Влияние экологических факторов на эволюцию фитоценозов мелиоративных объектов Рязанской Мещеры

Полный текст

Введение Актуальность темы определена решением возникших проблем видового фиторазнообразия в Рязанской Мещере, являющейся частью Мещерской низменности. Мещерская низменность представляет собой пониженную равнину с большими участками заболачивания территории, лежащей в междуречье Оки и Клязьмы. В ее прошлом были залежи торфа, построены предприятия для торфодобычи, но, к сожалению, после прекращения их работы, участки остались без рекультивации [1]. На территории Рязанской Мещеры функционирует несколько мелиоративных объектов, построенных в середине 1950-х гг. с целью осушения торфяных земель и вовлечения их в сельскохозяйственный оборот. Осушительные системы функционируют до сих пор, но находятся в регрессионном состоянии из-за прекращения контроля и ухода за работой всех элементов. Это оказывает, в свою очередь, влияние на фитоценоз территории, которая в прошлом использовалась в качестве кормовых угодий. Большое влияние на формирование и эволюцию луговой растительности на современном этапе оказывает неустойчивая погода. Ежегодно на территории происходит самовозгорание верхнего слоя торфяных почв, в основном природного характера. Цель исследований - анализ климатических особенностей территории Рязанской Мещеры, а также эволюции фитоценозов двух мелиоративных объектов Рязанского и Клепиковского районов Рязанской области. Материалы и методы Объекты исследований - участки лугов на мелиоративных объектах Тинки-II Рязанского района и Макеевский мыс Клепиковского района Рязанской области (рис. 1). Рис. 1. Современный вид магистральных каналов осушительных систем на объектах Тинки-II и Макеевский мыс Figure 1. Modern view of main drainage ditches at the facilities of Tinki-II and Makeevsky Cape Мелиоративный фонд Рязанского района составляет чуть более 16 тыс. га, из них осушенные - 6,178 тыс. га, Клепиковского района - чуть более 20 тыс. га, из них осушенные - почти 15 тыс. га. Объекты исследований выбраны при анализе схожих исторических почвенных и мелиоративных данных. Почва объектов - торфяная низинных болот невысокого уровня плодородия [2], уровень залегания грунтовых вод от 90 до 127 см [3]. Маршрут изысканий составлен в процессе обсуждения и обобщения результатов почвенно-мелиоративного мониторинга, проведенного нами с 2010 по 2020 г. В процессе исследования проводился научный литературный обзор, использовались многолетние отчеты ВНИИГиМ, отдельно рассматривались научные публикации региональных ученых по экологическим, мелиоративным и ботаническим вопросам. Метеорологические данные за многолетний период предоставлены архивом ВНИИГиМ, областной библиотекой имени М. Горького, Рязанским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; проанализированы научные публикации российских и региональных ученых [4-6], обобщены авторские метеоданные при проведении замеров на автоматической метеостанции, установленной на лизиметрической станции в 100 м от мелиоративного объекта Тинки-II [7]. Изучение флоры проводилось на двух мелиоративных объектах в течение десяти полевых сезонов с 2010 по 2020 г. с конца апреля по сентябрь традиционным маршрутно-рекогносцировочным методом в сочетании с выборочным обследованием экотопов при организации участков обследования площадью 100 м2, составлением флористических списков, сбором 200 листов гербария [8]. Жизненная форма устанавливалась по методике И.Г. Серебрякова. Были определены экологические группы растений луга по отношению к воде и пище с использованием классификаций А.П. Шенникова, Д.Н. Цыганова и других исследователей. «Активность видов» в представлении Б.А. Юрцева рассматривалась как превосходство видов растений-доминантов в данных ландшафтно-климатических условиях с дальнейшим сравнением по 5-балльной таблице, усовершенствованной А.В. Чичевым. Для флористического сравнению смежных участков луга подсчитан коэффициент Жаккара [9]: Kj = ca + b - c, (1) где a - число видов в одной флоре; b - число видов в другой флоре; c - число видов, общих для двух флор. Пределы коэффициента - от 0 до 1. Если Kj = 1 обозначает полное сходство флор, то Kj = 0 свидетельствует об отсутствии схожих видов. Результат умножали на 100 %. При изучении лугового фитоценоза характеризуются следующие признаки его структуры: - видовой состав - список видов растений на s (площадь), первоначально фиксируются наиболее распространенные виды; - ярусность - надземная высота растений с выделением четырех видов; - высота - биометрические измерения по Лакину с последующей статистической обработкой; - жизненность - степень развитости вида, фиксируемая по 3-балльной шкале. В заключение определялось название ассоциации по преобладающим видам и группам растений. Результаты исследований подвержены математической обработке на компьютерной программе STATISTIС 10. Результаты и обсуждение На развитие фитоценозов в основном влияют два экологических фактора: природный и антропогенный. К природному фактору относится климат. На территории Мещерской низменности он умеренно-континентальный с холодной зимой и умеренно теплым и часто засушливым летом. Рязанская область находится в южной части Нечерноземной зоны, которая, согласно почвенно-географическому районированию, размещается в бореальном поясе [7]. Важную роль в формировании климата играет барометрическая ось континента, проходящая от г. Уральска через Воронежскую и Харьковскую области к Средней Бесарабии. Барометрическая ось играет роль ветро- и климатораздела. Безморозный сезон характерен с середины весны. Снеготаяние часто происходит после 2/3 марта. В это время поднимается уровень грунтовых вод. Среднемноголетняя температура июля составляет около +18 оС, но температура в отдельные дни может подниматься до +41 оС. Теплый период года длится не более 218 сут. Среднемноголетняя температура января опускается не ниже -11 оС, хотя показатель может опускаться в отдельные годы до -45 оС. В зимнее время устойчивый снежный покров имеет высоту до 30 см. По количеству осадков регион относится к зоне неустойчивого увлажнения [2]. Засухи атмосферного воздуха и почвы наблюдаются до 70 % лет, из них в 20 % лет бывает до 10 дней с мощными засухами. В среднем выпадает до 450 мм с колебаниями в отдельные годы. Максимум был отмечен на значении 96 мм в сутки. Нужно также отметить ливневый характер осадков в летнее время. Коэффициент увлажненности (ГТК) за май - сентябрь равен 0,9-1,4. Анализ динамики ГТК Селянинова показал, что усиление засушливости весной и летом - актуальная проблема последних 30 лет (рис. 2). Рис. 2. Количество засушливых лет, % Figure 2. Number of dry years, % На территории Рязанской Мещеры эффект «островов тепла» не наблюдается из-за отсутствия высоких строений, имеющихся, например, в городской черте, что не вызывает значительного снижения интенсивности циркуляции конвекционных потоков воздуха. Но значительно - на 20 % по сравнению с городским ландшафтом - увеличено горизонтальное движение воздушных масс и уменьшено восходящее движение, напоминающее бриз. Слабая аэродинамическая шероховатость подстилающей поверхности и отсутствие «островов тепла» определяют особенности ветрового режима территории, создание выраженного микро- и мезорельефов, заметное увеличение скорости ветра, чаще западного, юго-восточного направлений. Суммарная солнечная радиация составляет до 95 ккал на 1 см2/год и в большей степени зависит от облачности, содержащихся в атмосфере паров и пыли. До 57 ккал на 1 см2/год поступает фактически. Территория объектов находится в зоне с большим распределением тепла на испарение и меньшим на нагревание. Режим солнечной радиации влияет на циркуляцию атмосферы. Территория Рязанской Мещеры круглый год находится под воздействием различных воздушных масс. Атмосферные фронты часто сменяют друг друга, а со стороны Атлантического океана приходят циклоны. Влажность атмосферного воздуха летом часто в дефиците. Зимой парциальное давление может достигать 2,8 гПа, летом - 14,9 гПа, среднегодовое значение - 7,8 гПа. Средняя годовая относительная влажность воздуха составляет 77 %. Снежный покров появляется в среднем в первой декаде ноября. Крепкий снежный покров образуется в первой декаде декабря, полное стаивание выявлено в третьей декаде марта. Сходит снежный покров в первой декаде апреля. Насчитывается до 113 дней со снежным покровом. Следует отметить и наличие несоответствий в погоде в некоторые годы. Так, 2010 г. имел продолжительный период сильной жары с конца июня до середины августа. По захвату территории и сроку действия жара не имела аналогов за более чем вековую историю наблюдений погоды. Подобная ситуация была зафиксирована в Рязанской Мещере в 1972 г., когда на протяжении практически всего лета средние значения температурной нормы были превышены на 4 оС против 7,5 оС в 2010 г. Решающее значение в проявлении пекла принадлежит блокирующему антициклону, который распространился до 16 км в радиусе, с повторяемостью до 1 %, по продолжительности жизни свыше 15 сут. Ожидание его быстрого спада не привело к положительному итогу: он функционировал 55 сут., то есть был сильнее антициклона лета 1972 г. По данным климатологов, потепление климата, о котором говорится последнее время довольно часто, не превысило 20 % в резких температурных колебаниях [3; 7; 10]. Такое долгое удержание антициклона проявлялось высокими температурами и сильной засухой, что и послужило причиной лесных и торфяных пожаров и, как следствие, задымления воздуха на больших расстояниях. К примеру, следствие пожара в виде загрязнения атмосферного воздуха торфяными частицами и дымом в Рязанской Мещере, точнее в п. Полково, ощущалось на расстоянии более 40 км. В то время был объявлен режим чрезвычайной ситуации. Сопутствующим фактором оказалось отсутствие испарения и конденсации, что прогревало воздух вблизи поверхности земли сильнее. К тому же у земли был в эти дни либо штиль, либо слабые ветры переменных направлений, и вновь поступающие воздушные массы, медленно перемещаясь, быстро трансформировались над раскаленной и высушенной подстилающей поверхностью. В конце июля - начале августа сформировалась новая локальная воздушная масса с аномально высокими температурами воздуха, мощными приземными инверсиями, сильно загрязненная продуктами горения от полыхавших лесных и торфяных пожаров. Такая синоптическая ситуация способствовала накоплению всех загрязняющих веществ в самом нижнем слое и резкому подъему концентраций загрязняющих веществ в воздухе. Лето 2010 г. было более чем на 20 дней дольше обычного (+2,9σ), температурная аномалия привела к экологическим негативным последствиям, что выразилось в ухудшении роста и развития и даже гибели растений и животных. Последствия аномального 2010 г., на наш взгляд, не проходят быстро. Помимо летних месяцев, много солнечных дней зафиксировано в первые два осенних месяца. Так, развитие осенних процессов наблюдалось с задержкой примерно на 3-5 сут., что сразу увеличило эти показания на 22 %. К примеру, количество дней с повышенной среднемесячной температурой воздуха и бездождливых солнечных дней в первый осенний месяц отмечалось больше на 11 %, а во второй - на 3 %, что позволило отсрочить листопад на 3-6 сут. [2; 6]. Конечно, на климат Рязанской Мещеры оказывает влияние и антропогенный фактор, выраженный осушительной мелиорацией на бывших низинных торфяниках, с середины 1950-х гг. на территории было развито луговодство. Сейчас эти земли не используются, хотя их потенциал высокий. Следует отметить, что и этот фактор уже можно отнести к природному из-за нарушения работы осушительных систем. С конца 1990-х гг. на них не ведутся восстановительные работы, а по результатам почвенно-экологического мониторинга выявлены деградационные процессы с присутствием вторичного заболачивания. Итак, по результатам анализа тепловлагообеспеченности по годам в динамике сделан вывод о частом проявлении засух и жары, безветрия, что подтвердило ранее опубликованные результаты наблюдений профессора Р.Н. Ушакова [2]. При изменяющихся условиях внешней среды в процессе эволюции естественна адаптация к ним луговых трав. При перестройке климатической системы, подчиняющейся естественным климатическим циклам, в зависимости от ее глубины происходит ответный отклик всего растительного сообщества или его отдельных внутренних ассоциаций и индивидуумов. Коэффициент Жаккара составил на первом объекте 74, на втором - 68. На мелиоративном объекте Тинки-II степень покрытия равна примерно 99 %. Количество видов 65. Высота растений составляла от 20 до 120 см. Выявлены растения-доминанты: пырей ползучий (Elytrígia répens) и лисохвост луговой (Alopecúrus praténsis) с частой встречаемостью и высокой степенью обилия, крапива двудомная (Urtíca dióica) встречалась часто с высоким обилием. Главенствовали такие длиннокорневищные и рыхлодерновинные злаки, как Bromopsis inermis, Dactylis glomerata, Festuca pratensis, Phleum pratense, Роа pratensis, входящие в группу мезфилов. Много выявлено и бобовых трав: Lathyrus pratensis, Medicago falcata, Trifolium pratense, Vicia cracca, и разнотравья разных семейств: Ranunculus acris, Alchemilla vulgaris, Geranium pratense, Plantago media, Galium mollugo, Campanula patula и др. На участках с близким залеганием грунтовых вод в зависимости от обеспеченности почвы питательными веществами сформировались участки с Deschampsia caespitosa, Festuca rubra, Nardus stricta, Carex nigra, Geum rivale, Potentilla erecta, Hypericum maculatum, Gentiana pneumonanthe, Melampyrum pratense [7]. Ярусность проявлена нечетко и отнесена к I и II видам. Жизненность соответствовала 3 баллам, что характеризовало растения как нормально развивающиеся. Почва влажная. Акцент зеленый. Название ассоциации Elytrígetum urtícetosum. На мелиоративном объекте Макеевский мыс доминировали гигрофиты: злаки Alopecurus pratensis, Dactylis glomerata, Glycеria mаxima, ползучекорневищный злак Festuca pratensis, предпочитающие более влажные почвы, часто встречались мезофиты Agrоstis gigаntea и бобовые Medicago sativa, из разнотравья - Maianthemum bifolium, Nardus stricta, Carex nigra и др. Количество видов 48. Покрытие не превышало 88 %, причем выявлено, что более высокорослые растения одного вида (например, Glycеria mаxima) произрастали ближе к магистральному каналу. Невзирая на заиливание канала и зарастание кустарниковой растительностью по ходу движения воды в нем, травы имели высоту до 110 см, что больше по сравнению с 10-метровой удаленностью от него на 25-30 %. Ярусность отнесена к I-III видам, то есть от высокорослых растений до низкотравья, больше проявленного в удаленности от магистрального канала. Жизненность характеризовалась от 3 до 2 баллов с цветением не всех экземпляров, что, по нашему мнению, было следствием избыточного увлажнения почвы. Почва влажная. Акцент желто-зеленый. Название ассоциации дано по доминанту Festuca pratensis (овсяница луговая) и субдоминанту Solidago virgaurea (золотарник обыкновенный). Особо надо отметить измененный акцент лугов мелиоративных объектов в 2010 г. (когда нами начат почвенно-экологический и фитосоциологический мониторинг) - серо-зеленый, что связано с изменением водного режима территорий, дефицитом влаги в почве и атмосферном воздухе и подсыханием нижних ярусов листьев. УГВ при измерении обнаружен на рекордно низкой глубине 180-220 см от дневной поверхности. Количество видов 38-42. Высота растений не превышала 50-60 см. Покрытие составляло 80-85 % при наличии сухих «медальонов». Из доминирующих злаков, в частности в 2011 г., то есть через год после аномального по засухе и жаре лета, надо отметить часто встречающиеся из мезофитной и даже ксерофитной групп: Phragmítes austrális, Alopecurus pratensis, Dactylis glomerata и др. Заключение Обобщая вышеизложенное, следует отметить лимитирующее действие на рост и развитие луговых трав погоды, в частности температуры и осадков. Климатические условия Рязанской Мещеры при проведении мелиоративных мероприятий позволяли получить достаточное количество луговых трав, используемых в прошлом на корм скоту. После 1990-х гг. ситуация изменилась из-за прекращения финансирования на уход и ремонт осушительных систем. Сейчас развивается тенденция ухудшения мелиоративных свойств почвы мелиоративных объектов Тинки-II и Макеевский мыс, что сказывается на условиях нормального произрастания растений. Несмотря на высокую степень покрытия почвы (88-99 %) и высокую численность растений, количество видов на обследуемых площадях невысоко - 48-65, что свидетельствует об изменении в первую очередь водного режима территорий. Начинают преобладать растения-доминанты и эдификаторы - водолюбивые злаки, выдерживающие высокую влажность почвы вблизи магистральных каналов, с заменой на мезофильные травы к центру участков обследуемых лугов.

Об авторах

Ольга Алексеевна Захарова

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

Автор, ответственный за переписку.
Email: ol-zahar.ru@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0933-0714

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры агрономии и агротехнологий

Россия, 390041, Рязань, ул. Костычева, д. 1

Дмитрий Евгеньевич Кучер

Российский университет дружбы народов

Email: kucher-de@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-7919-3487

кандидат технических наук, доцент агроинженерного департамента, Аграрно-технологический институт; заместитель директора по инновационной деятельности и стратегическому развитию, Институт экологии

Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Фаррух Атауллахович Мусаев

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

Email: farruh.musaev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8414-4890

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции

Россия, 390041, Рязань, ул. Костычева, д. 1

Константин Николаевич Евсенкин

Всероссийский НИИ гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова

Email: kn.evsenkin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0194-8552

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

Россия, 127550, Москва, ул. Большая Академическая, д. 44, корп. 2

Список литературы