Природные и антропогенные факторы изменчивости динамики биопродуктивности геосистем целинных типчаково-ковыльных степей Восточно-Донской гряды

Степные ландшафты России оказались самыми пострадавшими из-за нерационального природопользования в XX веке. Для решения проблем ландшафтно-экологической оптимизации степного природопользования и формировании сети особо охраняемых природных территорий (далее – ООПТ) необходимым условием является детальное изучение и анализ структуры и функционирования геосистем, их иерархического соотношения, закономерностей их дифференциации и интеграции, динамики и эволюции. Универсальным для этих целей является геосистемный или ландшафтный подход, опирающийся на ландшафтную структуру территории, что обеспечивает привязку экологических проблем к конкретным территориальным подразделениям. Синтетическая концепция в ландшафтоведении рассматривает природную среду как целостность иерархически соподчиненных геосистем разного уровня организации, подчеркивая их роль как главных объектов оптимизации [5; 14]. Любая геосистема как объект эколого-географического анализа и оценки обладает специ- фическим экологическим потенциалом, определенной степенью устойчивости к антропогенным воздействиям, является целостным территориальным носителем разнообразной экологической информации [5; 6]. Одной из главных задач ландшафтных исследований является изучение современного состояния, структуры и функционирования геосистем как результата исторически сложившихся антропогенных изменений, наложившихся на природный эколого-географический фон. Наиболее важной составляющей механизма функционирования геосистем является процесс формирования биологической продукции и обусловленное им взаимодействие биоты как наиболее динамичного и главного стабилизирующего компонента системы [1; 5, с. 173– 183; 13]. Интенсивность внутреннего энерго-массообмена обеспечивает многие качества геосистем, в том числе и устойчивость. Следовательно, запасы и продуктивность биомассы, зависящие от географических факторов и особенностей их проявления на разных уровнях (от регионального до локального), а так- же от особенностей биологического круговорота в различных геосистемах, являются основным критерием и мерой определения устойчивости ландшафтов [1; 2, с. 69–95; 4; 5]. Растительный покров, являясь основным эко-лого-стабилизирующим фактором в функционировании геосистем, играет ведущую роль в сохранении их структуры и регулировании динамики. Поэтому мониторинговые исследований сохранившихся естественных зональных геосистем и их антропогенных модификаций необходимы при разработке программ мероприятий по сохранению биологического и ландшафтного разнообразия степной зоны.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что систематически исследовались зональные особенности динамики и биологическая продуктивность геосистем луговых степей лесостепной зоны Русской равнины, степей Урала, Сибири и Казахстана, а также на экосистемы злаковников в Северной Америке в зоне высокотравных и низкотравных прерий [1; 2; 4; 13; 15]. Ландшафты разнотравно-типчаково-ковыльных (или умеренно засушливых) и типчаково-ковыльных (или сухих) степей юго-востока Русской равнины изучены довольно слабо. Современная динамика и постпирогенные сукцессии геосистем сухих степей Волгоградской области впервые изучаются автором. Начиная с 2006 г., на ее территории наблюдается усиление засушливости и рост пожаров в летнеосенний период. Ключевыми полигонами для проведения ландшафтных исследований являются в первую очередь ООПТ, где снижено прямое антропогенное воздействие и есть возможность для изучения закономерностей функционирования и динамики природных геосистем. Необходимым условием получения качественных результатов является отбор «ключевых» участков в пределах типичных урочищ. При этом полученные данные отличаются высокой репрезентативностью, а возможность повторения наблюдений позволяет оценить динамические изменения.

Основным районом исследований автора является северо-восточная часть Восточно-Донской гряды, занимающая высокое правобережье Дона и располагающаяся в центре Волгоградской области. Огибая гряду с востока, Дон образует здесь Малую излучину, ох- ватывающую его высокое правобережье от станицы Сиротинской до долины р. Большой Голубой. Ее северо-восточная часть с 2001 г. входит в состав Донского природного парка (площадь 60 000 га), который является одним из главных ядер региональной сети ООПТ. Сочетание геолого-геоморфологических, гидрологических, климатических и других факторов формирует уникальную ландшафтную структуру парка. Он отличается высокой репрезентативностью и сохранностью природных комплексов и может рассматриваться как ключевая ландшафтная и биологическая территория. Донской природный парк занимает северо-восточную наиболее приподнятую часть Восточно-Донской возвышенной ландшафтной провинции [3; 11]. Здесь встречаются практически все геосистемы и экосистемы, типичные для подзоны типчаково-ковыльных или дерновиннозлаковых бедноразнотравных (сухих) степей. На высоком правобережье Дона выделяются степные зональные эталонные ландшафты. По данным автора, здесь на значительной площади сохранились слабо-измененные урочища байрачно-нагорных дубово-липовых лесов, плакорных дубрав и целинные участки ковыльных и разнотравно-злаковых степей на каштановых суглинистых почвах в пределах ландшафта Донских «Венцов», занимающего высокое верхнее ровное (абсолютная высота до 252 м) плато Восточно-Донской пластово-ярусной гряды с покровом песков и песчаников полтавской свиты, подстилаемых глинистыми отложениями, песчаниками палеогена и верхнего мела. В целинных травостоях преобладают ковыли – Лессинга, или ковылок (Stipa lessingiana), перистый (S. pennata), опушеннолистный (S. dasiphilla) и др.; злаки – пыреи, тонконоги и пр. Разнотравье представлено шалфеем степным (Salvia stepposa), люцерной серповидной (Medicago falcata), румынской (M. romanica) и др., марьянником полевым (Melampyrum arvense), подмаренником русским (Galium ruthenicum), гвоздикой Борба-ша (Dianthus borbasii) и Андржевского (D. andrzejowskianus), зопником клубненосным (Phlomoides tuberosa) и колючим (Phlomis pungens), луком Регеля (Allium regelianum) и др., грудницей мохнатой (Crinitaria villosa) и др. Весной появляются ирис низкий (Iris pumila), тюльпаны Шренка (Tulipa schrenkii) и Биберштейна (T. bibersteniana), адонис волжский (Adonis wolgensis), рябчик русский (Fritillaria ruthenica), птицемлечник Фишера (Ornithogalum fisheranum) и Коха (O. kochii) и другие эфемероиды. На целине довольно часто встречаются низкорослые кустарники миндаля низкого (Amygdalus nana) и спиреи зверобоелистной (Spirea hypericifolia) и др. [8; 10; 11]. В пределах Малой излучины Дона на территории Подгорского мелового ландшафта, имеющего ступенчатую структуру, сохранились обширные участки целинных песчаных и меловых (кальцефильных) степей с эндемичными группировками иссопников и тимьянни-ков на выходах туронского мела (К2t), подстилаемого песками альб-сеномана (K2al-sm). Меловые степи занимают верхний ярус ландшафта – меловые плато и верхние части склонов с абсолютными высотами от 170–130 до 120–100 м. В их растительном покрове последних преобладают эндемичные кальцефильные виды – ковыль меловой (Stipa cretacea), тимьян (или чабрец) меловой (Thymus cretaceus), иссоп меловой (Hyssopus cretaceus), левкой душистый (Matthiola fragrans), полынь солянковидная (Artemisia salsoloides), лен украинский (Linum ucranicum) и желтый (L. flavum), оносма донская (Onosma tanaitica), дрок донской (Genista tanaitica), копеечник украинский (Hedysarum ucrainicum) и меловой (H. cretaceum), клоповник Мейера (Lepidium meyeri), катран татарский (Crambe tataria), норичник меловой (Scrophularia cretacea), смолевка меловая (Silene cretacea) и Хель-мана (S. hellmannii), курчавка кустарная (Atraphaxis frutescens), льнянка меловая (Linaria cretacea), наголоватка Эверсмана (Jurinea ewrsmannii) и меловая (J. cretacea), скабиоза исетская (Scabiosa isetensis), астрагал белостебельный (Astragalus albicaulis), длинноножковый (A. macropus), шерстистоцветковый (A.мdasyanthus) и др., изредка встречается можжевельник казацкий (Juniperus sabina) [8; 10; 12]. Песчаные степи занимают нижний ярус ландшафта абсолютными высотами от 120–80 м до уровня правобережной поймы Дона их растительном покрове преобладают псаммофильные виды:

ковыль перистый ( Stipa pennata ), тысячелистник Гербера ( Achillea gerberi ), кохия шерстистоцветковая (Kochia 1aniflora ), молочай Сегье ( Euphorbia seguieriana ), цмин песчаный ( Helchrysum arenarium ), тимьян Маршалла ( Thymus marschallianus ), астрагал донской ( Astragalus tanaiticus ), длиннолепестковый ( A. longipetalus ), пузырчатый ( А. physodes ) и др. Территория природного парка включает и интразональный ландшафт долины Дона, с восточной окраиной Арчедино-Донского натер-расного песчаного массива.

С начала 1990-х гг. Н.О. Рябининой проводится систематическое изучение геосистем парка, и совместно с А.В. Холоденко в 2006 г. составлен авторский макет крупномасштабной (масштаб 1:25000) ландшафтной карты с подробным текстовым описанием [11]. Мониторинговые исследования ведутся с 2002 г. с использованием методов по-лустационарных наблюдений на «ключевых» участках, заложенных в типичных урочищах плакорных типов местностей в пределах заповедного степного ядра и особо охраняемой зоны, охватывающей Подгорский меловой ландшафт и Донских «Венцов», закладки геоботанических трансект, укосных (учетных) площадок и др. Они включают наблюдения за изменением видового состава и структуры растительных сообществ, количественный учет биологической продуктивности травянистых сообществ (то есть запасов надземной растительной массы) и мортмассы (ветоши), зависимости продуктивности от режима природопользования (заповедное ядро, агроландшафты и т. д.) и природно-климатических особенностей территории (количество осадков и их распределение в течение вегетационного сезона) [9].

Основным объектом проводимых исследований являются зональные геосистемы типчаково-ковыльных степей. Три мониторинговых «ключевых» участка («Целина 1», «Целина 2», «Целина 3») располагаются в пределах плакорного типа местности ландшафта Донских «Венцов» с целинными ковыльниками на легкосуглинистых маломощных каштановых почвах. Участок «Целина 2» периодически используется как сенокос. Пожары на различных участках Донского природного парка возникают практичес- ки ежегодно и в любое время года, чему способствует малоснежная зима, жаркое и засушливое лето и преобладание ветреной погоды во все сезоны. В летный период главная причина палов – нарушение техники безопасности при проведении сенокоса и других работ. Так возникли наиболее крупные пожары в июле 2009 г. и августе 2006 г., когда выгорело более 1/3 территории парка и станицы Качалинской. Осенью, зимой и весной преднамеренные палы, возникшие при выжигании стерни и пастбищ, переходят с сопредельных агроландшафтов на территорию парка, хотя запасы ветоши в сухостепных геосистемах малы и составляют в среднем на целине 4,2–7,6 ц/га. Подгорский меловой ландшафт почти полностью выгорел в 2009 г. и частично в 2006 и 2008 годах. На некоторых участках ландшафта «Венцов», на приводораздельных и присетевых склонах балки Сухой пожары наблюдаются каждые 2–3 года. Из мониторинговых участков горели: «Целина 1» в 2006 и 2009 гг. и «Целина 2» частично в 2006 г. Участок «Целина 3» не был затронут огнем. Четвертый участок «ВерхнеФилимоновский» заложен на приводораздельном пологом склоне балки Верхне-Филимоновская, где доминируют разнотравно-злаковоковыльные ассоциации на среднесуглинистых каштановых почвах. Он сильно пострадал из-за пожара в конце октября 2011 года.

В результате мониторинговых исследований автором были выявлены следующие тенденции динамики биологической продуктивности ландшафтов типчаково-ковыльных степей. Так как целинный фитоценоз является устойчивым естественным сообществом, характер и тренды динамики его ви- дового состава и структуры обусловлены в большей степени влиянием внешних факторов. С 2001 по 2004 г. на территории северо-востока Восточно-Донской гряды наблюдалась устойчивая тенденция к увеличению общего количества осадков и их равномерное распределение в течение теплого периода года. В 2002 г. выпадение осадков в теплый период года пришлось на май – июнь, а в оставшийся период наблюдалась обычная летняя засуха. Уже в 2003 г. осадки более равномерно распределялись в период с июня по август. В 2004 г. наблюдалось максимальное за последние 20 лет увлажнение в период с мая по сентябрь. Благоприятное сочетание местных климатических факторов отразилось в устойчивом увеличении средней продуктивности целинных ковыльников с 16,8 ц/га в 2002 г. до 42 ц/га в 2005 г. В 2006 г., более засушливые условия во второй половине лета определили общую тенденцию к снижению продуктивности в 2007 г. на 25 – 30%. В 2007 – 2009 гг. количество осадков в общем соответствовало средним многолетним показателям. В 2010 г., несмотря на аномально высокие летние температуры до +42 0С, запас почвенной влаги был достаточным. Средняя продуктивность наземной фитомассы на целине составила 29–40 ц/га. Установлено, что резкое снижение биопродуктивности целинных ковыльников (участок «Целина 1») в 2007, 2009 и 2010 гг., было вызвано пожарами возникшими в августе 2006 г. и 10 июля 2009 г. [7]. Комплексная сильная засуха 2012 г., начавшаяся с конца марта, вызвала резкое снижение биопродуктивности и запасов ветоши на всех «ключевых» участках 2012–2013 гг. (см. таблицу).

Средняя биологическая продуктивность геосистем целинных типчаково-ковыльных степей на «ключевых» участках в 2002–2012 гг.

Под влиянием пожаров, по данным автора, в целинных ковыльниках происходит снижение продуктивности наземной фитомассы в среднем на 40–50 %, из травостоя на 2–4 года практически исчезают бобовые и представители мезофильного разнотравья, полностью погибает мохово-лишайниковый покров и напочвенные водоросли (Nostoc и др.). Запасы ветоши, составлявшие до пожара в среднем 6,5–7 ц/га, сгорают полностью и начинают восстанавливаться при благоприятных условиях на второй – третий год, а в условиях многолетней засухи (2010–2012 гг.) – только на пятый год. В результате количество гумуса снижается на 20–25 %. Если пожары повторяются каждые 3–4 года, то на целинных ковыльниках наблюдается изменение структуры фитоценоза, и вместо ковылей доминантами становятся типчаки (Festuca rupicola и др.). Общее проективное покрытие снижается до 50 %. Из травостоя исчезают или представлены единично виды разнотравья (подмаренник русский, марьянник степной, люцерны, гвоздики). На 30 % сокращается количество экземпляров ириса низкого, на 50– 60 % – адониса и луков, большинство из них зацветает на 2–3 год после пала. Тюльпаны пожар переносят лучше, сокращения взрослых растений не наблюдается, погибают молодые экземпляры и семена. Погибает 20–30 % кустарников спиреи и ракитника русского и до 80–90 % миндаля низкого, выжившие отрастают медленно. Из-за отсутствия ветоши, мхов и лишайников усиливается вымывание и выдувание мелкозема из верхнего слоя почвы. Между дернинами ковыля и типчака наблюдается формирование микроложбин глубиной 5–7 см. После пожара 2009 г. в 2010–2012 гг. ковыли и разнотравье были угнетены и почти не цвели, и красочные аспекты степи наблюдались слабо. При более частых палах дефляционные ложбины углубляются, и над ними, как островки, возвышаются дерновины типчака и ковылей. Семенное возобновление злаков и разнотравья 2–3 года после воздействия огня затруднено, и общее проективное покрытие снижается до 35–40 %. Продуктивность целинных зональных фитоценозов падает в 2–3 раза, в среднем с 27,7–33,4 ц/га до 7,6–17,7 ц/га (см. табл.). Сильнее всего от пожаров страдают меловые ландшафты. Даже единичные палы приводят к полному исчезновению или резкому (на 70–90 %) сокращению эндемичных растений. Так, после пожаров 2006 и 2009 г. на территории Подгорского мелового ландшафта полностью исчезла популяция май-карагана волжского, на 90 % – можжевельника казацкого (остались укоренившееся фрагменты отдельных ветвей), практически исчезли мхи, лишайники и напочвенные водоросли, на 30–40 % снизилось число экземпляров полыни солянковидной, тимьяна мелового, левкоя душистого, наголоватки меловой и астрагалов. Многие растения первый год после пала не цвели. В результате пирогенных изменений активизировались эрозионные процессы на меловых обрывах и крутых склонах южной экспозиции: в течение одного осенне-весеннего сезона произошло углубление на 10–30 см склоновых промоин и каньонов, отступление бровки склона, подвижки меловых осыпей. Следует отметить, что пирогенные воздействия наложились на изменения, вызванные многолетней засухой.

В урочищах байрачно-нагорных и пла-корных дубрав в результате однократного пожара 2006 г. погибло до 30 % дубов, до 50 % липы мелколистной и до 90 % лесной яблони и дикой груши. На опушках восстановление кустарников миндаля низкого, вишни степной, клена татарского и др. произошло через 5 лет к 2011 году. Пожар 2009 г. уничтожил более 2/3 уникальной плакорной Иловлинской дубравы. Сгорели не только деревья, кустарники, но и травяной покров и верхний слой почвы. Частичное восстановление травяного покрова наблюдается только в 2011 г. Максимальный ущерб наносят осенние пожары, когда на поверхности почвы накапливается значительный слой листового опада. В конце октября 2011 г. пожар практически полностью уничтожил Белоусову дубраву и значительных массив нагорно-байрачных лесов на северо-восточном склоне ландшафта Донских «Венцов» и в верховьях балки Верхне-Филимоновской, здесь также выгорел травяной покров и верхний слой почвы. После него в 2012–2013 гг. на Верхне-Филимоновском «ключевом» участке наблюдаются резкие изменения в структуре фитоценозов: из разнотравно-злаково-ковыльные ассоциаций почти полнос- тью исчезают ковыли, пырей и разнотравья, и доминантом становится типчак; проективное покрытие снижается с 90 % до 50 %. В степных пожарах погибает большинство беспозвоночных животных, исчезают места воспроизводства птиц и млекопитающих. Следовательно, пожары на ландшафты сухих степей оказывают исключительно негативное воздействие: на длительный срок (3–5 лет) значительно снижается биологическая продуктивность геосистем, изменяется структура и возрастает однородность растительного покрова, снижается плодородие почв. На вторично степных (залежных) участках снижается сукцессионный статус, увеличивается доля полыней и сорных растений, ухудшается качество пастбищ и сенокосов. Активизируются эрозионные процессы [7].

Комплексное систематическое изучение антропогенных воздействий необходимо для сохранения биологического и ландшафтного разнообразия степной зоны юго-востока Русской равнины. В целом данные многолетнего эколого-ландшафтного мониторинга Донского природного парка являются источником разносторонней информации о природных и антропогенно преобразованных геосистемах и используются при разработке рекомендаций по их восстановлению и охране и оптимизации природопользования.