Введение
Черноземы подвергаются значительной антропогенной нагрузке и, прежде всего, сельскохозяйственному использованию. Степень сельскохозяйственного использования территорий на Северном Кавказе в некоторых районах превышает 80 %, а степень распаханности – 60 %. В первую очередь сельскохозяйственное использование земель приводит к уничтожению степной растительности, обеднению животного мира и изменению почвенного покрова [5]. Интенсивное ведение хозяйственной деятельности, нарушение агротехники, влияние экономических факторов и целого ряда других причин приводят к выведению сельскохозяйственных земель из севооборота. При выводе пахотных земель в залежь на этих участках начинаются сложные процессы демутаций – восстановления естественной растительности и почвенного плодородия после их использования под посевы культурных растений [1,8]. В настоящее время процессы восстановления степных ценозов после длительного периода антропогенного воздействия (возделывание сельскохозяйственных культур) остаются малоизученными. В связи с этим особую актуальность приобретает решение вопросов, связанных с оценкой интенсивности процессов их восстановления.
Целью нашего исследования явилось изучение изменений флористического состава и биологических свойств разновозрастных залежных черноземов Ростовской области.
Объекты и методы исследований
Черноземы занимают обширные площади юга России и составляют главный земельный ресурс сельскохозяйственного производства. Главнейшие обладатели черноземного фонда – Краснодарский и Ставропольский края, Ростовская и Волгоградские области. Черноземы юга России сформированы под степной растительностью. Степи характеризуются неравномерным увлажнением и различным тепловым режимом, что обуславливает различия в почвенном покрове [2,4,5].
В 2012–2013 году был исследован участок степи, представляющий собой памятник природы «Степь Приазовская», расположенный в подзоне разнотравно-типчаково-ковыльных степей рядом с пос. Танаис Мясниковского района Ростовской области. Участок исследования представляет собой серию залежей – пашню, оставленную без сельскохозяйственной обработки в разные годы (в 1930-х гг., в 1986 г., 1996 г.). Каждую отдельную залежь можно принять как определенный этап сукцессии. Кроме этого рядом находится участок пашни УОХ ЮФУ «Недвиговка», от которого и выводились из сельскохозяйственного производства земли. Самый старый залежный участок был исключен из хозяйственного использования 83 года назад и практически восстановил естественную степную флору. Почва – чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на желто-бурых карбонатных суглинках.
Проведенные исследования включали изучение флоры и растительности залежных участков, ферментативной активности почв, содержание гумуса. Повторность опытов – 4-6-кратная. Исследования флористического состава проводились маршрутно-экскурсионным способом и основаны на общепризнанных методиках [7,10]. Списки видов флоры даны по сводке К.С. Черепанова [9]. Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в почвоведении, экологии и биологии методов [6]. Изучена активность ферментов двух классов: оксидоредуктаз (пероксидаза, полифенолоксидаза) и гидролаз (инвертаза). Также исследован важнейший показатель почвенного плодородия – содержание гумуса.
Результаты и их обсуждение
В результате исследований на залежных участках заповедной степи всего было зарегистрировано 109 видов сосудистых растений, принадлежащих к 81 роду, 24 семействам. Спектр ведущих семейств включает 90 видов, что составляет 82,6 % от общ. числа видов флоры и представлен такими семействами, как Asteraceae, Poaceae, Lamiaceae, Brassicaceae и Scrophulariaceae, Boraginaceae и Fabaceae, Euphorbiaceae и Rosaceae, Apiaceae (рис. 1). Однако на залежных участках разных возрастов роль отдельных семейств различна.
Рисунок 1. Систематический анализ флоры залежных участков, с учетом количества особей (%)
На наиболее возрастных залежах (1930-х гг.) ведущую роль в сложении флоры играют такие семейства, как: Asteraceae, Poaceae, Lamiaceae, Fabaceae, Rosaceae и Apiaceae, остальные семейства представлены 1–3 видами. Состав семейства Asteraceae представлен степными видами – Achillea leptophylla M. Bieb. , A. Nobilis L., Achillea setacea Waldst. & Kit., Artemisia austriaca Jacq., Centaurea orientalis L. , C. trichocephala M. Bieb., Galatella linosyris (L.) Rchb., G. villosa (L.) Rchb., Inula germanica L., Tanacetum millefolium(L.) Tzvelev. Злаки (сем. Poaceae ) представлены как корневищными (Festuca regeliana Pavlov , Hierochloe repens (Host) P. Beauv. , Melica transsilvanica Schur ), так и дерновинными видами (Festuca valesiaca Gaudin, Koeleria cristata (L.) Pers., Stipa capillata L., S. lessingiana Trin. & Rupr.). Доминантами растительности на этих участках служили дерновинные злаки Stipa lessingiana Trin. & Rupr. и Festuca valesiaca Gaudin, из злаков меньшую роль играли Stipa capillata L., Melica transsilvanica Schur, Koeleria cristata (L.) Pers. и Elytrigia repens (L.) Nevski. Кроме того, из разнотравья большую роль здесь играют стержнекорневые многолетние травы Medicago romanica Prodan и Salvia tesquicola Klokov & Pobed. и корневищные многолетники Achillea setacea Waldst. & Kit., Artemisia austriaca Jacq. и Lathyrus tuberosus L.
На участках залежи, не используемых с 1986 г., в составе флоры лидируют такие семейства, как Asteraceae, Poaceae, Scrophulariaceae, Brassicaceae и Euphorbiaceae. Отметим, что здесь доминантом является корневищный мезофильный злак Calamagrostis epigeios (L.) Roth. Растительный покров этой части залежи достаточно неоднородный, пятнистый. На отдельных участках значительную роль играют Elytrigia repens (L.) Nevski, Artemisia absinthium L. и Achillea setacea Waldst. & Kit. В составе флоры большую роль играют сорные виды Carduus acanthoides L., C. crispus L., Meniocus linifolius (Stephan) DC., Linaria vulgaris Mill., Senecio jacobaea L., S. vernalis Waldst. & Kit., Veronica polita Fr.
В составе флоры наиболее молодых участков залежи (1996 г.) лидируют такие семейства, как Asteraceae, Poaceae, Scrophulariaceae, Fabaceae, Brassicaceae и Boraginaceae. Во флористическом отношении участки этой залежи достаточно разнородны. На отдельных участках доминирует корневищный злак Melica transsilvanica Schur. Кроме него, в сложении растительности играют и другие корневищные злаки: Calamagrostis epigeios (L.) Roth, Elytrigia elongata (Host) Nevski , Elytrigia repens (L.) Nevski. Отдельными куртинами встречается дерновины Festuca valesiaca Gaudin. Из разнотравья здесь обильны Centaurea diffusa Lam., Lathyrus tuberosus L. , Achillea setacea Waldst. & Kit., Falcaria vulgaris Bernh. Значительно участие сорных видов, например, Avena fatua L., Carduus crispus L., Convolvulus arvensis L., Daucus carota L., Nigella arvensis L.. На этих участках залежи встречается карантинный сорняк Ambrosia artemisiifolia L.
Содержание гумуса – наиболее важный показатель плодородия и экологического состояния почв, определяющий выполнение ею экологических функций. Наибольшее различие в содержании органического вещества наблюдается в верхних горизонтах (рис. 2). В почвах залежи 1930 годов содержание гумуса в 1,5 раза больше по сравнению с другими залежами, а по сравнению с пашней – больше в 3 раза. Эти различия сохраняются до глубины 20–30 см, т.е. в горизонте, подвергающемуся непосредственному воздействию при сельскохозяйственном использовании, ниже отличия незначительные.
Рисунок 2. Содержания гумуса в почвах залежей разных возрастов
Отмечены незначительные отличия инвертазной активности между исследуемыми залежами (рис.3). На пашне её активность ниже, чем на залежах, в 1,5–2 раза. Распределение активности инвертазы по профилю чернозема залежных участков 1930 и 1996 годов отличается более плавным снижением в поверхностных горизонтах по сравнению с залежей 1986 года и пахотного варианта.
Рисунок 3. Активности инвертазы в почвах залежей разных возрастов
Изучение активности пероксидазы и полифенолокидазы в залежных почвах показало их незначительные отличия между исследуемыми залежами, причем наибольшая их активность наблюдается на залежи 1996 года (рис. 4). Активность пероксидазы на пашне выше, чем на исследуемых залежах, на 20–35 %, активность полифенолоксидазы выше на 30–40 %.
Рисунок 4. Активности полифенолоскидазы (А) и пероксидазы (В) в почвах залежей разных возрастов
Что касается профильного распределения, то происходит увеличение активности полифенолоксидазы и пероксидазы с 20 см на всех исследуемых участках, исключение составляет пахотный вариант, где наблюдается её уменьшение. На глубине 50 см активность пероксидазы уменьшается на залежи 1996 года. Из этого следует, что процессы новообразования гумуса и его разложения в почвах пашни протекают намного интенсивнее, чем на залежных участках, что может быть связано с изменением воздушно-теплового режима пахотных почв и с перестройкой микробиоты.
Отношение активности полифенолоксидазы к пероксидазе является условным коэффициентом гумификации (Кгум) и в определенной мере может характеризовать направленность этого процесса [3]. В наших исследованиях этот коэффициент на исследуемых участках варьирует от 0,8 до 1,0, т.е. К гум≤ 1, из этого следует, что процесс минерализации преобладает над процессом гумусообразования, хотя и не на много.
Заключение
Ведущие семейства на исследованных залежах: Asteraceae, Poaceae, Lamiaceae, Brassicaceae и Scrophulariaceae, Boraginaceae и Fabaceae, Euphorbiaceae и Rosaceae, Apiaceae. Однако их роли в составе флоры залежей различны и зависят от их возраста.
Выведение почвы в залежь сопровождается увеличением содержания органического вещества почвы, активности инвертазы, а активность пероксидазы и полифенолоксидазы уменьшается. В почвах пашни процессы новообразования гумуса и его разложения протекают намного интенсивнее, чем на залежных участках, в то же время процесс минерализации преобладает над процессом гумусообразования как в пашне, так и в залежах разных возрастов.
Отмечены незначительные отличия ферментативной активности в залежных почвах. По профилю происходит уменьшение содержания органического вещества и активности инвертазы как на залежи, так и на пашне. Активность пероксидазы и полифенолокидазы вниз по профилю увеличивается на залежных участках, а на пахотном варианте, наоборот, уменьшается.
Исследование выполнено в рамках реализации Программы развития Южного федерального университета (213.01-24/2013-85; 213.01-24/2013-44).
Рецензенты:
Денисова Т.В., д.б.н., профессор кафедры экологии и природопользования ЮФУ, г. Ростов-на-Дону.
Минкина Т.М., д.б.н., профессор кафедры почвоведения и оценки природных ресурсов ЮФУ, г. Ростов-на-Дону.