Способ фитоиндикации пастбищной деградации средневозрастных степных юго-восточных залежей

Изобретение относится к вопросам геоботаники, охраны окружающей среды, рационального природопользования и может быть использовано в биоиндикации процессов восстановления растительности средневозрастных залежей после пастбищной деградации. Способ характеризуется тем, что определяют появление в фитоценозах определенных видов растений: исходное растительное сообщество представлено ассоциацией типчаково-ветвистовострецовой - типчак (Festuca valesiaca Gaudin) + вострец ветвистый (Leymus ramosus (Trin.) Tzvel.); первая стадия пастбищной деградации представлена ассоциацией вострецово-австрийскополынной - вострец ветвистый (Leymus ramosus (Trin.) Tzvel.) + полынь австрийская (Artemisia austriaca Jacq.); вторая стадия пастбищной деградации представлена ассоциацией австрийскополынно-изеневой - полынь австрийская (Artemisia austriaca Jacq.) + изень (Kochia prostrata (L.)). Обеспечивается повышение точности и быстроты определения пастбищной деградации.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к вопросам геоботаники, охраны окружающей среды, рационального природопользования и может быть использовано в процессах восстановления залежной растительности под влиянием выпаса скота на темно-каштановых глинистых солонцеватых почвах, стадии которого можно установить по видам-индикаторам. Среди степей особую значимость представляют средневозрастные степные юго-восточные залежи, поэтому их сохранение от воздействия пастбищной деградации весьма актуально.

Изобретение предназначено для использования в полевых научно-исследовательских работах при исследовании состава, структуры и закономерностей распределения степных растительных сообществ средневозрастных залежей под влиянием выпаса, для предупреждения образования антропогенных пустырей, для разработки методов регенерации степных фитоценозов средневозрастных залежей после пастбищной деградации.

Многие геоботаники и луговеды Б.А.Келлер (1929), Л.Г.Раменский (1938, 1977), К.М.Залесский (1956), Н.С.Казанская (1965, 1988), работавшие над вопросами пастбищной регрессии, установили, что изменение травостоя под влиянием пастьбы проходит через определенные стадии дегрессии, но они были более или менее устойчивы для каждого конкретного района, со свойственными ему особенностями растительного покрова и экологических условий.

Восстановление растительных сообществ в степных юго-восточных залежах идет длительное время, а под влиянием выпаса этот процесс замедляется или прекращается, приводя растительность средневозрастных залежей в стадию - антропогенные пустыри. Все сказанное свидетельствует о необходимости разработки способов ранней и точной ее фитоиндикации, деградации растительных сообществ, так как одной из задач степного природопользования является сохранение степного биоразнообразия, что способствует оптимизации залежного землепользования.

Таким образом, заявляемый способ актуален и предназначен для оценки состояния растительного покрова средневозрастных залежных земель под влиянием выпаса скота.

Уровень техники

Известны различные методы геоботанических исследований.

Методы оценки проективного покрытия детально разрабатывались Л.Г. Раменским (1977). Величина проекций надземных частей растений служит показателем борьбы растений за свет (поскольку проекция зеленых частей соответствует площади светопользования этих растений), а также за влагу, питательные вещества и пространство. Эта величина показывает роль данного вида в процессе ассимиляции, а следовательно, и в круговороте веществ. Она зависит от ярусного положения растений данного вида, его принадлежности к той или иной жизненной форме, от его жизненности и т.д. Для того чтобы проективное покрытие могло быть определено с достаточной точностью (±5% для травостоя в целом, 10-20% для «массовых видов» и более грубо для единичных видов), Л.Г. Раменский предложил сеточки и мерные вилочки. Передвигаясь с место на место и держа сеточку перед собой, наблюдатель мысленно скучивает проекции и подсчитывает, какое число ячей занято проекциями. Зеркальная сеточка позволяет учитывать снизу вверх проекции крон деревьев или проективное покрытие таких мощных растений, как тростник. Мерные вилочки осторожно заводят в травостой в горизонтальном положении: они позволяют оценить площадь проекции отдельных розеток и латок растений, поскольку площадь, заключенная между отдельными зубцами, соответствует долям процента или процентам общей площади пробы, а площадь вилочки в целом равна проценту или нескольким процентам площади пробы.

Помимо оценки проективного покрытия в процентах применяют различные шкалы с балльной оценкой этой величины. Наиболее широко распространена шкала, имеющая десять градаций степени проективного покрытия: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100%. Глаз человека вполне может определить степень проективного покрытия с точностью до 10%. Широкое распространение получила шкала Хульта-Сернандера:

5 - степень проективного покрытия от 100 до 50%;

4 - степень проективного покрытия от 50 до 25%;

3 - степень проективного покрытия от 25 до 12,5%;

2 - степень проективного покрытия от 12,5 до 6,25%;

1 - степень проективного покрытия ниже 6,25%.

Первый способ обозначения с десятью ступенями предпочтительнее, так как в этом случае все ступени равноценны.

Недостатком методов является то, что учет проективного покрытия и различные шкалы не дают объективной оценки пастбищной деградации средневозрастных степных юго-восточных залежей, могут не учитываться виды, определяющие особенности фитоценоза.

Существуют три метода учета особенностей, характеризующих обилие вида:

1. На пробных площадях большого размера, закладываемых обычно по одной в фитоценозе. Размер пробной площади не может быть меньше так называемой площади выявления фитоценоза, т.е. той наименьшей площади, на которой выражены все существенные признаки и особенности фитоценоза. В тех случаях, когда площадь фитоценоза меньше площади выявления, ее описывают целиком (учет на естественных участках).

2. На многочисленных пробных учетных площадках, закладываемых в пределах пробной площади или всего фитоценоза и представляющих выборку из целого.

3. Без учетных площадок, путем взятия образцов или промеров на площади фитоценоза.

Недостатком этих методов является то, что обилие вида не является основным и значительным признаком, характеризующим пастбищную деградацию средневозрастных степных юго-восточных залежей.

Следует различать следующие особенности характера размещения вида (Раменский, 1977):

- степень неравномерности, т.е. наличие или отсутствие у одного вида разных способов размещения в данном фитоценозе - и рассеянных особей, и маленьких групп, и больших групп;

- величину (диаметр) зарослей - среднюю, наибольшую и наименьшую;

- чистоту зарослей - степень внедрения в них других растений;

- их густоту, сомкнутость (несомкнутые «группы» и более или менее сомкнутые «заросли»);

- резкость их отграничения;

- форму зарослей (изодиаметрическая или вытянутая);

- происхождение (семенное, вегетативное, остатки прежнего сплошного покрова данного вида).

Недостаток метода в том, что такая дифференцировка характера размещения видов применима только при детальном описании растительных ассоциаций, при маршрутных исследованиях неприменима.

При исследовании растительной массы, получаемой на пастбищах, учитываются: общий характер фитоценоза, абсолютная продукция, абсолютный запас растительной массы, ботанический состав фитоценоза, в частности количество растений, хуже и лучше поедаемых скотом, растений непоедаемых и ядовитых, сроки использования угодья, способ выпаса, вид выпасаемого животного.

Для этого необходимо производить разбор по видам с целью выявления ядовитых и малосъедобных растений, учитывать высоту, которая подгрызается разными видами скота, то или иное растение; вести наблюдение над приростом трав после поедания их в различные сроки; определять наилучшие сроки выпаса, а также допустимую нагрузку скота и пр. При выпасе скота в полученную величину растительной массы следует ввести поправки (Ларин, 1967): на недостаточную величину учетной площади, на время пастьбы, прибавку на отаву, на высоту скусывания трав животными. Вводят поправки на затаптывание и загрязнение растений экскрементами животных, на процент поедаемых частей от валового веса каждого вида растений, на несъедобные растения и т.д.

Для характеристики каждого типа пастбища достаточно 15-20 пробных площадок, а в наиболее сложных травостоях - 30 на каждом участке. Существуют упрощенные методы оценки состава травостоя (Ларин, 1967). Скошенный образец в лаборатории делят на 10 равных частей. Долю каждой части оценивают в 10 баллов. Эти 10 баллов распределяют на глаз между видами, входящими в состав данной части. Так как частей 10 и каждая часть оценена в 10 баллов, общее число баллов составляет 100. Поэтому, складывая количество баллов, полученных каждым видом по всем десяти частям образца, получают процентное участие данного вида в травостое. Этот метод дает достаточно точные результаты.

В геоботанические исследования входит не только определение качества пастбища, но и выяснение его емкости, т.е. способности прокормить какое-то количество скота без ухудшения состояния пастбища. Для расчета емкости нужно знать общую валовую урожайность пастбища, коэффициент его рационального использования, суточную потребность в корме одной головы скота. Коэффициентом рационального использования называют часть растений, которая может быть стравлена скотом без ущерба для поддержания высокой продуктивности пастбища. Коэффициент рационального использования определяют путем наблюдений и опытных исследований. Важно определить коэффициент рационального использования так называемых ключевых видов, которые дают поедаемый и питательный корм, встречаются чаще других видов, имеют повышенный коэффициент рационального использования и служат индикаторами утилизации данной площади. Емкость пастбища рассчитывают по формуле:

Е - емкость пастбища, А - количество растительной массы в период использования пастбища (кг/га), Б - коэффициент рационального использования, В - площадь пастбища (га), П - суточная потребность в корме одной головы данного вида скота (кг).

Качество пастбища связано также со сроками его использования, способом выпаса скота (вольный выпас, загонный выпас и т.д.), с видом выпасаемого животного, с нагрузкой на пастбище и т.д. Возможности использования того или иного угодья под пастбище зависят не только от свойств растительного покрова, но и от механического состава почв (на почвах легкого механического состава - пески, супеси - выпас должен осуществляться лишь в очень незначительном объеме и в то время, когда почва наиболее увлажнена или промерзла, иначе может начаться эрозия), от степени увлажнения почв. На сильно увлажненных глинистых почвах выпас может привести к образованию кочек и последующему заболачиванию.

Для изучения подземных частей растений выкапывают почвенную яму. В ее отвесной стене вырезают монолит, подразделяют его на части по слоям (например, 0-10, 10-20, 20-30 см и т.д.) или по генетическим горизонтам почвы, отмывают корни при помощи сит и взвешивают в сыром (удалив воду фильтровальной бумагой), воздушно-сухом или абсолютно сухом виде. Различают следующие конкретные количественные показатели продукции: общую первичную продукцию (П_общ) чистую первичную продукцию - прирост (П_ч), продукцию веществ опада (П_оп), продукцию вещества, используемую гетеротрофными организмами (П_г), продукцию вещества, используемую на дыхание и процессы роста автотрофных организмов (П_д). Отношение между этими величинами выражаются формулой

П_общ=П_ч+П_оп+П_г+П_д

Общая первичная продукция П_общ - суммарное увеличение (приращение) фитомассы сообщества (или популяции вида) за единицу времени (год, вегетационный период, сутки) на единицу площади (га, м²), включая вещество, затраченное на дыхание и процессы роста, а также количество вещества опада и вещества, отчужденного гетеротрофными организмами.

Первичная продукция растительного сообщества и популяций отдельных видов - прирост органической и неорганической массы растительного сообщества и популяций отдельных видов за единицу времени на единицу площади с включением вещества, использованного гетеротрофными организмами, и вещества выделенного корнями и надземными частями растений, но за вычетом трат на дыхание и процессы роста. Чистая первичная продукция - неттопродукция растительного сообщества или популяции вида - фактическое приращение фитомассы (прирост) за определенный промежуток времени на единицу площади, т.е. общая первичная продукция растительного сообщества или популяции вида за вычетом вещества, использованного гетеротрофами, вещества, использованного на дыхание и процессы роста, и веществ, выделенных корнями и надземными органами растений. Опад - отмершая первичная продукция - количество органического вещества растений, отмершего в течение определенного времени в надземной и подземной частях сообщества на единицу площади, занимаемой растительным сообществом. Корнепад обозначает количество отмерших корней и подземных побегов за определенное время на единицу площади. Подстилка - многолетние отложения растительных остатков на поверхности почвы различной степени минерализации (аналог для степных сообществ - войлок).

Недостатками данных методов являются высокая трудоемкость, затратность, длительность при определении показателей продукции, при изучении подземных частей растений, при определении емкости пастбища - все эти данные демонстрируют лишь общие признаки без учета особенностей динамики пастбищной деградации средневозрастных степных залежей.

Все эти недостатки заставляют искать более доступный, легкий в исполнении, дающий быстрый способ определения фитоиндикации пастбищной деградации средневозрастных степных юго-восточных залежей.

Результаты исследований по фитоиндикации пастбищной деградации средневозрастных степных юго-восточных залежей необходимо применять в целях восстановления степных фитоценозов Южного Урала. В Оренбургском Зауралье уже применяют результаты наших работ в целях регенерации степных растительных сообществ залежей после пастбищной деградации.

Новизной заявляемого способа является то, что впервые для оценки пастбищной деградации залежной растительности Оренбургского Зауралья выявлены виды-индикаторы, по которым можно оценить степень деградации средневозрастных степных юго-восточных залежей.

Подводя итог данному разделу описания изобретения, следует указать, что заявляемый способ не известен из уровня техники, т.е. является новым.

Сущность изобретения

Основной задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является повышение точности и быстроты определения стадий пастбищной деградации средневозрастной залежной растительности Оренбургского Зауралья.

Используемое техническое решение предлагается впервые в геоботанических исследованиях (маршрутных рекогносцировочных, детально-маршрутных, стационарных), т.к. в качестве определения стадий пастбищной деградации залежной растительности Оренбургского Зауралья на темно-каштановых солонцеватых маломощных глинистых, тяжелосуглинистых почвах используются виды-индикаторы, а именно предлагается использовать определенные виды растений, доминирующие в стадиях пастбищной деградации залежной растительности.

Решение поставленной задачи стало возможным благодаря тому, что в настоящее время накоплено достаточно данных о том, что в зависимости от физико-географических условий определенного региона, района, провинции в фитоценозах залежей, подвергшихся пастбищной деградации, преобладают различные виды-индикаторы.

Все это позволило предположить, что в растительном покрове средневозрастных залежей, подвергшихся пастбищной деградации, Оренбургского Зауралья в разных стадиях дегрессии будут доминировать определенные виды-индикаторы.

Опытное обоснование видов-индикаторов в растительном покрове средневозрастных залежей, подвергшихся пастбищной деградации Оренбургского Зауралья

Изучение видового состава сосудистых растений залежных земель, подвергшихся пастбищной деградации, Оренбургского Зауралья позволило определить виды-индикаторы для выявления закономерностей восстановления степного биоразнообразия и оптимизации степного природопользования.

Сущностью заявляемого способа, сформулированного на основе геоботанических исследований в Оренбургском Зауралье по изучению видового состава сосудистых растений, растительного покрова залежей, подвергшихся пастбищной деградации, является следующее:

- виды-индикаторы пастбищной деградации средневозрастных залежей являются наиболее информативным параметром, позволяющим осуществлять геоботанический мониторинг растительности по оптимизации залежного землепользования и регенерации растительных сообществ залежей в условиях пастбищной деградации.

Соответственно, при реализации заявляемого способа оценки стадий пастбищной деградации средневозрастных залежей, закономерностей восстановления на основе видов-индикаторов представляется следующим образом:

На первом этапе проводится общая геоботаническая характеристика обследуемой территории. Получают материалы, характеризующие главные черты флоры и растительного покрова, выделяются районы, различные в геоботаническом отношении.

На втором этапе проводится полная флористическая и фитоценологическая характеристика залежной растительности, подвергшаяся пастбищной деградации, которая сопровождается картой их размещения и количественным учетом занятых ими площадей.

Для этого должна быть заложена серия маршрутов по изучаемой территории и проведено их сплошное и равномерное обследование. На геоботанической карте должна быть детальность и достоверность технического отображения выделенных в природе контуров, определенная степень полноты изучения растительного покрова в поле.

Составляются геоботанические карты масштаба от 1:10000 до 1: 50000. Должна быть заложена густая сеть маршрутов со средним отстоянием друг от друга от 200 до 1000 м, почти каждый выделенный контур посещается в натуре и характеризуется полным или сокращенным описанием. Отчетливо показываются ассоциации или группы ассоциаций; стадии смен коренных фитоценозов, происходящие под влиянием, как естественных причин, так и антропогенных факторов.

На третьем этапе проводится анализ флоры залежей, подвергшихся пастбищной деградации, и выявляются виды, являющиеся индикаторами различных стадий пастбищной деградации. Исследования производятся на небольших площадях и охватывают специально выбранные и наиболее характерные для данной территории фитоценозы; они должны отражать как зональные особенности территории, так и типичные для нее экологические варианты растительных сообществ. При выборе пробных площадей должны учитываться следующие признаки: сходный характер рельефа, однородность почвообразующей горной породы, почвы, залегание грунтовых вод, сходство растительного покрова по составу, строению, физиономичности, однородности по своей культурной истории и состоянию (расчистка из-под леса, пастбище определенной степени использования). При этом пробная площадь должна отличаться от площадей смежных фитоценозов, отличия должны быть хорошо экологически объяснимыми, закономерными.

Для определения размера пробной площади необходимо учитывать, что

а) пробная площадь должна быть не меньше площади выявления;

б) чтобы чрезмерно не увеличивать трудоемкость работ, эта площадь не должна превышать размеров, гарантирующих принятую точность исследований. Травяная растительность степей 10×10 м² (1 ар). Для повышения точности описания видов нужно разделить пробную площадь на четыре отдельно учитываемых квадрата, внутри которых по отдельности составляется описание и определяется обилие видов.

Исходное растительное сообщество на темно-каштановых среднесуглинистых солонцеватых почвах представлено ассоциацией типчаково-ветвистовострецовой. Leymus ramosus (Trin.) Tzvel. + Festuca valesiaca Gaudin. Видами-индикаторами являются: типчак и вострец ветвистый.

Первую стадию пастбищной деградации на средневозрастных залежах образует вострецово-австрийскополынная ассоциация. Artemisia austriaca Jacq. + Leymus ramosus (Trin.) Tzvel. Видами-индикаторами являются: вострец ветвистый и полынь австрийская.

Видами-индикаторами на второй стадии пастбищной деградации средневозрастных залежей являются следующие виды растений: изень (кохия простертая) и полынь австрийская. Доминирующая ассоциация австрийскополынно-изеневая Kochia prostrata (L.) Schrad.+Artemisia austriaca Jacq.

Последняя стадия пастбищной деградации на средневозрастных залежах представляет собой антропогенные пустыри.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Опытное обоснование факта видов-индикаторов в растительном покрове на средневозрастных залежах, подвергшихся пастбищной деградации, Оренбургского Зауралья осуществлялось на основе геоботанического мониторинга растительности залежей с.Караганда Домбаровского района, с.Еленовка Ясненского района, с.Таналык, с.Уртазым Кваркенского района, с.Акжар Адамовского района, п.Светлый Светлинского района.

На основе флористического и фитоценологического анализов следует сделать заключение о том, что если исходное растительное сообщество представлено типчаком вострецом ветвистым, то в первой стадии пастбищной деградации будут видами-индикаторами: вострец ветвистый и полынь австрийская, на второй стадии - полынь австрийская и изень (кохия простертая), при чрезмерном использовании растительный покров уничтожается и образуются антропогенные пустыри.

В заключение следует отметить, что виды-индикаторы средневозрастных залежей, подвергшихся пастбищной деградации, являются наиболее информативным параметром, позволяющим осуществлять геоботанический мониторинг растительности по оптимизации залежного землепользования.

Литература.

1. Алехин В. В. Методика полевого изучения растительности и флоры. М.: Наркомпрос, 1938, с.208.

2. Алехин В.В. Теоретические проблемы фитоценологии и степеведения. М.: Наука, 1986, с.600.

3. Горчаковский П.Л., Рябинина З.Н. Степи южной части Оренбургской области /Урало-Илекское междуречье/ В кн.: Растительные сообщества Урала и их антропогенная деградация. Свердловск: АН СССР. Уральский научный центр, 1984, 3-64 с.

4. Дзыбов Д.С.Основы биологической рекультивации нарушенных земель. Метод указания. Ставрополь: 1994, с.58.

5. Залесский К.М. Залежная и пастбищная растительность Донской области. Ростов на Дону 1956, с.84.

6. Казанская Н.С.Классификация антропогенных модификаций растительности с применением ординационного метода. Л.Г.Раменского. М.: 1965, с.180.

7. Казанская Н.С. Проблемы индикации пастбищной дегрессии лесостепных и степных экосистем. - Сб. охрана гено- и ценофонда. Свердловск.:Ин. Экологии растений и животных, 1988. с.45-49.

8. Келлер Б.А. Сорно-полевая растительность на равнинах России. М. 1929, с.87.

9. Корчагин А.А. Строение растительных сообществ. В кн.: Полевая геоботаника, т.5, 1976, 7-313 с.

10. Лавренко Е.М. Степи СССР. В кн.: Растительность СССР. М: изд. АНСССР, т.2, 1940, 1 - 266 с.

11. Ларин И.В. Улучшение природных сенокосов и пастбищ. М.: Знание, 1967, с.160.

12. Работнов Т.А. Фитоценология. М.: Изд. МГУ, 1983, с.296.

13. Раменский Л.Г. Введение в комплексное почвенно-геоботаническое исследование земель. М.: Сельхозгиз, 1938, с.431.

14. Раменский Л.Г. Избранные работы. Проблемы и методы изучения растительного покрова. Л.: Наука, 1977, с.334.

15. Рябинина З.Н. Конспект флоры Оренбургской области. Екатеринбург: 1998, с.163

16. Рябинина З.Н. О регенерации целинных степей в Оренбуржье. В кн.: Тезисы докладов научно-практической конференции, посвященной 40-летию освоения целины. Оренбург: ВННИМС, 1994, 55-75 с.

17. Рябинина З.Н. Растительность и растительные ресурсы степной зоны Оренбургской области. В кн.: География, экономика и экология Оренбуржья. Оренбург: 1993, 63-64 с.

18. Рябинина З.Н. Растительный покров степной зоны Южного Урала (Оренбургская область). Оренбург; 2003, с.400.

19. Рябинина З.Н. Степная растительность Урало-Илекского междуречья, ее антропогенные изменения и пути охраны // Автор дисс. Канд. биолог. Наук. Свердловск: 1981, с.25.

20. Семенова - Тянь-Шанская A.M. Восстановление растительности на степных залежах. Ботанический журнал, т.38, №6, 1953, 862-873 с.

21. Серебряков И.Г. Жизненные формы высших растений и их изучение. В кн.: Полевая геоботаника, т.3. М.;Л.: 1964, 146-202 с.

22. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978, с.318.

23. Танфильев В.Г. Целинные степи Ставропольского края. Ботанический журнал, т.56, №5, 1971, 692-701 с.

24. Хомутова М.С. Растительность Зауралья Чкаловской области. Дисс. Канд. - биолог.Наук МГПУ им.В.И.Ленина, каф. ботаники, 1956, с.443.

25. Шенников А.П. Введение в геоботанику. Л.: Изд. ЛГУ, 1964, с.447.

26. Шенников А.П. Экологические группы растений. М.: Наука, 1964, с.238.

27. Юнатов А.А. Типы и содержание геоботанических исследований. Выбор пробных площадей и заложение экологических профилей. В кн.: Полевая геоботаника, т.3. М.; Л.: Наука, 1964, 9-36 с.

28. Ярошенко П.Д. Геоботаника. М; Л.: 1961, с.474.

Способ фитоиндикации стадии пастбищной деградации средневозрастных степных юго-восточных залежей, основанный на появлении в фитоценозах определенных видов растений, при этом
исходное растительное сообщество представлено ассоциацией типчаково-ветвистовострецовой - типчак (Festuca valesiaca Gaudin) + вострец ветвистый (Leymus ramosus (Trin.) Tzvel.);
первая стадия пастбищной деградации представлена ассоциацией вострецово-австрийскополынной - вострец ветвистый (Leymus ramosus (Trin.) Tzvel.) + полынь австрийская (Artemisia austriaca Jacq.);
вторая стадия пастбищной деградации представлена ассоциацией австрийскополынно-изеневой - полынь австрийская (Artemisia austriaca Jacq.) + изень (кохия простертая) (Kochia prostrata (L.)).