Критерии эмерджентных свойств пространственной структуры ландшафтаНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Критерии эмерджентных свойств пространственной структуры ландшафта
Результаты этапа: В 2014 году работы были сосредоточены на определении параметров буферных зон в катенах, необходимых для предотвращения поступления загрязняющих веществ в водотоки и накоплении полевых данных, характеризующих зависимость фаунистического разнообразия и гидрохимических свойств от пространственной структуры ландшафта. На основе данных биогеохимического и педогеохимического опробования и расчета серии коэффициентов биологического поглощения и запасов микроэлементов в фитомассе оценена способность растительных сообществ трансаккумулятивных элементарных ландшафтов к осаждению потоков твердого и растворенного вещества на физико-химических, механических, биогеохимических барьерах при близком соседстве распахиваемых склонов и водотоков. Проведено: 1) морфологическое описание и геохимическое опробование 7-10 почвенных разрезов на каждом из 10 трансектов, пересекающих границу распаханных и лесокустарниковых/луговых урочищ в трансаккумулятивных позициях рельефа в сравнении с массивом распаханных урочищ (содержание гумуса, общего азота, подвижного фосфора и калия, обменных катионов, рН, микроэлементов), 2) биогеохимическое опробование коры, веток, хвои, листьев хвойных пород, 3) определение фракционной структуры и биогеохимическое опробование надземной фитомассы травяного яруса морфологически аналогичных трансаккумулятивных элементарных ландшафтов, примыкающих к распаханным и нераспаханным урочищам, 4) определение масс элементов, задерживаемых в биологическом круговороте в луговых урочищах при латеральной миграции от распаханных склонов и террас к водотокам, 5) расчет и интерпретация серии геохимических коэффициентов, отражающих интенсивность радиальной миграции в элементарном ландшафте, т.е. вовлечения потенциальных загрязнителей из почвы в биомассу и емкости биогеохимических барьеров. Составлены карты коэффициентов биологического поглощения и запасов микроэлементов в фитомассе для фоновых лесных, антропогенных луговых урочищ, урочищ буферных лесокустарниковых зон между распаханными полями и поймами рек. На их основе получены предварительные оценки регионально специфичных параметров (ширина, видовой состав, структура) буферных лесокустарниковых и луговых полос для сильнорасчлененных агроландшафтов зоны тайги. Проведено опробование 5 погребенных органогенных горизонтов в почвах аккумулятивных позиций. Для 10 малых эрозионных форм с постоянными и временными водотоками проведен сравнительный анализ состава донных отложений, почв бассейна и химического состава весеннего талого стока (основные ионы, нитраты, органические и минеральные формы фосфора, микроэлементы) при разной степени распаханности. Рассчитаны критические морфометрические характеристики рельефа ландшафта, при которых создаются эмерджентные свойства ландшафта – пониженный уровень грунтовых вод, аэрация почв, возможность повсеместного гумусонакопления, господство геоморфологических процессов, способствующих сносу малоплодородных поверхностных отложений и выводу на поверхность богатых основаниями коренных пород. Определены критические расстояния перемещения таежных млекопитающих и птиц в пределах сельскохозяйственных обезлесенных угодий (методы зимнего маршрутного учета, установка ловушек для мелких грызунов). Проведен сравнительный анализ численности популяций индикаторных видов из отрядов Rodentia, Insectivora, Passeriformes, Charadriformes, Falconiformes в лесных местообитаниях разной степени изолированности от основного лесного массива и при соседстве с разными типами местообитаний (полевыми, луговыми, кустарниковыми, мелколесными). Составлены таблицы соответствия встречаемости видов-индикаторов фаунистического разнообразия видам лесных урочищ разной степени изолированности. Продолжена серия сезонных измерений стока и химического состава поверхностных вод в модельных бассейнах. Проведена классификация бассейнов по соотношению вкладов разных типов питания, антропогенного фактора в формирование химического состава вод и годового режима стока.
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Критерии эмерджентных свойств пространственной структуры ландшафта
Результаты этапа: 1)На примере бассейна р.Заячья в среднетаежной подзоне (Устьянский район Архангельской области) разработан подход к планированию агроландшафтов на локальном уровне, основанный на изучении эмерджентных свойств каскадных ландшафтно-геохимических систем. Первый этап включает катенарный анализ, раскрывающий структурно-генетический каркас и миграционные процессы в агроландшафтах. Второй – оценку свойств, подлежащих учету при планировании, в первую очередь роль ландшафтного соседства при формировании латеральных потоков, зон транзита и аккумуляции на геохимических барьерах. Третий этап – принятие планировочных решений по размещению угодий с учетом гетерогенности катен, сохранения внутреннего разнообразия агроландшафтов и поддержания экологического каркаса. 2)В связи с усложнением структуры катен при ускоренной эрозии и увеличением роли механической миграции возрастает вариабельность показателей биологической продукции агроценозов и ее снижение в трансэлювиальных ландшафтах, которые могут быть частично исключены из пахотного фонда. 3)Прекращение сенокошения на мезофитных пойменных лугах сопровождается потерей поедаемых видов, экспансией крупнодерновинных злаков и высокотравья, ростом фитомассы и запаса в ней зольных элементов, что за счет эффектов синергизма увеличивается емкость фитобарьеров. Их сохранение целесообразно на участках, где делювиальные шлейфы с полей спускаются непосредственно на поймы. При отсутствии такого контакта и существовании полосы лесов в краевой зоне полей необходимо сохранение мезофитных пойменных лугов как сенокосов. 4)Биогеохимическая неоднородность агроландшафтов определяется различной активностью фитоценозов к поглощению минеральных веществ; она контролируется филогенетической специализацией растений, изменением миграционной обстановки и эдафических условий. При общем увеличении зольности разнотравья по сравнению с другими видами (за исключением хвощей) основной тренд отражает изменение накопления зольных элементов в зависимости от положения в катенах и соседства с агрогенными комплексами. Ее рост зафиксирован: а) у материковых лугов на землях, бывших раньше под пашней, и по днищам сухих лугов среди полей; б) у высокотравных лугов на днищах влажных логов и наложенных на пойму пролювиальных конусов, не имеющих прямого контакта, но связанных с полями линейными латеральными потоками. Сходная тенденция отмечается и по биогеохимической активности (БХА), рассчитанной на основании коэффициентов биологического поглощения микроэлементов. 5)Варьирование биогеохимических параметров агроценозов определяется их видовым составом и фазой развития. У зерновых культур в начальный период вегетации стратегия растений направлена на продуцирование фитомассы, и накопление минеральных веществ листьями (до 9,7%) выше, чем в период молочно-восковой спелости (6,6-7,9%). Перед покосом зерновых, идущих на фураж, зольность колосьев ниже, чем у вегетативных органов, что может быть связано с прерыванием их онтогенеза на этой стадии. В отличие от зольности тенденция к росту активности поглощения микроэлементов прослеживается не только на ранних стадиях развития, причем с последующим увеличением их перевода в колосья. По сравнению со злаками, накопление микроэлементов выше у бобовых, особенно в монодоминантных посевах клевера по сравнению с их участием в травосмесях. 6)Первое место в рядах биологического поглощения растений занимает Р, на миграцию которого в агроландшафтах оказывает влияние внесение удобрений. Среди микроэлементов отмечено сильное накопление анионогенных элементов – В (в том числе и у злаков) и Мо при невысокой активности к захвату Mn. Переход Mn в группу элементов сильного накопления наблюдается только у растений разных систематических групп на высокотравных лугах фоновых катен. Очевидно, в агроландшафтах это связано со снижением подвижности катионогенных элементов при близком залегании карбонатных пород и увеличением подвижности анионогенных. С одной стороны, это создает предпосылки к накоплению биогенных элементов (Р, В, Мо) на латеральных фитобарьерах, с другой – усиливает возможность их включения в водный сток. Соотношение между этими процессами меняется в зависимости от катенарной организации малых водосборов. 7)С учетом катенарной и биогеохимической неоднородности агроландшафтов при разработке мероприятий по регулированию миграционных потоков необходим дифференцированный подход к сохранению существующих и конструированию специальных барьерных зон, ограничивающих активность механической миграции и вынос биогенных элементов с водным стоком. 8) При росте распаханности бассейнов малых рек возрастает вклад поверхностных и подземных вод, имеющих контакт с пермскими мергелями и снижается вклад вод, формирующихся в моренных отложениях, что приводит к изменению соотношения кальция и магния в пользу последнего, особенно при снижении лесистости ниже 10 %. Основной вклад в изменение гидрохимических характеристик стока вносит вынос кальция, магния, гидрокарбонатов, минерального фосфора, нитратов плоскостной и линейной эрозией на распаханных сильнопокатых коренных склонах долин, особенно при весеннем снеготаянии. Распаханные бассейны с лесистостью ниже 10 % требуют увеличения площади экологического каркаса за счет сокращения распашки крутых склонов, создания буферных лесокустарниковых полос в дистальной части делювиальных шлейфов и в водосборных понижениях. 9) Снижение лесистости бассейнов до 20-25 % и ниже и распашка изменяет соотношение биогенов в поверхностных водах в сторону снижения содержаний органического фосфора и роста содержаний минерального фосфора, нитратов, калия. Годовой режим содержаний органического фосфора становится более равномерным при стабильно низких содержаниях, чем в залесенных бассейнах. Долинные леса в бассейнах с лесистостью выше 25 % приоритетны для экологического каркаса. 10) Подземные воды, разгружающиеся в родниках на поймы рек, при росте распаханности водосбора, обогащаются элементами-биогенами, вносимыми с минеральными удобрениями. В паводковые периоды происходит обогащение основными ионами подземных вод, дренирующих распаханные водосборы. 11)Лесной покров поддерживает естественные колебания химического состава вод, обусловленные резкими различиями минерализации в паводковые и меженные периоды. При снижении лесистости ниже 20 % площади бассейна содержания ионов, определяющих общую минерализацию (гидрокарбонат, кальций, магний) в весеннее половодье, несмотря на сильное разбавление, становятся сопоставимы с содержаниями в меженные периоды. 12)Сочетание лесистости не менее 50 % и распаханности не более 25 % площади бассейна позволяет поддерживать химический состав вод и годовой режим стока растворенных веществ на уровне регионального фона. Поскольку достижение этих показателей в агроландшафте мало реалистично, развитие экологического каркаса должно предусматривать повышение лесистости малых бассейнов как минимум до 20-25%, прежде всего – за счет сильнопокатых склонов долин, лощин и водосборных бассейнов родников, через которые происходит разгрузка грунтовых вод на поймы рек. 13) Изолированные лесные острова в агроландшафте служат руслами продвижения в таежную зону видов южного происхождения (иволга, дубонос, вертишейка, полевая мышь)и местообитаниями редких и «краснокнижных» видов вторичных фоновых лесов средней тайги (летяга, красная полевка). 14) Наличие естественных буферных элементов рельефа – делювиальных шлейфов у подножий коренных склонов – способствует осаждению значительной части вещества, механически смываемого с распахиваемых коренных склонов. Поэтому отрезки пойм, примыкающие к наиболее широким террасам Заячьей и ее притоков в основном защищены от загрязнения. 15) Необходимость в создании дополнительных буферных полос возникает в дистальной части шлейфов, полностью перекрывающих узкие террасы, если их ширина не превышает 150 м. Сохранение или создание луговых или лесных полос позволит сократить поступление поллютантов на поймы. У подножий склонов террас требуется поддержание эффективного биогеохимического барьера, создаваемого крупнотравными лугами с доминированием таволги вязолистной. 16) Необходимость усиления экологического каркаса возникает в лощинах с крутым падением и повышенной глубиной вреза в коренной распахиваемый склон. Сохранение естественной луговой растительности требуется на расстоянии не менее 250 м вверх по течению от конуса выноса.

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".