Трансформация современных ландшафтов речных бассейнов Волжско-Окского междуречья при смене землепользования.НИР

Transformation of contemporary landscapes river basins of the Volga-Oka interfluve during the change of land use.

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. этап 2016 года
Результаты этапа: Настоящий проект направлен на выявление связей форм современных ландшафтов Владимирской области (Волжско-Окского междуречья) со сменой землепользования и степенью деградации почвенного покрова. 1. Проведено обобщение литературных данных по природно-антропогенной деградации современных ландшафтов. В настоящее время ландшафтная оболочка понимается как среда человеческого обитания. Современное учение о природно-антропогенных ландшафтах объединяет геосистемный и экосистемный подходы, представляет собой геоэкосистемную концепцию. Ландшафт с геоэкологических позиций определяется как средообразующая и ресурсовоспроизводящая геоэкосистема, служающая средой обитания и ареной хозяйственной деятельности социально-этнических групп, сообществ. Антропогенный ландшафт (Anthropogenic landscape) – географический ландшафт, созданный в результате целенаправленной деятельности человека; или возникший в ходе непреднамеренного изменения природного ландшафта (термин ввел Ф. Н. Мильков). Изменения в ландшафтах включают в себя: • трансформацию одного или нескольких компонентов; • перестройку вертикальной и горизонтальной структуры, его организации; • появление дополнительных энергетических источников как факторов формирования и функционирования ландшафта; • появление в структуре ландшафта веществ и структур техногенного происхождения (синтетические вещества, здания и сооружения и пр.), участвующих в функционировании ландшафтов; • уменьшение разнообразия и площади, занятой естественными структурными элементами ландшафтов. Часто природно-антропогенные ландшафты представляют собой территориальные результаты многовекового хозяйственного эксперимента человека в природе. Некоторые из них пережили длительную эволюцию, не только природную. При оценке антропогенных нагрузок необходимо учитывать фактор времени. Эффект воздействия зависит от: его продолжительности (оно может быть долговременным, постоянным, эпизодическим) и изменения интенсивности. При антропогенном воздействии изменению часто подвергаются коренные ландшафты. Коренной ландшафт представляется как зональный тип ландшафта, не подвергшийся прямому воздействию хозяйственной деятельности. Следовательно, коренной природно-территориальный комплекс (ПТК) выступает как эталон, по которому можно судить о степени его трансформации. Основные трансформации ландшафтов и их морфологических структур осуществляются в локальном и региональном масштабах, не исключая при этом и глобальный уровень. В устойчивом ландшафте все изменения, внесенные человеком, быстро нейтрализуются. Так, поля и дороги в горных и возвышенных районах подвергаются сильной эрозии и при отсутствии дополнительного вложения антропогенной энергии быстро разрушаются. Таким образом, быстрое разрушение антропогенных элементов в ландшафте – признак как очень устойчивых, так и не устойчивых естественных ландшафтов. С природной точки зрения устойчивость ПТК возрастает с севера на юг, тогда как природно-антропогенные (техногенные) геосистемы имеют максимальную устойчивость при усредненных показателях факторов биопродуктивности. Любое воздействие на ландшафт сопровождается цепью изменений вследствие тесной взаимосвязи его компонентов. Характер изменений зависит от многих факторов: от вида воздействия, продолжительности, режима, свойств, характера взаимосвязей свойств ландшафта. Антропогенные изменения ландшафтов классифицируют в зависимости от направленности воздействий. Выделяют прямые и опосредованные. Прямые изменяют свойства почвы, режимы почвы (водный, воздушный, тепловой, питательный, временной, пространственный). Опосредованные изменения происходят при краевых эффектах основного использования земель; глубины изменения ландшафтов, которая отражается в их функционировании, динамике, развитии; ориентированности воздействий (обратимые или необратимые, прогрессивные или регрессивные). Критическое состояние ландшафта – неустойчивое состояние, при котором увеличение нагрузки может привести к изменению структуры, прекращению выполнения ландшафтом социально-экономических функций, отрицательным последствиям для населения. Ландшафт, разрушение которого сопровождается полной потерей способности выполнять ресурсо- и средовоспроизводящие функции – это деградированный ландшафт. Вывод ландшафта из критического и деградированного состояния возможен за счет снижения нагрузки. Динамика развития и функционирования геосистем – это конкретный современный этап ландшафтной эволюции. Динамику ландшафта можно определить, как совокупность изменений состояний ландшафта, имеющих как обратимый (стабилизирующий), так и необратимый (преобразующий) характер, обусловленных внешними и внутренними факторами. Природные компоненты и геокомплексы ПТК реагируют на изменения внешней среды с разной скоростью. Наиболее мобильны воздух, воды и биота. Почва перестраивается медленнее, сохраняя в своей структуре элементы предшествующих гидротермических эпох. 2. Анализ сукцесионных процессов на постаграрных землях. Динамика ландшафта наиболее чѐтко проявляется через сукцессию ландшафта. В соответствии с планом изучались особенности сукцессий на исследованных территориях. Характерной чертой Волжско-Окского междуречья является его высокая антропогенная освоенность. Исследованные ландшафты Гороховецкого отрога и Ополья являются типичными староосвоенными территориями. Выявлено влияние особенностей ландшафтов на процессы почвообразования и смену растительных ассоциаций. Оценено влияние специфических свойств почв на динамику и направленность сукцессионных процессов самих ландшафтов, а также различной степени антропогенной нагрузки на почвенный и растительный покров. Основными особенностями, влияющими на специфику формирования ландшафтных районов Волжско-Окского междуречья, являются, прежде всего, почвообразующие породы дерново-подзолистых и серых лесных почв и вторичная растительность. Установлено, что часто профили дерново-подзолистых почв региона не имеют классических морфологических признаков, присущих данному типу почв, что предположительно связано с их формированием на границе южно-таежной зоны и зоны серых лесных почв. В настоящее время многие земли, ранее использовавшиеся в сельском хозяйстве, оказались не востребованными и в условиях местного климата с избыточным увлажнением стали зарастать малоценными древесно-кустарниковыми и сорными растениями. На территории Гороховецкого отрога встречаются разнообразные ассоциации луговых и лесных сообществ (злаково-разнотравные луга, ксероморфные злаковые луга, таволговые луга, сосново-березовые смешанные леса, березняки, ельники и другие ассоциации) на дерново-подзолистых почвах, разного механического состава, а также на аллювиальных, смытых и намытых почвах в нижних частях склонов отрога. Наиболее возвышенные в рельефе участки Гороховецкого отрога заняты культивируемыми угодьями и постаграрными землями. Южные пологие склоны отрога также хорошо освоены сельским хозяйством, но рассечены оврагами и балками. На вершинах водораздела с уклонами юго-восточной экспозиции выявлены локальные участки реликтовых серых лесных почв, ранее вовлечѐнных в севообороты. Гороховецкий отрог, в силу большей фациальной контрастности, отличается от Ополья достаточно высоким флористическим разнообразием (на его территории произрастают более 740 видов из 83 семейств сосудистых растений). Представители семейств сложноцветных и злаковых являются самыми типичными и широко распространенными растениями для данного района. По результатам наших исследований выявлено более 70 видов древесно-кустарниковых форм растений, многие из которых являются одичавшими и натурализовавшимися. Залежные земли являются отдельной категорией со специфичным развитием растительности. Процесс зарастания старопахотных земель происходит волнообразно, достигая максимума вблизи стены леса и с удалением, постепенно затухая. Сложность фитоценоза меняется от сплошного зарастания (до 30-50 м) к биогруппам и единичным растениям (на расстоянии около 150 м). Период зарастания пашен составляет 5-15 лет. Молодняки на залежах быстрее проходят период начального формирования. В условиях березовых молодняков на залежах в течение первых 15 лет в травяном покрове по числу видов лугово-опушечная сукцессия является преобладающей. Зарастание земель сельскохозяйственного назначения древесной растительностью характерно для ландшафтов Гороховецкого отрога как для подтаежных и лесостепных районов, где ранее освоенная пашня не обрабатывалась длительное время, а в почвах прослеживаются стадии деградации (уплотнение, иссушение, уменьшение содержание гумуса и др.). Выявлены три возможных варианта зарастания древесной и кустарниковой растительностью залежных земель: сосновая (сукцессия соснового восстановления), берѐзовая и смешанная с преобладанием кустарников и сорных многолетних трав; с различной плотностью зарастания по мере удаления от стены леса. Годичный прирост в высоту постепенно выравнивается у подроста, особенно в сосновых фитоценозах, в последние годы (на 18-25 гг.). По мере удаления от стены леса происходит уменьшение прироста. В сорно-кустарниковых ассоциациях господствуют ивы, пижма, козлятник, борщевик Сосновского. Борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi) встречается у ферм и вдоль обочин дорог с фронтальным надвиганием на структурные части фитоценоза; Клен американский, или ясенелистный (Acer negundo) распространяется в окрестностях населенных пунктов и в последние годы «уходит» в поймы рек и овраги. По степени происходящих изменений предполагается постепенная катастрофическая смена сообществ. В ландшафтах Ополья, больших по площади и степени сельхоз освоения, степень участия древесных пород в заселении постаграрных серых лесных почв существенно ниже. Большую роль в формировании залежных земель имеет травянистая растительность, формирующая лугово-степные варианты сукцессионного зарастания залежных земель. Первоначальные этапы формирования растительности на обнаженных субстратах здесь представлены как местными сорными и луговыми видами, так и значительным участием заносных и интродуцированных видов (Мелколепестники, золотарники, люпин и др.). В последующих стадиях развития сукцессий отмечается слабое незначительное участие древесных пород – берѐзы и рябины без смыкания крон. Длительность сукцессионных смен как во времени, так и по числу стадий, могут быть обусловлены природными закономерностями развития биогеоценозов или случайными внешними причинами. Замедление темпов смен, по мере развития растительности приводит к климаксовой стадии развития ландшафта с восстановленной вторичной растительностью, отличающейся повышенной биологической фитопродуктивностью при меньшем видовом разнообразии. Ландшафты претерпевают изменения, вызванные естественными сукцессионными причинами и изменениями в системе природопользования, происходящими в хозяйстве региона. 3.Сбор данных по природно-климатическим особенностям территории, выбор контрольных площадок в бассейнах рек Клязьма и Ока. Проведение полевых исследований на территории Владимирской области. Заложение почвенных разрезов и площадок для геоботанических описаний. Работы в 2016 г. велись во Владимирской области на территориях с преобладанием пост аграрных ландшафтов бывшего сельхозосвоения в пределах природных районов Ополья, Принерлинской равнины и Гороховецкого отрога в Вязниковском, Гороховецком, Камешковском и Суздальском районах. Физико-географическое описание территории приведено в приложении 1, места проведения полевых исследований указаны в приложении 2. Полевые исследования проводились на водораздельных пространствах с небольшими уклонами – менее 10 градусов, с залегающими на глубине более 3 м грунтовыми водами и зональными почвами, формирующимися на фоне промывного типа водного режима, а также на первых надпойменных террасах. На каждом из элементов рельефа заложены почвенные разрезы и пробные площадки описания растительности и отбора образцов на биопродуктивность продуцируемой фитомассы (примеры геоботанических описаний и описаний почвенных разрезов приведены в приложение 3). Параллельно для сравнительной оценки условий почвообразования на залежах отобраны образцы почвы для анализа физических, физико-химических свойств и микроморфологического анализа. В текущем году были выполнены аналитические работы по определению физико-химических свойств исследованных почв. Химические и физико-химические свойства почв ландшафтных районов Волжско-Окского междуречья представлены в публикации. Уплотнение, обесструктуривание и прочие ухудшения физико-химических свойств (избыточное подкисление и подщелачивание, возникновение восстановительных процессов), дегумификация, загрязнение тяжелыми металлами, пестицидами и др.; развитие эрозии; засоление; заболачивание – негативные последствия обработки почвы, связанные с применением гидротехнических мероприятий, средств химизации, а также вызванным техногенным загрязнением. Показано, что изменение физико-химических свойств дерново-подзолистых почв Гороховецкого отрога является следствием смены их сельскохозяйственного использования: значения рН в почвах, сформированных под естественной растительностью слабокислые (4,9 - 5,4), а во всех почвах, испытавших антропогенную нагрузку, они близки к нейтральным (6,0 - 6,7), что важно в физиологическом отношении для нормального усвоения корнями культурных растений элементов питания. Восстановление характерной слабокислой реакции среды происходит наиболее активно в почвах, вышедших из сельскохозяйственного использования сравнительно давно (не менее 20 лет). Для почв Гороховецкого отрога, подвергшихся резкому осушению почвенного профиля после прекращения хозяйственной деятельности, характерно сильное уплотнение иллювиальных горизонтов, что создает неблагоприятные условия для произрастания культурных растений. Заброшенные поля зарастают сорными травами, лесная растительность не возобновляется на протяжении многих лет . Состав, свойства, уровень плодородия почв сильно изменяются под воздействием хозяйственной деятельности человека, что существенно влияет на их экологические функции . Так содержание органического углерода в верхних горизонтах антропогенно трансформированных почв выше чем в Левобережной Приклязьменской Мещере (6,1%). Профильное распределение органического углерода в старовозрастных залежных почвах бассейна реки Судогды носит отчетливо выраженный элювиально-иллювиальный характер, что обусловлено легким гранулометрическим составом почвообразующих пород данного ландшафтного района. В залежной легкосуглинистой почве Судогодской мещеры, подвергшейся плантажной вспашке, отмечено интенсивное накопление органического углерода, подвижного К2О и обменных Са2+ и Mg2+ в сравнительно маломощном (14 см) уплотненном подпахотном горизонте с заметным ослаблением этих показателей в нижележащем иллювиальном слое. Различие свойств почвы (гигроскопической влажности, плотности, структурности) скорее всего, связано с гетерохронностью почвенных горизонтов. Верхние горизонты отражают в основном воздействие современного ценоза и являются ценогенетическим признаком почв, а нижние несут явные следы воздействия предшествующих биогеоценозов и являются палингенетическим признаком . На преобладающих, в основном, но морфологически слабо выраженных дерново-подзолистых почвах произрастают смешанные леса, на слабоподзолистых хорошо дренированных почвах – вторичные хвойные леса и сорные луговые ассоциации; а к аллювиальным почвам приурочены пойменные таволгово-злаково-осоковые и разнотравно-злаковые луговые ассоциации, поддерживаемые сельскохозяйственным использованием. Длительность формирования растительного сообщества и степень его антропогенной деформации существенно влияют на структуру и генезис почв. Серые лесные почвы Ополья по-прежнему остаются в сфере интересов сельского хозяйства. На нарушенных и не возделываемых постаграрных почвах ухудшаются или полностью разрушаются экологические функции почвы не только как среды существования растений и почвенной биоты, но и как компонента ландшафта, препятствуя восстановлению первичных экосистем и затрудняя дальнейшее их использование.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. этап 2017 года
Результаты этапа: В 2017 году выполнен анализ геоморфологических и гидрологических особенностей территории. На исследованную территорию созданы электронные карты и базы данных. Для оценки процессов трансформации постагрогенных ландшафтов проведены почвенно-геоботанические исследования с заложением контрольных площадок и последующим анализом полученных данных. Были выбраны участки на водоразделах Волги и Клязьмы (Ивановская и Костромская области) и на пойменных территориях Клязьмы на границе Ивановской и Владимирской областей. Показано, в почвах водоразделов, выведенных из сельскохозяйственного использования около 10 лет назад, положительные изменения свойств сохраняются. У постагрогенных почв профиль менее кислый. Окультуривание почвы способствовало увеличению величины гумусового горизонта, а также содержанию подвижных форм фосфора и калия как в пахотном слое, так и в целом по профилю. У постагрогенных почв сохраняется агрономически ценная структура, они наполнены почвенной мезофауной. Сельскохозяйственное использование привело, прежде всего, к морфологической невыраженности подзолистого горизонта и нарушению естественного гидрологического режима почв. Существенную роль в постагрогенной трансформации почв играют специфические постагрогенные сукцессии растительности. В сукцессии фитоценозов прослеживаются зональные особенности заселения залежных земель дендроценозами различного видового состава, в нашем случае смешанным лесом. С целью оценки изменения ландшафтов под влиянием антропогенной нагрузки выполнено математическое моделирование. Показано, что распределение продуктивности угодий Волжско-Окского междуречья характеризуется рядом общих свойств, независящих от зональной принадлежности агроценозов.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. этап 2018 года
Результаты этапа: Проведено исследование показателей плодородия дерново-подзолистых почв Волжско-Окского междуречья, находящихся в залежном состоянии, и почв под естественной растительностью. Показано, что в почвах водоразделов, выведенных из сельскохозяйственного использования около 10 лет назад, положительные изменения свойств сохраняются. Сельскохозяйственное использование привело, прежде всего, к морфологической невыраженности подзолистого горизонта и нарушению естественного гидрологического режима почв. При сильном истощении почвы, почвы, находящиеся под залежью более 10 лет, часто не в состоянии восстановить свое естественное плодородие. В сукцессии фитоценозов прослеживаются зональные особенности заселения залежных земель дендроценозами различного видового состава, в нашем случае смешанным лесом. На исследованной территории выявлены три возможных варианта зарастания древесной и кустарниковой растительностью залежных земель: 1) сосновая (сукцессия соснового восстановления), 2) берёзовая и 3) смешанная с преобладанием кустарников и сорных многолетних трав. Определены основные типы и степень трансформации растительного покрова постаграрных территории для Волжско-Окского междуречья. Показано, что постаграрные фитоценозы постепенно восстанавливают свой естественный продукционный потенциал, но отличаются от первоначальных видовым составом. В результате зарастания сельскохозяйственных угодий снижается биоразнообразие происходит нивелирование ландшафтных особенностей фитоценозов. Предложена методика картографирования и определения степени и типа зарастания выведенных из оборота сельскохозяйственных земель, которая основана на анализе временной серии космических снимков, 14 Разработана методика математического моделирования макропараметров состояния системы «фитоценоз – почва» на основе построения логистических уравнений конкуренции и анализа компонентов углеродного баланса Установлено, что прирост продуктивности указывает на реализацию в бассейне р. Клязьма начальной фазы трансформации ландшафтов, обусловленной преимущественно образованием залежей. В будущем, в случае пролонгирования современного природопользования на данной территории, прогнозируется смена тенденции и переход почвенно-растительного покрова ландшафтов во вторую фазу – фазу активного зарастания, сопровождающуюся сменой фитоценозов лесными сообществами и снижением показателей фитопродуктивности. Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем. Полученные результаты соответствуют мировому уровню, что подтверждается публикациями в зарубежных научных журналах и докладами на международных конференциях. Методы и подходы, использованные в ходе выполнения проекта. Применены следующие методы ландшафтных исследований: маршрутный (выявление антропогенно-изменённых ландшафтов, видового состава сосудистой флоры); 2) стационарный (выполнение геоботанических описаний); 3) лабораторный (гербаризация и определение растений, обработка материала); 4) сравнительный анализ (сравнение полученных результатов с данными научной литературы); 7) метод сукцессионных связей. Установлены пространственные фитоценотические ряды, которые позволяют оценить смены растительных сообществ во времени. В основу реализованных методов математического моделирования положены бассейновый подход, методы анализа компонентов углеродного баланса, функционального математического моделирования макропараметров состояния системы «фитоценоз – почва» природных компонентов (луговые и лесные фитоценозы) и методы математической статистики. При этом сценарии использования, учитываемые в модели, основываются на гипотезе о нелинейном и фазовом характере постагрогенной трансформации ландшафтов. Использовались методы геоинформационного картографирования и анализа, применялись методы дешифрирования данных дистанционного зондирования (с использованием ESRI ArcGis 10.4; ГИС QGIS 3.4 и др), методы анализа вегетационных индексов. Основные методы являются современными, но главная новизна – попытка применить их в комплексе, что намного усиливает возможности интерпретации получаемых данных. Основным подходом при выполнении проекта служит разработанная в России фундаментальная концепция глобальных и экологических функций почв (Г.В.Добровольский, Е.Д.Никитин). Методологической основой являются современные теоретические представления о мозаично-циклической и популяционной организации экосистем (Оценка и сохранение биоразнообразия..., 2000, Восточноевропейские леса, 2004).

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".