изменчивость (мощность пахотного слоя, гранулометрический состав, содержание элементов питания), которая возникает в процессе залежеобразования. Неоднородность растительного покрова оценивается через элементы горизонтальной структуры растительности, которая проявляется в том, что на разных участках преобладают (имеют высокий индекс фитоценотической значимости) растения разных видов и/или отсутствуют растения каких-либо видов, встречающиеся в окружающих залежь фитоценозах.
Для Каргопольской суши, где проводились исследования, характерны азональные текстурно-метаморфические грубогумусированные остаточно-карбонатные почвы [37], сформированные на карбонатной морене и известковой плите. Эти почвы широко использовались в сельском хозяйстве, как правило, обладают одновременно практически несовместимыми свойствами: высокой гумусностью, высоким значением рН, с одной стороны, и оподзоленностью, с другой.
Рассматриваемое нами поле имеет сложную историю, связанную с двукратным укрупнением: в послевоенное время поле укрупняли за счет отжига и распашки лесного участка, позднее (1960-е годы) – за счет припахивания старых огородов бывшей деревни и поймы ручья. Таким образом, время сельскохозяйственного использования поля колеблется от 30 лет до более века (на полях деревенских огородов). В последние десятилетия перед забрасыванием залежное поле использовалось в многопольном севообороте. По данным СХП “Каргопольское”, в севообороте выращивали кормовые многолетние злаки, бобовые культуры (горох, клевер), зерновые культуры (овес, ячмень, озимую и яровую рожь), после уборки культур поле передавалось под осеннее пастбище для крупного рогатого скота. Поле заброшено окончательно в 1999 г., обследовано нами в 2015 г.
На территории поля вдоль его длинной стороны, примыкающей к лесу, заложили трансекту: 25 точек с интервалом 20 м, общая длина трансекты 500 м (рис. 1). Подобная методика изучения мозаичности почвенно-растительного покрова применяется как в России, так и за рубежом [13, 14, 38].
Общий рельеф поля равнинный, высота над уровнем моря – 136 м, встречаются линейные перепады 50–80 см, представленные колеями, оставленными машинами. Поле с трех сторон окружено лесом. В нулевой точке трансекты произрастает 90-летний сосняк хвощово-разнотравный (состав 8С2Е + Б): средняя высота Pinus sylvestris – 29.5 ± 0.8 м, диаметр – 33.3 ± 1.7 см. Согласно перечету на пяти площадках размером 2 × 5 м, подрост (2300 шт/га) представлен Pinus sylvestris, Picea abies × P. obovata, Populus tremula и Betula pendula × B. pubescens (состав 39С35Е17Ос9Б) в основном средней крупности (0.5–1 м); подлесок (900 шт/га) представлен Rosa acicularis, Sorbus aucuparia и Juniperus communis. Почва органо-аккумулятивная светлогумусовая глееватая остаточно-карбонатная среднесуглинистая.
В конечной точке трансекты произрастает 80-летний осинник разнотравный (снытьевый), в состав которого входят Populus tremula, Betula pendula × B. pubescens, Alnus incana и Picea abies × × P. obovata, Pinus sylvestris (8Ос2Б + Олх ед. Е, С). Диаметр Populus tremula составляет в среднем 52.2 ± ± 5.6 см, высота – 32.2 ± 1.3 м. Подрост (11 000 шт/га) представлен Alnus incana и Picea abies × P. obovata (состав 91Олх9Е) высотой не более 1.5 м, подлесок (2400 шт/га) – Padus racemosa, Salix caprea и Sorbus aucuparia. Почва текстурно-дифференцированная дерново-подзолистая остаточно-карбонатная легкосуглинистая.
Точки опробования закрепляли в натуре колышками с указанием номера. У каждой из точек закладывали почвенный разрез с описанием горизонтов и диагностикой почвы. Отбирали пробы почвы металлическим буром для определения плотности сложения по общепринятой методике с толщи пахотного горизонта (5–15 см) с интервалом 1 м на расстоянии 10 м в обе стороны от точки опробования (20 проб в каждой точке опробования, всего 500 проб). Эту же почву использовали для химических анализов, проводимых по общепринятым методикам. Состав и численность видов деревьев и кустарников описывали на 5 площадках размером 2 × 5 м, расположенных вблизи опорной точки, напочвенный покров – на 10 площадках размером 1 × 1 м, расположенных в пределах геоботанической площади 10 × 10 м, с центром в точке опробования. Всего было заложено: 25 полнопрофильных почвенных разрезов, 125 площадок для учета видов деревьев и кустарников, 25 стандартных геоботанических пробных площадей, 250 площадок для учета травянистых видов. Для каждого вида определяли проективное покрытие по равномерной шкале (0–5–10–15…95–100%). Номенклатура видов указана по сводке С.К. Черепанова [39].
Чтобы учесть проективное покрытие и встречаемость вида в напочвенном покрове, использовали фитоценотический индекс (индекс Понятовской – Сырокомской, индекс фитоценотической значимости, ИФЗ) [40]:
где I – фитоценотический индекс, ИФЗ; n – число площадок, на которых отмечен вид; N – общее число площадок; ΣP – сумма проективных покрытий вида на отмеченных площадках. Для удобства значения полученных индексов логарифмировали.Анализировали данные о соотношении на трансекте эколого-ценотических групп видов растений [41], групп по отношению к фактору увлажнения, фактору трофности почвы, соотношение групп по жизненным формам [42].
Элементный состав пахотного горизонта почв определяли на CHNS анализаторе EA 3000 в Центре коллективного пользования научным оборудованием “Арктика” Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Подвижные формы фосфора и калия определяли после экстрагирования раствором соляной кислоты (0.2 моль/дм), с последующим количественным измерением подвижных соединений фосфора на фотоэлектроколориметре и калия – на пламенном фотометре в лаборатории САС “Архангельская”.
Для анализа флористической структуры и экологических условий в пределах трансекты использована ординация методом NMS (мера расстояния – коэффициент Съеренсена) в программном пакете PC-ORD 6.0 [43]. Интерпретация полученных осей ординации проведена с использованием индикаторных значений по экологическим шкалам Д.Н. Цыганова [44], расчет которых выполнен в программе Ecoscale 5.0 [45]. Для анализа видового списка, расчета индексов сходства/различия и ординации использовали R и пакет Vegan [46].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Неоднородность почвенного покрова. Почва поля диагностируется как старопахотная реградированная текстурно-дифференцированная дерново-подзолистая остаточно-карбонатная. Однако на линии трансекты выделяются две почвенные разности, занимающие 60 и 40% площади поля соответственно. Отличия проявляются прежде всего в строении нижней части почвенного профиля, не затронутой вспашкой. Это не позволяет отнести почвенный покров поля к однородному в типологическом отношении.
Вскипание почвы от HCl на глубине 40–55 см подтверждает окарбоначенность почвообразующей породы. Изменчивость толщи пахотного горизонта и общей толщи почвы менее 25% (табл. 1), и показатели в пределах трансекты оцениваются как однородные [47]. Изменчивость толщи образующегося реградированного горизонта W (39%) носит ценотический (вторичный) характер, при сохранении первичных признаков почвообразования (толщи почвы до почвообразующей породы) и выравненного пахотной деструкцией агрогенного горизонта Pw.
Таблица 1.
Показатель | M ± m | Минимум– максимум | Стандартное отклонение | Коэффициент вариации, % | |
---|---|---|---|---|---|
Содержание, мг/кг | P2O5 | 151.8 ± 14.0 | 56.0–290.0 | 69.9 | 46 |
K2O | 59.9 ± 6.3 | 28.0–136.0 | 31.6 | 53 | |
Элементный состав, % | N | 0.09 ± 0.01 | 0.01–0.16 | 0.05 | 41 |
C | 1.25 ± 0.05 | 0.58–1.76 | 0.26 | 21 | |
Содержание гумуса, % | 2.2 ± 0.1 | 1.0–3.0 | 0.5 | 21 | |
C/N | 15.8 ± 1.8 | 7.0–35.0 | 8.0 | 50 | |
pHKCl | 5.8 ± 0.1 | 4.8–6.8 | 0.5 | 8 | |
Плотность сложения, г/см3 | 1.25 ± 0.01 | 1.19–1.30 | 0.03 | 3 | |
Мощность, см | W | 7.7 ± 0.6 | 3.0–12.0 | 3.0 | 39 |
Pw | 19.8 ± 0.7 | 13.0–26.0 | 3.3 | 17 | |
Профиль | 43.7 ± 1.5 | 31.0–62.0 | 7.5 | 17 |
Деструктивные изменения почвы, созданные 30-летней вспашкой, сохраняются, несмотря на 15-летнее восстановление и зарастание видами трав, деревьев и кустарников. Плотность сложения почвы имеет минимальную изменчивость из всех изученных показателей (3%), что согласуется с исследованиями других авторов [12, 15].
Слабая изменчивость по протяженности трансекты в пределах поля характерна для обменной кислотности, содержания органического углерода и связанного с ним содержания гумуса (8–21%). Несмотря на низкую изменчивость показателя рНKCl, реакция среды значимо влияет на содержание подвижного калия (r = 0.73 при p ≤ 0.05) и определяет степень сформированности реградированного горизонта (r = − 0.59 при p ≤ 0.05).
В нашем случае неоднородность пахотного горизонта в пределах поля проявляется по содержанию подвижных форм фосфора и калия (рис. 2а), коэффициент изменчивости которых составляет 46–53%. Это может быть связано как с изначальной невыравненностью внесения удобрений в период сельскохозяйственного использования поля, так и носить ценотический характер и заключаться в поступлении опада различного качества при зарастании поля. На большую изменчивость содержания фосфора в пахотных горизонтах дерново-подзолистых почв указывается в ряде источников [8, 19], однако уровень изменчивости определяется литологией почв [15].
В пределах изученного поля изменчивость содержания азота (41%) при небольшой изменчивости количества органического углерода (21%) обеспечивает высокую изменчивость показателя C/N, который колеблется от 7 до 35 при коэффициенте изменчивости 50% (табл. 1, рис. 2б). По мнению ряда авторов [3, 26, 29], пространственная неоднородность содержания N и показателя C/N в почве может способствовать повышению разнообразия растительности, в том числе и древесной, играя активную роль в сохранении богатства видов. Есть мнение [48], что именно содержание органического углерода определяет 50% физических свойств почвы, прежде всего структурообразование, и, следовательно, совместно с азотом отражает изменения, происходящие как в органогенной, так и минеральной частях почвы под влиянием лесных пород [31].
Установлено, что в пределах трансекты залежного поля влияние содержания азота и углерода на изученные показатели и свойства почвы незначительное (табл. 2). Прослеживается лишь значимая связь содержания подвижного фосфора с углеродом (r = − 0.5 при p ≤ 0.05). Прямая значимая корреляционная связь (r = −0.5, достоверен при p ≤ 0.05) между показателем С/N и мощностью формирующегося реградированного горизонта Pw в верхней части пахотного горизонта позволяет говорить о связи величины C/N с развитием дернины при залужении поля. Этот горизонт густо насыщен корнями и обеспечивает запасы корневого опада, насыщенного азотом, при разрастании бобовых, в частности Trifolium pratense. Мощность реградированного горизонта оказалась не связана с содержанием азота и калия (r = 0.4 при p ≤ 0.05), но в определенной мере обусловлена рыхлостью пахотного горизонта (r = 0.4 при p ≤ 0.05).
Таблица 2.
Показатели | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
N, % | 0.0 | –0.2 | 1.0 | 0.4 | 0.4 | 0.1 | –0.7 | 0.4 | 0.3 | 0.3 | 0.0 |
C, % | –0.5 | 0.1 | 0.4 | 1.0 | 1.0 | 0.2 | –0.3 | –0.1 | 0.0 | –0.2 | 0.3 |
C/N | 0.0 | 0.4 | –0.7 | –0.3 | –0.3 | –0.01 | 1.0 | –0.5 | –0.3 | –0.3 | –0.1 |
Примечание: 1 – содержание P2O5, мг/кг; 2 – содержание K2O, мг/кг; 3 – содержание N, %; 4 – содержание C, %; 5 – содержание гумуса, %; 6 – рНKCl; 7 – показатель C/N; 8 – мощность реградированного горизонта W, см; 9 – мощность пахотного горизонта Pw, см; 10 – мощность профиля, см; 11 – плотность сложения, г/см3. Полужирным выделены достоверные значения коэффициента корреляции.
Неоднородность растительного покрова. В результате процесса восстановительной сукцессии на заброшенном поле сформировался растительный покров, характеризующийся определенными сходными чертами, с одной стороны, и неоднородностью, с другой. Общий флористический список сосудистых растений в пределах трансекты (всего флористический учет вдоль трансекты выполнен на 3750 м2: 125 площадок по 10 м2 для учета видов деревьев и кустарников; 25 стандартных геоботанических пробных площадей по 100 м2, в пределах которых 250 площадок по 1 м2 для учета травянистых видов) включает 101 вид из 75 родов и 33 семейств. Основу составляют покрытосеменные растения (отдел Magnoliophyta), среди них преобладают двудольные; отдел Equisetophyta представлен тремя видами из рода Equisetum; отдел Polypodiophyta – одним видом из рода Athyrium; отдел Lycopodiophyta – одним видов из рода Lycopodium. Кроме того, на трансекте зарегистрированы три вида из отдела Bryophyta, один напочвенный вид из Lichenophyta.
В целом наибольшее участие в сложении растительного покрова залежного сообщества (по количеству видов и их проективному покрытию) принимают травянистые короткокорневищные гемикриптофиты со средней требовательностью к почвенному питанию и влаге (рис. 3). Деревья и кустарники (исходя из численности и габитусных размеров) пока играют незначительную роль в сложении залежного сообщества (см. рис. 3), однако сами по себе, при отсутствии всех видов хозяйственной деятельности, они являются существенным перспективным ценотическим фактором, повышающим уровень неоднородности [49]. Преобладающей эколого-ценотической группой ожидаемо (при отсутствии пока большей ценотической роли деревьев и кустарников) является луговая-луговоопушечная – это виды Dactylis glomerata, Trifolium pratense, Taraxacum officinale и др.
В то же время считается, что заметное воздействие древесных пород на почву и нижние ярусы растительности проявляется уже в первые 20 лет [50] и заключается в постепенном изменении уровня освещенности, качества и количества опада, состава кроновых вод и прежде всего отражается на почвенной биоте [51]. В условиях Каргопольской суши деревьям и кустарникам для этого требуется больше времени.
Пул древесных пород на изучаемом поле представлен основными лесообразующими видами: Pinus sylvestris, Picea abies, Betula pubescens, B. pendula, Populus tremula, Alnus incana, а также видами подлеска (Sorbus aucuparia, Padus avium, Juniperus communis, Rosa majalis, Salix aurita, S. caprea, S. acutifolia). Средняя численность для видов деревьев – 63 ± 6.1 шт/100 м2, основных лесообразующих видов подроста – 47 ± 4.2 шт/100 м2, видов подлеска – 16 ± 3.6 шт/100 м2, причем подлесок на 86% представлен видами ив.
Окружение поля лесными массивами с трех сторон определило одновременное поселение на нем основных лесообразующих видов посредством распространения семян от стен леса. По возрастному и размерному составу пула подроста (от всходов до деревьев высотой более 1.5 м) просматривается первоочередное заселение видами хвойных: Pinus sylvestris – доля в численности составляет 67%, в меньшей степени Picea abies – 19%. Доля подроста лиственных невелика (14% от общей численности деревьев), среди них много всходов Betula pendula (до 64 шт/100 м2).
Вдоль трансекты в разных точках количество отдельных древесно-кустарниковых видов и их численность неоднородны (рис. 4). Особенно высокая изменчивость численности характерна для подлеска – от 1 до 51 шт/100 м2; для подроста коэффициент изменчивости численности в пределах трансекты составляет 45%.
Видовая насыщенность на 100 м2 для травяного яруса вдоль трансекты в среднем составляет 27 видов – по отдельным участкам трансекты она варьирует от 14 до 35 видов. Проявляется влияние численности древесных и кустарниковых пород на видовое разнообразие травяного яруса (r = − 0.25 при p ≤ 0.05). Разрастание крон деревьев и кустарников изменяет уровень освещенности, меняется растительный опад, однако в молодом возрасте влияние древесных пород не оказывает кардинального влияния на состав напочвенного покрова, что согласуется с мнением ряда исследователей [50]. По их данным, признаки леса при зарастании полей начинают проявляться через 20 лет после отчуждения и начала зарастания древесными и кустарниковыми породами. На этой стадии сукцессионного развития, несмотря на поселение видов деревьев и кустарников, залежный ценоз все еще относится к луговой стадии развития, с преобладанием травянистых рыхлокустовых видов.
Наибольший индекс фитоценотической значимости обнаружен для таких видов травяного яруса, как Trifolium pratense (ИФЗ = 7.5), Hypericum perforatum (ИФЗ = 6.5), Galium mollugo (ИФЗ = 6.4), Briza media (ИФЗ = 6.4) и Leucanthemum vulgare (ИФЗ = 5.8). Показатель учитывает встречаемость вида и покрытие, но в пределах трансекты проективное покрытие видов с высоким фитоценотическим индексом меняется. Интересно отметить, что по нашим наблюдениям Elytrigia repens всегда является индикатором молодых залежей на пойменных почвах района исследований, а в условиях 15-летнего самовосстановления окультуренных окарбоначенных почв не проявляет высокую фитоценотическую значимость. Этому могло способствовать быстрое разрастание других видов, в частности из семейства бобовых, в условиях повышенного плодородия почв с благоприятной для них реакцией среды.
Характер распространения видов, поселившихся на залежном поле после его отчуждения из активного севооборота, обусловлен многими факторами: возможностью заноса зачатков, семенным и/или вегетативным расселением уже внедрившихся видов, воздействием внешних факторов (например, остановками гусеобразных на пролете) и в том числе свойствами верхнего (пахотного) горизонта почвенного покрова, вариабельность которых будет формировать фитоценотические группировки. Почвенные условия на отдельных участках вдоль трансекты создают экологические ниши для определенных видов и влияют на их локальную приуроченность, но при этом сказывается влияние комплекса самой формирующейся растительности, в частности зарождающиеся конкурентные и ценотические отношения между видами древесного и травянистого ярусов.
ОБСУЖДЕНИЕ
Связь неоднородности растительного и почвенного покровов. Агрогенное воздействие на неоднородный по генезису почвенный покров и формирование пахотного горизонта приводит к относительной выравненности свойств верхнего горизонта почвы, которая может сохраняться длительное время [12]. Однако в условиях 15-летнего самовосстановления биогеоценоза значимого влияния неоднородности свойств почв на формирование растительного покрова не выявлено. В данном случае большее влияние оказывают изменения, обусловленные заселением растительности из близлежащих растительных сообществ, а также сохранением семенных и вегетативных зачатков после действующих севооборотов. Одним из таких видов является фитоценотический лидер среди травянистых растений Trifolium pratense.
Влияние неоднородности свойств почвы проявляется специализированно, прежде всего в разрастании отдельных видов травянистого покрова. Так, для видов с высоким ИФЗ показана значимая корреляционная связь проективного покрытия с почвенными показателями в пределах трансекты (табл. 3). Большую значимость в их произрастании имеют содержание углерода и реакция среды. Соответствие экологической ниши конкретному виду растения обусловлено специфическими потребностями растений.
Таблица 3.
Показатели растительного покрова | Почвенные показатели | ||||
---|---|---|---|---|---|
Р2О5 | K2О | N | C | рНKCl | |
Численность, шт/100 м2: | |||||
древесных и кустарниковых видов | –0.19 | 0.34 | 0.25 | –0.04 | 0.22 |
сосны | –0.25 | 0.26 | 0.37 | 0.25 | 0.27 |
ели | –0.05 | –0.05 | –0.11 | –0.15 | –0.11 |
ивы | –0.15 | 0.14 | 0.20 | 0.13 | 0.12 |
Число травянистых видов, шт. | –0.51 | –0.22 | 0.05 | 0.32 | 0.16 |
Общее количество видов, шт. | –0.52 | –0.27 | –0.15 | 0.20 | 0.11 |
Виды растительного покрова (ИФЗ, lg): | |||||
Leucanthemum vulgare (5.8) | – 0.26 | 0.24 | 0.28 | 0.38 | 0.26 |
Galium mollugo (6.4) | – 0.05 | –0.43 | –0.04 | 0.08 | –0.38 |
Briza media (6.4) | – 0.18 | 0.29 | 0.41 | 0.65 | 0.45 |
Hypericum perforatum (6.5) | 0.03 | –0.42 | –0.08 | –0.08 | –0.52 |
Trifolium pratense (7.5) | 0.13 | –0.14 | –0.01 | –0.43 | –0.20 |
Корреляционный анализ показал, что существует тесная прямая связь между проективным покрытием Leucanthemum vulgare и содержанием в почве углерода, проективным покрытием Briza media с кислотностью почвы и содержанием в ней азота и углерода, а тесная обратная связь – между проективным покрытием Galium mollugo и Hypericum perforatum с содержанием калия, покрытием Trifolium prаtense и содержанием углерода.
Результаты упорядочивания видов общего флористического списка для изученного участка залежного поля неметрическим многомерным шкалированием, представленные на рис. 5, демонстрируют неоднородность флористической структуры и наличие определенных градиентов. Отсутствие четко просматриваемых кластеров характерно как для древесных и кустарниковых видов, так и для травянистых. Векторы почвенных свойств, полученные с использованием экологических шкал Д.Н. Цыганова [44], наложенные на график ординации (см. рис. 5), показывают наиболее существенное влияние на неоднородность древесно-кустарниковой и травянистой растительности в условиях Каргопольской суши таких факторов, как богатство почв азотом и увлажнение почв. При этом Pinus sylvestris, Picea abies приурочены к менее богатым почвам, а Populus tremula тяготеет к участкам с повышенным содержанием азота в почве. Такое же распределение, с приуроченностью к более высокому содержанию азота в почве, характерно для видов подлеска (Sorbus aucuparia, Padus avium, Juniperus communis, Rosa majalis, Salix aurita, S. caprea, S. acutifolia).
Полученная графическая интерпретация упорядочивания видов флористического списка в целом отражает общую закономерность, характерную для начальных стадий формирования залежных сообществ: большинство видов на графике локализуется в пределах одной общей области. Для залежей, находящихся на луговой рыхлокустовой стадии (по соотношению жизненных форм – см. рис. 3), это ожидаемо, так как парцеллярная структура лесного фитоценоза находится еще в самой начальной стадии формирования. К такому состоянию залежь пришла постепенно в течение 15 лет в результате нескольких процессов. С одной стороны, длиннокорневищевые травы (Elytrigia repens, Bromopsis inermis и др.) с течением времени достигли развития и, постепенно заполняя корневищами почвенный слой, уплотнили почву, в результате чего затруднился доступ воздуха в почву, повысилось увлажнение, длиннокорневищевые злаки в этих условиях стали слабее развиваться и постепенно начали выпадать из травостоя. С другой стороны, длиннокорневищные растения сами по себе имеют слабую конкурентную мощность и вытесняются рыхлодерновинными злаками, короткокорневищными видами разнотравья, ползучими и куртиноообразующими бобовыми. На месте корневищных видов трав на заброшенном поле Каргопольской суши быстро появляются более конкурентноспособные и менее требовательные к воздуху и почве рыхлокустовые злаки: Dactylis glomerata, Festuca pratensis, Agrostis tenuis, Phleum pratense. Одновременно в травостое увеличилась доля видов из семейства бобовых, в первую очередь Trifolium pratense.
Свой вклад в процесс разделения экологических ниш вносят сложная история поля и неоднородность экологических условий, связанная с ландшафтными особенностями поля, в частности на ординационной диаграмме (см. рис. 5) выделяются несколько обособленных групп. Левее от основного скопления точек, символизирующих виды, отделяются виды, которые в начале трансекты (точки апробирования 1–5) характеризуются высокой встречаемостью (Geranium sylvaticum, Sanguisorba officinalis, Solidago virgaurea, Platanthera bifolia, Trollius europaeus, Equisetum arvense, Anthriscus sylvestris). Исходя из эколого-биологических особенностей данных травянистых видов, численности древесно-кустарниковых видов в этой части трансекты, близости стены леса можно заключить, что данный залежный участок в пределах поля быстрее перейдет в лесную стадию.
Одна обособленная группа видов (Aegopodium podagraria, Tanacetum vulgare, Cirsium arvense, Bunias orientalis, Veronica serpyllifolia) и вторая группа (Juncus bufonius, Polygala comosa, Euphrasia brevipila) представлены сорно-придорожными видами и видами нарушенных местообитаний: через обследуемое поле проходит несколько зарастающих дорог, встречаются кротовины и разрытые муравейники.
Развитие лесного сообщества на изучаемом нами заброшенном поле находится в начале сукцессионного ряда по отношению к формированию зональных типов растительности. Именно с этим может быть связана недостаточная четкость флористической структуры на ординационной диаграмме. В климаксовых лесных сообществах роль типа биогеоценоза и его парцеллярного строения стабилизирована [52], и парцеллы, а в их пределах и тессеры значительно связаны со свойствами почв, отражая состав растительности [51–53]. На ранних этапах сукцессии при формировании горизонтального строения ценоза, когда еще не стабилизирован древесный ярус леса, идет смена растительности открытого луга на лесную, расселение растительности и ее мозаичность могут быть связаны не только с гетерогенностью свойств почв, но и определяться опадом и комплексом микроорганизмов, прежде всего в формирующейся лесной подстилке [51]. Из почвенных элементов питания при формировании гетерогенности растительности и ее кластеризации на группировки (парцеллы, тессеры) по мнению ряда авторов большую роль играют азот и углерод [31], азот и фосфор [53]. Стратегии расселения отдельных видов в связи с гетерогенностью почв пока изучены недостаточно и определяются биолого-экологическими особенностями видов и специфической потребностью в элементах минерального питания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При сельскохозяйственном использовании в почве формируется пахотный горизонт, который нивелирует генетические свойства почв и почвообразующих пород в пределах поля. Постоянная пахота, внесение удобрений и мелиорантов, использование севооборота, поддерживающих плодородие почв в этот период, приводят к формированию горизонта с относительно однородными свойствами, которые сохраняются и после отчуждения поля и начала восстановительной сукцессии. Формирование растительного покрова на изученной залежи в лесной зоне происходит в результате расселения древесных и кустарниковых видов от стен леса, поселения видов травянистой растительности за счет распространения зачатков от ближайших ценопопуляций (на опушках, полянах, ранее заросших полях), а также за счет диаспор сорной и культурной растительности, встречающейся или используемой в севооборотах, и их постоянной конкурентной борьбы.
Широкие спектры возможностей расселения растительности формируют ее смешанный характер, однако в первые 15 лет восстановительной сукцессии, после отчуждения поля из активного сельскохозяйственного пользования, наибольшую фитоценотическую значимость имеет травянистая растительность, формируя луговые ценозы. Поселение древесных и кустарниковых видов в первые 15 лет существенно не влияет на пул травянистой растительности и не способствует образованию локальных (территориальных) группировок. Гетерогенность почвенных свойств и более высокое плодородие верхнего (пахотного) горизонта почв, по сравнению с почвами нативных лесных насаждений, способствуют формированию широкого спектра экологических ниш, не ограничивающих экотопические аспекты формирования мозаики растительности на залежах. На этом этапе, через 15 лет залежеобразования, в условиях остаточно˗ карбонатных почв лесной зоны, специализация экологических свойств, как приуроченность видов к определенным факторам, проявляется слабо и только у отдельных травянистых видов. Факторами, определяющими формирование мозаичности растительного покрова на залежи, являются не изменчивость почвенных свойств и влияние поселившихся древесных и кустарниковых пород, которые со временем должны усилить свое влияние за счет разрастания крон и распространения корней, а биологические свойства видов травянистых растений, их специфические потребности к экологическим факторам.
Главными факторами, обусловливающими варьирование растительности на этой стадии сукцессии, являются плодородие почв и увлажнение. Именно на них реагируют виды травяного покрова 15-летней залежи в условиях Каргопольской суши. Древесно-кустарниковые виды менее дифференцированы в отзывчивости на мозаичность почвенных свойств на залежи из-за более широкой экологической амплитуды и отзывчивости на повышенное плодородие почв на залежном поле. На специфику почвенного питания, в частности насыщенность азотом, отзываются виды кустарников, входящие в пул подлесочных пород.
Исследования поддержаны грантом РФФИ и правительства Архангельской области № 17-44-290111.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Настоящая статья не содержит исследований с участием людей или животных в качестве объектов изучения.
Список литературы
Сукцессионные процессы в заповедниках России и проблемы сохранения биологического разнообразия / Под ред. Смирновой О.В., Шапошникова Е.С. СПб.: РБО, 1999. 549 с.
Ettema Ch.H., Wardle D.A. Spatial soil ecology // Trends in ecology & evolution. 2002. V. 17. № 4. P. 177–183. https://doi.org/10.1016/S0169-5347(02)02496-5
Zhou Z., Sun O.J., Luo Z. et al. Variation in small-scale spatial heterogeneity of soil properties and vegetation with different land use in semiarid grassland ecosystem // Plant and Soil. 2008. V. 310. № 1. P. 103–112. https://doi.org/10.1007/s11104-008-9633-1
Townsend D.E., Fuhlendorf S.D. Evaluating relationships between spatial heterogeneity and the biotic and abiotic environments // The American Midland Naturalist. 2010. V. 163. № 2. P. 351–365. https://doi.org/10.1674/0003-0031-163.2.351
Лебедева В.Х., Ипатов В.С., Тиходеева М.Ю. Неоднородность пространственной структуры живого напочвенного покрова в лесных сообществах // Вестник СПбГУ. Сер. 3. Биология. 2015. № 2. С. 32–46.
Moreira E.F., Boscolo D., Viana B. Spatial Heterogeneity Regulates Plant-Pollinator Networks across Multiple Landscape Scales // PLoS ONE. 2015. V. 10. № 4. P. 1–19. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0123628
Медведев В.В. Неоднородность как закономерное проявление горизонтальной структуры почвенного покрова // Грунтознавство. 2010. Т. 11. № 1–2. С. 6–15.
Медведев В.В., Мельник А.И. Неоднородность агрохимических показателей почвы в пространстве и во времени // Агрохимия. 2010. № 1. С. 20–26.
Мирин Д.М. Внутрифитоценозные элементы неоднородности растительного покрова // Изв. Самарского НЦ РАН. 2012. Т. 14. № 1(5). С. 1320–1323.
Витковская С.Е. Особенности пространственной неоднородности агрохимических показателей почвы и массы растений в полевом опыте // Плодородие. 2009. № 5. С. 8–9.
Гончаров В.М., Фаустова Е.В. Новые подходы к исследованию пространственной агрофизической неоднородности почвенного покрова // Вестник Оренбургского гос. ун-та. 2011. № 12 (131). С. 181–183.
Басевич В.Ф. Почвенные сукцессии и их связь с неоднородностью подзолистых почв // Вестник Московского ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2011. № 3. С. 38–42.
Юркевич М.Г. Горизонтальная структура агроценозов Южной Карелии // Экология и география почв / Под ред. Красильникова П.В. Петрозаводск, 2009. С. 105–115.
Al-Rowaily S., El-Bana M., A.R. Al-Dujain F. Changes in vegetation composition and diversity in relation to morphometry, soil and grazing on a hyper-arid watershed in the central Saudi Arabia // Catena. 2012. V. 97. P. 41–49. https://doi.org/10.1016/j.catena.2012.05.004
ванов А.И., Конашенков А.А., Хомяков Ю.В. и др. Оценка параметров пространственной неоднородности показателей плодородия дерново-подзолистых почв // Агрохимия. 2014. № 2. С. 39–49
Ntasin A., Sompongchaiyakul P., Singhruck P. Soil Nutrients in heterogeneities land use in Haui-Luang Headwater Area of the Mekong River // Journal of Environmental Management and Tourism. 2017. V. 8. № 5. P. 1006–1012. https://doi.org/10.14505//jemt.v8.5(21).04
Сидорова В.А. Изменение пространственной вариабельности почвенных свойств в результате антропогенного воздействия // Экология и география почв / Под ред. Красильникова П.В. Петрозаводск, 2009. С. 30–47.
Paz-González A., Vieira S.R., Taboada Castro M.T. The effect of cultivation on the spatial variability of selected properties of an umbric horizon // Geoderma, 2000. V. 97. P. 273–292.
Литвинович А.В. Пространственная неоднородность агрохимических показателей пахотных дерново-подзолистых почв // Агрохимия. 2007. № 5. С. 89–94.
Okayasu T., Okuro T., Jamsran U., Takeuchi K. Degraded rangeland dominated by unpalatable forbs exhibits large-scale spatial heterogeneity // Plant Ecology. 2012. V. 213. № 4. P. 625–635. https://doi.org/10.1007/s11258-012-0027-3
Dechesne A., Badawi N., Aamand J., Smets B.F. Fine scale spatial variability of microbial pesticide degradation in soil: scales, controlling factors, and implications // Frontiers in Microbiology. 2014. V. 5. № 667. https://doi.org/10.3389/fmicb.2014.00667
Seabloom E.W., Bjørnstad O.N., Bolker B.M., Reichman O.J. Spatial signature of environmental heterogeneity, dispersal, and competition in successional grasslands // Ecological Monographs. 2005. V. 75. № 2. P. 199–214. https://doi.org/10.1890/03-0841
Kumar S., Tohlgren T.J., Chong G.W. Spatial heterogeneity influences native and nonnative plant species richness // Ecology. 2006. V. 87. № 12. P. 3186–3198. https://www.jstor.org/stable/20069347
DeAngelis D.L., Yurek S. Spatially explicit modeling in ecology: a review // Ecosystems. 2017. V. 20. № 2. P. 284–300. https://doi.org/10.1007/s10021-016-0066-z
Смирнова О.В., Алейников А.А., Семиколенных А.А. и др. Пространственная неоднородность почвенно-растительного покрова темнохвойных лесов в Печоро-Илычском заповеднике // Лесоведение. 2011. № 6. С. 67–78.
Wang L., Okin G.S., D’Odorico P. et al. Ecosystem-scale spatial heterogeneity of stable isotopes of soil nitrogen in African savannas // Landscape Ecology. 2013. V. 28. № 4. P. 685–698. https://doi.org/10.1007/s10980-012-9776-6
Chen P., Chu Y., Gu F. et al. Spatial heterogeneity of vegetation and soil characteristics in oasis-desert ecotone // The Journal of Applied Ecology. 2003. V. 14. № 6. P. 904–908.
Schooley R.L. Spatial heterogeneity and characteristic scales of species-habitat relationships // BioScience. 2006. V. 56. № 6. P. 533–537. https://doi.org/10.1641/0006-3568(2006)56[533:shacso]-2.0.co;2
Davies K.F., Chesson P., Harrison S. et al. Spatial heterogeneity explains the scale dependence of the native-exotic diversity relationship // Ecology. 2005. V. 86. № 6. P. 1602–1610. https://www.jstor.org/stable/3450785
Zhukov A., Gadorozhnaya G. Spatial heterogeneity of mechanical impedance of atypical chernozem: the ecological approach // Ekológia (Bratislava). 2016. V. 35. № 3. P. 263–278. https://doi.org/10.1515/eko-2016-0021
Солодовников А.Н., Рожков В.А. Исследование влияния древесной породы на почву методом дискриминантного анализа // Бюлл. Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2019. Вып. 96. С. 22–38. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2019-96-221-46
Москаленко С.В., Бобровский М.В. Расселение лесных видов растений из старовозрастных дубрав на брошенные пашни в заповеднике “Калужские засеки” // Изв. Самарского НЦ РАН. 2012. Т. 14. № 1(5). С. 1332–1335.
Vellend M., Verheyen K., Kathryn M. et al. Homogenization of forest plant communities andweakening of species–environment relationships via agricultural land use // J. of Ecology. 2007. V. 95. № 3. P. 565–573. https://doi.org/10.1111/j.1365-2745.2007.01233.x
Macdonald D.V., Crabtree J.R., Wiesinger G. et al. Agricultural abandonment in mountain areas of Europe: environmental consequences and policy response // J. of Environmental Management. 2000. V. 59. № 1. P. 47–69. https://doi.org/10.1006/jema.1999.0335
Розанов Б.Г. Морфология почв: Учебное пособие для вузов по спец. “Почвоведение и агрохимия”. М.: Изд-во МГУ, 1983. 320 с.
Дмитриев Е.А. Глава из неоконченной книги “Неоднородность почвы” // Масштабные эффекты при исследовании почв. М.: Изд-во МГУ, 2001. С. 8–38.
Горячкин С.В. Почвенный покров Севера (структура, генезис, экология, эволюция). М.: ГЕОС, 2010. 414 с.
Geypens M., Vanongeval L., Vogels N., Meykens J. Spatial variability of agricultural soil fertility parameters in a gleyic podzol of Belgium // Precision Agriculture. 2004. V. 1. P. 319–326. https://doi.org/10.1023/A:1009977109430
Черепанов С.К. Сосудистые растения России и сопредельных государств (в пределах бывшего СССР). СПб.: Мир и семья, 1995. 992 с.
Понятовская В.М., Сырокомская И.В. Опыт сравнительной оценки участия вида в строении лугового сообщества // Труды БИН АН СССР. Сер. III.Геоботаника. Л.: АН СССР, 1960. Вып. 12. С. 127–139.
Смирнова О.В., Ханина Л.Г., Смирнов В.Э. Эколого-ценотические группы в растительном покрове лесного пояса Восточной Европы // Восточно-европейские леса: история в голоцене и современность / Под ред. Смирновой О.В. СПб., 2004. Кн.1. С. 165–175.
Тиходеева М.Ю., Лебедева В.Х. Практическая геоботаника (анализ состава растительных сообществ). СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2015. 166 с.
McCune B., Mefford M.J. PC-ORD Multivariate Analysis of Ecological Data, Version 6. Gleneden Beach, Oregon: MjM Software Design. 2011. 28 p.
Цыганов Д.Н. Фитоиндикация экологических режимов в подзоне хвойно-широколиственных лесов. М.: Наука, 1983. 196 с.
Грохлина Т.И., Ханина Л.Г. О компьютерной обработке геоботанических описаний по экологическим шкалам // Математическое моделирование в экологии: Мат-лы 4-й нац. науч. конф. с международн. участием. Отв. ред. Комаров А.С. Пущино, 2015. С. 63–64.
Oksanen J., Blanchet F., Friendly M. et al. 2017. vegan: Community Ecology Package. R package version 2.4-4.
Витковская С.Е. Методы оценки неоднородности почвенного покрова при планировании и проведении полевых опытов. СПб.: Агрофизический институт, 2011. 52 с.
Басевич В.Ф., Тетенькин В.Л. Неоднородность подзолистых почв и пестрополье // Вестник Московского ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2010. № 2. С. 35–42.
Лебедева В.Х., Тиходеева М.Ю. О неоднородности лесной и болотной растительности Нижне-Свирского заповедника // Бот. журн. 2017. Т. 102. № 6. С. 746–767.
Тиходеева М.Ю., Лебедева В.Х., Панфиловская К.А. Классификация типов зарастания суходольных лугов // Сборник научных трудов ГНБС. 2016. Т. 143. С. 242–248.
Орлова М.А., Лукина Н.В., Камаев И.О. и др. Мозаичность лесных биогеоценозов и продуктивность почв // Лесоведение. 2011. № 6. С. 39–48.
Роль почвы в формировании и сохранении биологического разнообразия / Отв.ред. Добровольский Г.В., Чернов И.Ю. М.: Тов-во научн. изд. КМК, 2011. 273 с.
Разнообразие почв и биоразнообразие в лесных экосистемах средней тайги / Отв. ред. Федорец Н.Г. М.: Наука, 2006. 287 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.