Поиск

Роль растительности сухих степей в соленакоплении
29.10.2015

Советские исследователи Б.А. Келлер, В.А. Дубянекий, И.В. Ларин, В.А. Ковда, С.В. Зонн, В.А. Леонтьев, Н.И. Базильвич, Б.М. Голуш длительное время изучали роль сухостепной и галофитной растительности в процессах соленакопления.
Отличаясь экологическими и физиологическими потребностями, разные виды растений, естественно, играют различную роль в процессах мобилизации, перераспределения, дифференциации и накопления легкорастворимых, а также малорастворимых веществ органогенного характера. Специальные исследования этого вопроса, проведенные под руководством автора для солонцово-солончаковых равнин Закавказья, Западной Сибири, Поволжья и Средней Азии, позволили установить основные группы этой растительности (табл. 100) в зависимости от их биогеохимической роли.
Мясистые галофиты типа Salicornia herbacea, Halocnemum strobilaсeum, Kalidium caspicum, Petrosimonia brachiata и другие содержат обычно 40—50% золы в пересчете на сухую массу растений. Минеральные вещества золы в этой группе растений представлены главным образом хлоридами и сульфатами натрия. В пересчете на золу сумма хлора, аниона серной кислоты и натрия составляет около 80—85%. Особенно богаты хлоридами опадающие листья и веточки солянок. С учетом ежегодного прироста, опада и возврата минеральных веществ можно считать, что мясистые галофиты вовлекают в поверхностные горизонты почвы 200—500, а иногда и 1000 кг/га легкорастворимых веществ, главным образом хлоридов и сульфатов натрия.
Таким образом, мясистые галофиты играют большую роль в увеличении солесодержания в верхних почвенных горизонтах. На возможную засоляющую роль растений впервые обратил внимание В. Р. Вильямс. Позже исследованиями В.А. Дубянского, С.В. Зонна, А.Г. Гаэля и других было установлено, что некоторые галофиты, в частности черный солончаковый саксаул, не только поддерживают высокую засоленность почв, но и вызывают явления осолонцевания, повышая щелочность, пептизированность и гидрофильность верхнего горизонта почвы.

Роль растительности сухих степей в соленакоплении

Однако нельзя приписывать мясистым галофитам ведущую роль в засолении почвенного покрова. Дело в том, что вся эта группа растений нуждается в близких грунтовых сильноминерализованных водах, которые через капиллярную кайму или непосредственно используются корневой системой галофитов. Обычная глубина залегания грунтовых вод в районах произрастания мясистых галофитов составляет 0,5—1,2 м. В этих условиях минеральное испарение почвенно-грунтовых вод через поверхность почвы приводит к ежегодному сезонному поступлению огромных масс легкорастворимых солей, порядка 50—100 т/га, что во много раз превышает биогенный приток солей в верхние горизонты почвы.
Сопоставляя соотношение двухвалентных и одновалентных металлов в составе золы мясистых галофитов и в почвенно-грунтовых водах солончаков, можно видеть, что в галофитах обычно это отношение увеличено в пользу кальция. Таким образом, в большинстве случаев мясистые галофиты не способствуют явлению осолонцевания почвенных горизонтов, хотя отдельные виды, подобные саксаулу, благодаря выраженному преобладанию в составе золы щелочей над щелочными землями, в состоянии поддерживать солонцовые явления.
Приподнятые и более дренированные равнины сухих степей, полупустынь и пустынь имеют более глубокий уровень грунтовых вод, порядка 5—10 м. В этих условиях формация мясистых галофитов исчезает, растительность обычно представлена полусухими солянками, такими, как камфоросма, шведки, петросимонии, анабазис и др. Полусухие солянки вовлекают в свои ткани значительно меньше минеральных соединений — 20—30% в пересчете на сухую массу. В их составе сульфаты натрия преобладают над хлоридами, в отличие от группы мясистых галофитов, в которых ясно преобладание хлоридов натрия над сульфатами. Полусухие солянки в состоянии вовлекать в ежегодный биологический круговорот до 300—600 кг/га минеральных веществ, представленных главным образом сернокислыми и отчасти хлористыми солями натрия. В этой группе растений констатируется также некоторое увеличение содержания калия и кальция, а также кремнезема.
Несмотря на то, что абсолютная величина количества минеральных веществ, вовлекаемых ежегодно в биологический круговорот полусухими солянками, меньше, чем мясистыми галофитами, следует признать, что относительная роль их в поддержании засоленности почвенных горизонтов своего местообитания значительно выше. Влияние грунтовых вод, находящихся на глубине 5—10 м, на засоление поверхностных почвенных горизонтов ничтожно. Ежегодный приток легкорастворимых солей в почвенные горизонты с капиллярными растворами при глубинах грунтовых вод 5 ж и более практически отсутствует. Биогенный приток солей в верхние горизонты почв здесь, несомненно, выражен сильнее.
Нашими исследованиями было установлено, что при близких грунтовых водах наряду с хлоридами и сульфатами натрия и магния в солончаковых почвах происходит интенсивное накопление сульфатов кальция (до 3—20%). Последующее рассоление подобных солончаков при искусственных мелиорациях или после естественного понижения уровня грунтовых вод обычно не сопровождается развитием солонцового процесса. Это объясняется тем, что природные хлоридно-сульфатные солончаки всегда обеспечены большими запасами гипса, кальций которого тормозит вступление натрия в поглощающий комплекс при рассолении.
При более глубоком залегании грунтовых вод в степных и пустынных условиях (5 ли глубже) растворы сернокислого кальция не достигают поверхностных горизонтов почвы. Биологический же круговорот минеральных веществ, вовлекаемых полусухими солянками, при высоком содержании в составе этих веществ натрия может поддерживать высокую солонцеватость почв сухих степей и пустынь. He исключено поэтому, что повсеместное развитие солонцеватости в почвах полупустынь и пустынь после их отрыва от грунтовых вод частично обязано биологической мобилизации солей натрия.
Третья группа растений сухих степей и пустынь представлена сухими солянками типа Halocharis, Capparis herbacea, Salsola dendroides и др. Содержание золы в пересчете на сухую массу растительности составляет в них примерно 10—15%. Здесь намечается уменьшение доли хлоридов и относительное возрастание доли сульфатов, а также суммы кальция, калия, фосфора и кремнезема.
Наконец, четвертой группой растений, произрастающих в сухих степях и полупустынях, в условиях господства процессов рассоления и при весьма глубоком уровне грунтовых вод (10—20 м), являются многочисленные злаки, бобовые, сложноцветные, различного рода эфемеры и др. В этих группах степных растений содержание минеральных веществ составляет 5—10% в пересчете на сухое вещество. Хлориды и сульфаты натрия в составе минеральных веществ занимают подчиненное место. Большая часть зольных элементов здесь представлена кремнеземом (50—70%), калием, кальцием. В составе золы сумма Ca+2 и K+ заметно превышает сумму Сl- и SO4-2. Здесь же отмечается резкое возрастание содержания соединений фосфора, полуторных окислов и др. При учете биопродуктивности и среднего содержания минеральных веществ в тканях растений можно считать, что ежегодно сухостепная и пустынная растительность в среднем вовлекает на сероземных, каштановых и бурых степных почвах примерно от 100 до 500 кг/га минеральных веществ.
Биологический круговорот минеральных веществ под покровом злаково-разнотравной и эфемеровой растительности не способствует процессам засоления или осолонцевания почв. Наоборот, высокое содержание калия и особенно кальция в составе минеральных веществ приводит к тому, что появление злаково-бобово-разнотравных растительных ассоциаций на месте галофитных способствует ослаблению и исчезновению солонцовых признаков в процессе остепнения солонцовых и такырных почв.
В развитии солонцовых процессов степных равнин огромная роль принадлежит борьбе двух растительных формаций — полынной и злаково-бобово-разнотравной. Необходимо учитывать также роль эфемерной растительности, представленной обычно мятликом (Роа bulbosa), осокой (Carex hostii), видами костра, ячменя, ромашки и др.
Накопилось уже достаточно данных, свидетельствующих о том, что полыни, несмотря на относительно низкое содержание золы, примерно 4—8%, характеризуются относительно высоким содержанием катиона натрия. Еще в 1932 г. В. Францессон привел интересные лабораторные исследования, показывающие, что водная вытяжка из таких растений, как черная полынь (Artemisia pauciflora), морская полынь (Artemisia maritima), прутняк (Kochia prostrata), при фильтрации через образец черноземной почвы способствовала появлению значительных количеств поглощенного натрия и развитию солонцовых признаков. В. Францессон тогда уже пришел к выводу о том, что некоторые растения полупустынь, являются одним из основных факторов развития солонцеватости почв. Последующее изучение минерального состава полыни и прутняка как в Почвенном институте им. В. В. Докучаева, так и в Московском государственном университете подтвердило правильность этого положения.
Все местообитания в полупустынных районах Азербайджана и Поволжья, занятые полынью, обычно характеризуются высокой солонцеватостью почв. В то же время накопились данные, характеризующие почвообразующую роль эфемерных растений в сухой степи, таких, как мятлик луковичный, виды осоки, костров, ячменя b др. Наступание злаково-бобово-разнотравной растительности и вытеснение полыни сопровождается уничтожением признаков солонцеватости и развитием каштановых, буро-степных или сероземных почв.
Надземная сухая масса эфемеровой растительности, использующей в Азербайджане осенне-зимний и ранневесенний вегетационный период, составляет иногда около 50 ц/га. Масса корней также составляет не менее 50 ц/га. Состав минеральных веществ, вовлекаемых эфемерной растительностью в свои ткани, благоприятен для уничтожения солонцовых свойств и развития высокоплодородных почв, свойственных данной зоне. Содержание золы в эфемерных растениях обычно 7— 12%; в составе золы, как правило, преобладают кремний (30—50%) и кальции (12—15%); калий, магний, сера составляют по 3—5% от суммы золы; содержание натрия — 1—2,5%.
Эфемеры вовлекают в биологический круговорот до 1000—1200 кг/га минеральных веществ ежегодно. Роль эфемеров в почвообразовательном процессе вообще еще недостаточно оценена. Состав минеральных веществ эфемеров также играет весьма большую роль в развитии почвообразования и, в частности, в ликвидации солонцовых свойств почв.
К настоящему времени мы имеем данные, характеризующие размеры биологического круговорота и состав минеральных веществ, вовлекаемых в биологический круговорот на сероземных почвах полупустыни и на типичных почвах пустыни — такырах. Растительность сероземов в условиях Южной Туркмении, по исследованиям Н.И. Базилевич, ежегодно вовлекает до 567 кг/га минеральных веществ различного типа (более 70% приходится на долю корней). В составе зольных веществ первое место принадлежит кремнезему (около 25% в пересчете на золу). Большими количествами представлены также окиси кальция, калия и магния (по 12—11% каждый). Содержание натрия крайне невелико, а сумма хлора и сульфат-иона в несколько раз меньше суммы кальция и магния. Наконец, важно отметить значительное количество окислов алюминия (6,6%).
Таким образом, современные растения сероземов Туркмении (Artemisia badghysi, Papaver pavonium, Poa bulbosa, Allium, Tulipa, Bromus ramosus, Eremopyron orientale и др.) способствуют обогащению почвы двухвалентными металлами, соединениями фосфора и калия. Достаточно высокое количество кремнезема и полуторных окислов обеспечивает биогеохимический синтез вторичных глинных минералов. В то же время нужно отметить, что размеры биологического круговорота минеральных веществ под пологом растительности сероземов в 1,5—2 раза меньше, чем в условиях луговой степи.
Еще более сужен размер биологического круговорота минеральных веществ на типичных почвах пустынь — такырах. Такыры, корковые щелочные бесструктурные солончаковые почвы пустыни, как известно, отличаются ничтожным растительным покровом, который при беглом рассмотрении даже не виден. На такырах произрастают лишь единичные эфемеры и некоторые специализированные ксерофиты-галофиты (Malcolmia africana, Matricaria lamelata, Lepidium perfoliata, Allium albanum, Cagea reticulata, Scorzonera tuberosa, Brassica sp.).
Урожай растительной массы на типичных такырах Средней Азии составляет примерно 1—2,5 ц/га. В биологический круговорот минеральных веществ такыровая растительность вовлекает весьма небольшую массу золы, порядка 15—10—5 кг/га ежегодно. При этом около половины приходится на долю корней. Можно видеть, что круговорот минеральных веществ на такыровых почвах сводится к минимуму. Однако и здесь нельзя недооценивать роли этого круговорота.
В составе зольных веществ такыровой разнотравной растительности первое место принадлежит кремнезему (30%) и окислам калия (около 15—25%). Велика доля окислов кальция (около 10—25%) и окислов натрия (около 8—10%). Заметными величинами представлены также анион серной кислоты (10%) и хлор (8%). Окислы калия и натрия вместе составляют около 25—35% от золы. В составе золы растительности такыров значительна доля суммы щелочей. Поэтому растительность такыров благодаря обогащенности щелочами может поддерживать щелочную реакцию и солонцеватость почв.
Однако для оценки почвообразующей роли растительности и, в частности, минеральных веществ, вовлекаемых в биологический круговорот, нужно не столько рассматривать отдельно, изолированно взятый состав минеральных веществ, сколько учитывать направление смены растительных ассоциаций в связи с общим развитием местности. Такыры обычно постепенно зарастают растительностью типа эфемерового разнотравья. Покрытие достигает 5—10%, урожай наземной массы — 5 ц/га, а корней— 10 ц/га. В этих условиях размер биологического круговорота на такырах медленно возрастает до величины 100—150 кг/га. Под влиянием корней, органического вещества, работы землероев и особенно под влиянием минеральных веществ, вовлекаемых в биологический круговорот, происходит постепенное преобразование такыров в почвы, близкие к сероземам.
Итак, намечается различие в роли растительности в степях и пустынях. При общем постепенном поднятии местности, понижении базиса эрозии и уровня грунтовых вод равнин в условиях степей и пустынь наблюдается общее нарастающее рассоление. Смена растительных формаций при этом проходит в направлении от мясистых галофитов к сухим и полусухим галофитам и в дальнейшем к полыням и злаково-бобово-разнотравному сообществу. В этом случае специфические особенности минерального состава различных сменяющих одна другую ассоциаций вначале, на стадии галофитов, поддерживают общую засоленность почв, а на стадии полусухих и сухих галофитов и полыней — явления осолонце-вания; на стадии злаково-бобово-разнотравного сообщества осолонцева-ние сменится процессом остепнения и формирования несолонцовых плодородных почв с развитым поглощающим комплексом и большим запасом элементов минерального питания растений.
Иная роль минерального состава растений при нарастающем постепенном понижении местности и повышении базиса эрозии. В этом случае произойдет постепенное выравнивание рельефа, общее повышение уровня грунтовых вод и приближение его к поверхности, общее развитие процессов соленакопления в ландшафте. Смена растительных формаций, вероятно, пойдет в обратном направлении. Злаково-бобово-разнотравное сообщество будет сменяться галофитами все большей степени выраженности. Естественно, что в этом случае смена растительных формаций будет дополнительно способствовать нарастающей общей засоленности почв. Дерновый процесс почвообразования по мере увеличения степени засоленности субстрата начнет заметно ослабевать. Это объясняется резким снижением производимой фитомассы и особенно очень сильным уменьшением запасов и продуктивности корневой системы (рис. 84).
Роль растительности сухих степей в соленакоплении