Опустынивание, охватившее в течение последних десятилетий многие аридные области Земли [1, 2] , не обошло стороной и северо-западную часть Прикаспийской низменности, более известную под названием Черные земли. Сценарий развития составляющих этого негативного процесса отражен в ряде публикаций, в том числе вскрыты факторы опустынивания [3, 4].

При решении проблемы борьбы с опустыниванием в аридных районах мира первоочередная роль отводится наиболее эффективным системам - пастбищеобороту и фитомелиорации [5, 6].

Практическая фитомелиорация на Черных землях (очаги дефляции, деградированные пастбища), опираясь на имеющиеся научные проработки преимущественно агротехнического плана [7-11] , уже с первых шагов столкнулась с большими трудностями и неудачами.

Разработка научных основ фитомелиорации, безусловно, требовала экологического подхода и внесения изменений в традиционные методы. Дело в том, что этот регион, наряду с чертами, присущими полупустынной и пустынной зонам, специфичен и более труден для преобразования не только в связи с ветровой эрозией. Аридность и гидрографическая бессточность, засоленность пород и широкое распространение почв солонцово-солончакового ряда, почвенно-растительная и гидрологическая неоднородность (комплексы и другие динамичные структуры) позволили И. П. Герасимову [12] обособить Прикаспийскую низменность в ландшафтном отношении от соседних с ней территорий и рассматривать как своеобразный аванпост солончаковых пустынь Средней Азии, выдвинутый далеко на северо-запад Европейской части. Кроме того, при всем многообразии типов засоления господствующее положение занимает здесь хлоридное, более токсичное для растений [13].

Учитывая необходимость повышения эффективности фитомелиорации пастбищ и открытых песков региона как основных направлений получения кормов, подавления опустынивания и ликвидации его последствий, было принято решение перейти на скоординированные совместные действия в системе наука-проект-производство, провести серию эколого-технологических исследований и организационно-хозяйственных мер в следующих взаимосвязанных направлениях:

- оценка степени изученности проблемы;

- разработка экологических основ фитомелиорации;

- разработка и усовершенствование технологических основ создания пастбищ, закрепления открытых песков и эффективных режимов использования;

- организация семеноводства аридных кормовых растений и создание питомников для выращивания посадочного материала пескоукрепительных культур;

- реконструкция серийных сельскохозяйственных машин и орудий с учетом особенностей возделываемых растений;

- разработка рекомендаций, предложений, технологий, а также материалов для "Генеральной схемы по борьбе с опустыниванием Черных земель и Кизлярских пастбищ" и внедрение их в производство.

Экологические основы фитомелиорации.

На наш взгляд, пастбищные экосистемы, создаваемые взамен деградированных естественных, должны быть долголетними, высокопродуктивными, адаптивными и экологически сбалансированными.

Для реализации этой цели была получена информация, комплексно оценивающая первоочередные лимитирующие факторы (влага, химизм почвогрунтов) и эколого-биологические свойства засухоустойчивых и солевыносливых видов различных жизненных форм и феноритмотипов в условиях культуры и в местах естественного произрастания, сопряженно оценивающая гидротермические факторы и динамику продуцирования созданных агроценозов, а также степень сбалансированности агроэкосистем по влаге и особенности популяционного влияния на гидрологические профили при непромывном типе водного режима.

В основе такого подхода - фундаментальные теоретические положения современной экологии: правило экологической индивидуальности растительных видов [14], законы минимума Либиха и толерантности Шелфорда [15], концепции оптимумов и экологических ниш видов [15-17].

Анализ собранной таким образом информации позволил заключить, что фитомелиоранты для той или иной отведенной под улучшение территории должны подбираться по принципу адекватности в системе "растение-абиотическая среда". То есть абиотические параметры территории должны соответствовать экологическим потребностям видов, быть в пределах их зоны толерантности, а более гарантированно и эффективно - в зоне оптимума [18-20].

Этот принцип распространяется не только на формирование одновидовых агроценозов. Полагаем, что он должен предшествовать принципу взаимодополняемости видов, который применяется при конструировании сложных агроценозов, исходит из представлений Л. Г. Раменского [21] и К. А. Куркина [22] и хорошо зарекомендовал себя в аридных районах Средней Азии [23, 24].

По существу, при взаимодополнении видов, способных произрастать на одной территории, выдерживается принцип Г.Ф.Гаузе: за счет пространственно-временной дифференциации экологических ниш видов между ними снижается конкуренция и повышается совокупное использование ресурсов.

Соблюдение принципа адекватности остается в силе также при подборе фитомелиорантов для закрепления открытых песков. Кроме того, предлагается применение принципа сукцессионной дополняемости - замещаемости видов, согласно которому поэтапно формируются агроценозы сначала противоэрозионного назначения, а затем - пастбищного, с выходом в конечном итоге на замещение первых вторыми [19].

Исследованиями были охвачены бурые и лугово-бурые полупустынные почвы, солонцы различной гидрологии и пески. Эти компоненты зональных структур, судя по имеющимся данным [25, 26] , согласно схеме Г. Н. Высоцкого, дополненной А. А. Роде [27], имеют непромывной, десуктивно-выпотной, выпотной промывной и периодически промывной типы водного режима. Наибольшее внимание было уделено изучению господствующих в регионе бурых почв и присущему им непромывному водному режиму.

Исходя из того, что динамику почвенных влагозапасов важно знать (одна из задач - водный баланс экосистем), а более полное представление о водообеспеченности растений все же дают материалы о качественном состоянии влаги и ее доступности для растений, которых в известной нам литературе для экологической группы ксерофитов нет, были определены водно-физические константы, а влага оценена по категориям доступности [28, 29] .

Учитывая неравнозначное содержание влаги в различных слоях трехметровой толщи почвогрунта, источники ее поступления и степень доступности для растений, гидрологический профиль агроценозов на бурых почвах разделен нами на три горизонта [18, 30] :

1. Пермацидный горизонт (0-0,5 м) - на начало вегетационного периода самая высокая увлажненность, лежащая в слое 0-30 см в интервале наименьшая влагоемкость (НВ) - влажность разрыва капилляров (ВРК), ниже - близка ВРК; в мае-июне влажность ниже ВРК и близка влажности завядания (ВЗ), а в последующие месяцы снижается до ВЗ, максимальной гигроскопичности (МГ) и ниже.

2. Импермацидный горизонт наибольшего десуктивного иссушения (0,5-1 м) - с весны влажность близка ВЗ, с мая-июня горизонт лишен продуктивных влагозапасов - влажность в интервалах ВЗ-МГ и МГ - максимальная адсорбционная влагоемкость (МАВ).

3. Импермацидный конденсационный горизонт (1-3 м), обогащаемый влагой осенью за счет поступления ее в форме пара из нижележащих слоев с последующей конденсацией вследствие направленности температурного градиента книзу. Этот горизонт на начало вегетации растений имеет увлажненность в интервале ВРК-ВЗ. Летом - приближение к ВЗ, а с августа по октябрь - поступление влаги снизу.

Показано, что основное количество влаги сосредоточено в пермацидном и импермацидном конденсационном горизонтах, и трихогидрофиты полнее используют ее, чем омброфиты.

Эдафотопы созданных и естественных экосистем закономерно различны по физико-химическим свойствам. Они трудны как объект фитомелиорации не только в связи с опасностью развития ветровой эрозии и повышенной плотностью иллювиального горизонта, но и в связи с засолением. Отсутствие засоления было отмечено нами только для части бурых почв и открытых песков, а в основном имели дело с почвогрунтами различной степени (от слабой до очень сильной) и типов засоления при залегании основной массы солей на разной глубине.

Из вовлеченных в работу представителей местной дикорастущей флоры и инорайонных видов к перспективным для решения проблемы отнесены: прутняк серый - Kochia prostrata (L.) Schrad. subsp. grisea Prat. и зеленоватый subsp. virescens (Fenzl.) Prat. (соответственно песчаный и солонцовый экотипы), виды терескена - Ceratoides sp., полынь белая - Artemisia lerchiana Web., камфоросма Лессинга - Camphorosma lessingiana Litv., житняк сибирский - Agropyron fragile (Roth.) P. Candargy и сорта на его основе, типчак - Festuca valesiaca Gaudin., пырей удлиненный - Elytrigia elongata (Host.) Nevski., сорт "Ставропольский-10", Джузгун - Calligonum aphyllum (Pall.) Guerke и кияк - Leymus rasemosus (Lam.) Tzvel.

Получены материалы, характеризующие лабораторную и полевую всхожесть семян, численность популяции и выживаемость особей, возрастное состояние, продолжительность жизни популяции, фенологию, динамику роста, корневые системы и типы водного питания растений.

Выяснилось, что, как и в других районах аридной зоны, фитомелиоранты в культуре имеют укороченный виргинильный период жизненного цикла - переход в генеративное состояние в течение первого-второго года жизни. Численность популяции стабилизируется за три года. Переход в сенильное состояние постепенный и начинается у прутняка, терескена, камфоросмы с восьмого, у житняка, джузгуна и кияка - с седьмого, у полыни - с пятого года жизни. Это представители двух феноритмотипов, а следовательно, возможно сезонное взаимодополнение.

На бурых почвах корневые системы прутняка, терескена, камфоросмы проникают на глубину соответственно 2,78, 2,90, 2,30 м и имеют типичное двухъярусное строение с максимальным ветвлением в горизонтах наибольшего содержания влаги - пермацидном и импермацидном конденсационнном. У полыни, житняка и типчака основная масса корней сосредоточена в пермацидном горизонте при углублении отдельных корней до 1,15, 1,10 и 0,90 м. Специфичны корневые системы кияка и джузгуна: они проникают на глубину соответственно 1,5 и 2,5 м при горизонтальном распространении до 3,0 и 10,0 м.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что в Прикаспии прутняк, терескен, камфоросма, джузгун и кияк по типу водного питания могут быть как относительными, так и абсолютными трихогидрофитами, а три первых вида - дополнительно и фреатофитами. Полынь, житняк и типчак являются омброфитами, а пырей - фреатофитом.

Созданные экосистемы в совокупности с естественными либо без них следует рационально использовать. Чтобы разработать схемы пастбищеоборотов, необходимо иметь информацию о разногодичной и сезонной динамике пастбищных кормозапасов.

Запасы зеленой (сырой) фитомассы у однокомпонентных агроценозов определялись в сроки смены фаз развития растений. Одновременно изучались интенсивность транспирации, влажность почвы и другие функциональные показатели. Приуроченность учетов к сменам фаз была нацелена на получение представления о сезонной ритмике растений, которая является совокупностью адаптаций.

Установлено, что наиболее продуктивными на бурых почвах и в деструктивных областях очагов дефляции являются агроценозы прутняка и терескена. В первом случае преимущества за прутняком, во втором - за терескеном в связи с его повышенной отзывчивостью на дополнительную влагу, поступающую из нижележащих слоев почвы. Высокий уровень продуцирования этих видов объясняется способностью более полно использовать ресурсы среды в пространстве и во времени: совпадение зон максимального ветвления корней с горизонтами концентрации доступной влаги, отсутствие летнего полупокоя.

В сезонном разрезе максимумы абсолютно сухой фитомассы и энергии (годичная и пастбищная продуктивность) агроценозы прутняка, полыни и камфоросмы обеспечивают в конце октября, терескена - в третьей декаде августа, многолетних трав - в конце июня. На бурых почвах среднемноголетние показатели следующие: прутняк песчаный - 2,02 т/га, солонцовый - 1,2, терескен - 1,66, полынь -1,25, камфоросма - 0,87, житняк - 1,04, типчак - 0,61 т/га, что в 2 (типчак) - 8 (прутняк) раз выше средней продуктивности естественных пастбищ региона. В переводе на обменную энергию, к примеру, для прутняка песчаного, полыни и житняка годичная пастбищная продуктивность составляет соответственно 15435, 9138 и 7426 МДж [18, 20] . Выяснилось, что в засушливые и особо благоприятные годы продуктивность агроценозов отклоняется от средних величин на 50 %.

Определены пофазные показатели интенсивности продуцирования (среднедневная продуктивность). Выявлены особенности ритмики: у всех видов темпы накопления сухой фитомассы нарастают от начала вегетации до третьей декады мая, до перехода к бутонизации и колошению, и держатся в течение месяца на максимально высоком уровне (майско-июньский пик), затем, при переходе всех видов (кроме полыни) к цветению, происходит сначала резкое, а потом более плавное замедление процесса. Этот ритм аналогичен ритму интенсивности транспирации. Показано [18, 31] , что если в период отрастания растения, кроме периодически выпадающих осадков, используют в основном среднедоступную почвенную влагу (НВ-ВРК), то бутонизация и колошение у них протекают с использованием труднодоступной влаги (ВРК-ВЗ) и сопровождаются наибольшим снижением оводненности фитомассы. С переходом к цветению и до прекращения вегетации растения вынуждены пользоваться очень труднодоступной влагой (ВЗ-МГ, МГ-МАВ), причем увлажненность второго полуметрового слоя ежегодно падает до 0,6-0,8 МГ.

Разработаны основы прогнозирования годичной продуктивности: выявлена степень зависимости ее от начальных влагозапасов в корнеобитаемой зоне, осадков, температур текущего года, а также в связи с неизменной сезонной ритмикой продуцирования; показана возможность прогноза по кормозапасам второй декады мая [18].

Материалы, комплексно оценивающие водно-солевой режим почвогрунтов и отношение к ним растений, расширяют представление о галотолерантности видов и дают возможность реализовать принцип адекватности в системе растение - абиотическая среда.

Оптимум псаммофитов джузгуна и кияка был только уточнен, ибо их приспособленность к произрастанию на незасоленных песках и в деструктивных областях очагов дефляции с умеренным засолением наглядно свидетельствует об экологических потребностях. Остальные перспективные фитомелиоранты прошли через детальную проверку. При показателях продуктивности вдвое ниже вышеуказанных среднемноголетних величин состояние популяции оценивалось как угнетенное (зоны пессимума).

Приведем в качестве примера фрагмент информации, предлагаемой производству:

Для создания пастбищ на бурых почвах и автоморфных солонцах, закономерно имеющих непромывной тип водного режима, нужно проанализировать соответствие химизма почвогрунтов требовательности песчаного и солонцового экотипов прутняка, терескена, камфоросмы, полыни белой, житняка сибирского и типчака, учитывая, что:

а) отсутствие засоления - оптимальный вариант для всех видов, кроме камфоросмы, продуктивность которой возрастает вдвое при возделывании на солонцах;

б) эти виды продуцируют на высоком уровне при различных типах засоления; токсичность солей возрастает от сульфатного к хлоридному и хлоридно-содовому, а в пределах каждого типа - по мере поднятия к поверхности верхней солевой границы (на глубокосолончаковатых и глубокозасоленных почвах высокая продуктивность сохраняется при слабом хлоридно-содовом, сильном сульфатно-хлоридном и очень сильном хлоридно-сульфатном и сульфатном засолении);

в) в условиях типичного для региона хлоридного солончакового и солончаковатого засоления оптимумы популяций ограничиваются содержанием хлор-иона в слое 30-100 см в виде прослоек в количестве: житняк - 0,1 %, прутняк песчаный, терескен - 0,2, камфоросма, полынь - 0,5, прутняк солонцовый - 0,6 % (при содержании хлор-иона в этом же слое свыше 0,25 % целесообразно вместо прутняка песчаного и терескена высевать прутняк солонцовый и полынь, у которых в интервале 0,25-0,30 % С1- продуктивность будет одинаковой, а при 0,3-0,6 % С1- - у полыни в 2-3 раза ниже);

г) перечисленные виды без помех выдерживают в корнеобитаемой зоне (но не с поверхности) прослойки слабого и среднего, а прутняк солонцовый - даже сильного содово-хлоридного и хлоридно-содового засоления, но чувствуют себя угнетенно при однотипном и нарастающем с глубиной засолении всей корнеобитаемой зоны.

Выяснилось, что экосистемы с агроценозами полукустарничков на бурых почвах имеют подвижно-равновесный водный баланс с тенденцией к положительному по мере старения особей, а с агроценозами многолетних трав - отрицательный с прогрессирующим непродуктивным расходом и неполным использованием влаги нижних слоев. Допускается, что благодаря сбалансированности расходно-приходных показателей и высокому уровню биотичности агроценозы полукустарничков будут устойчивее во времени, чем агроценозы житняка и типчака [18, 31,32] .

Технологические основы фитомелиорации. Массивы открытых песков (очаги дефляции) неоднородны в эколого-морфологическом отношении. Они состоят из трех областей: деструктивной (подовой), деструктивно-аккумулятивной (барханной) и аккумулятивной [32]. Это обстоятельство учтено при разработке технологии поэтапного закрепления открытых песков растениями с ускоренной трансформацией их в пастбища. Технология предусматривает выполнение следующих операций [34, 35]:

Первый этап - 1-й год (осень): посев кияка в подовой и барханной областях очагов дефляции с использованием переоборудованного КПГ-2,2, на который установлен рабочий орган для нарезки борозды глубиной до 15 см и бункер для семян с высевающим туковым аппаратом. Расстояние между полосами - 10,0 м, норма высева семян - 6 кг/га, сроки проведения работ - со второй половины августа по ноябрь.

Второй этап - 2-й год (весна): посадка саженцев в междурядьях кияка по осям лент. В барханной области производится посадка крупномерных саженцев джузгуна лесопосадочными машинами (МЛБ-1, МЛУ-1, ВУМ-60) на глубину 0,6-0,7 м. Расстояние между саженцами в рядах 1,5-2,0 м. Сроки посадки - март, апрель. В подовой и аккумулятивной областях проводится посадка терескена по предварительно обработанной плоскорезами типа КПГ-250 на глубину 25 см почве (ленты). Расстояние между осями лент - 5 м, между посадочными местами в рядах - 0,7 м. Стандартные сеянцы терескена высаживаются сажалкой СЛЧ-1, сроки - март, апрель.

Хорошие результаты получены также при создании терескеновых агроценозов на подах посевом семенной листостебельной массы (ворох) машинами типа РУМ.

Третий этап - 2-й год (осень): во всех областях очагов дефляции в межполосные пространства кияка и кустарников вводятся кормовые растения: житняк сибирский и песчаный экотип прутняка. Применяются сеялки СЗТ-3,6 либо СЗП-3,6. Житняк высевается в сентябре нормой 6 кг/га (3,5 млн шт./га всхожих семян), глубина заделки семян - 2-3 см, ширина междурядий - 45 см. При посеве прутняка пружины сошников сеялки ослабляются так, чтобы диски слегка касались поверхности песка. Норма высева - 2,0-2,5 млн шт./га всхожих семян, ширина междурядий - 60 см, сроки посева - с третьей декады ноября до середины февраля. Полынь высевается ворохом машинами типа РУМ в те же сроки в деструктивных и аккумулятивных областях с послепосевным прикатыванием кольчато-шпоровыми катками.

В среднем за 7 лет продуктивность посевов кияка, житняка, полыни, прутняка на закрепленных песках составила соответственно 2,6, 0,98, 1,3 и 1,5 т/га сухой фитомассы. Агроценозы терескена, созданные на подах посевом вороха, на четвертом году жизни обеспечивали 3,59 т/га сухой фитомассы.

Предлагаемые теоретические и практические разработки конструирования пастбищных экосистем применимы не только на Черных землях Калмыкии, но и в других регионах Юга России и прилегающих территорий.

?

ЛИТЕРАТУРА

1. Проблемы освоения пустынь. 1978. ? 3.

2. Глянц Майкл Г. Вслед за плугом - засуха: использование маргинальных земель. М., 1996.

3. Виноградов Б. В. Современная динамика и экологическое прогнозирование природных условии в Калмыкии // Проблемы освоения пустынь. 1993. ? 1.С. 29-37.

4. Зонн И. С. Республика Калмыкия-Хальмг Тангч - Европейский регион экологической напряженности // Биота и природная среда Калмыкии. Москва-Элиста, 1995. С. 6-18.

5. Рациональное использование пастбищ в зарубежных странах: Обзорная информация. М., 1974.

6. Зонн И. С., Орловский Н. С. Опустынивание: стратегия борьбы. Ашхабад, 1984.

7. Аверьянов Ф. А. По вопросу о закреплении и облесении Астраханских песков // Сборник статей по песчано-овражным работам. Петроград, 1916. С. 153-209.

8. Анфиногентов П. И. Прутняк (кохия простертая, зултргнэ). Элиста, 1939.

9. Бегучев П. П., Леонтьева И. П. Прутняк (зултрган) - ценная кормовая культура в Калмыкии. Элиста, 1960.

10. Филоненко В. А. Агротехнические основы улучшения полупустынных пастбищ Черных земель: Автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Душанбе, 1973.

11. Смагин В. П. Агротехника выращивания прутняка, житняка и их смесей в условиях полупустыни Черных земель: Автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Ставрополь, 1975.

12. Герасимов И. П. Почвы Прикаспийской низменности // Почвы СССР. М.-Л., 1939. Т. 8. С. 277-296.

13. Ковда В. А. Происхождение и режим засоленных почв. М.-Л.,1946.Ч.1

14. Раменский Л. Г. Основные закономерности растительного покрова. Воронеж, 1925.

15. Одум Ю. Основы экологии. М., 1975.

16. Миркин Б. М., Розенберг Г. С. Фитоценология. Принципы и методы. М., 1978.

17. Работнов Т. А. Фитоценология. М., 1983.

18. Лачко О. А. Эколого-экспериментальные основы создания пастбищных агроценозов в Северо-Западном Прикаспии: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М., 1991.

19. Лачко О. А., Лачко О. А. Фитоэкологические концепции и принципы в системе действий по борьбе с опустыниванием // Аридные экосистемы. 1995. Т. 1. ? 1. С. 16-21.

20. Суслякова Г. О. Материалы к соблюдению принципа адекватности в системе полынь - почвогрунт при фитомелиорации // Охрана почв Калмыкии. Элиста, 1996. Вып. 1. С. 123-130.

21. Раменский Л. Г. Введение в комплексное почвенно-геоботаническое исследование земель. М., 1938.

22. Куркин К. А. Принципы конструирования высокопродуктивных луговых агрофитоценозов // Материалы III Всесоюз. совещ. по проблемам агрофитоценологии и агробиоценологии. Ижевск, 1983. С. 29-38.

23. Нечаева Н. Т., Приходько С. Я. Искусственные зимние пастбища в предгорных пустынях Средней Азии. Ашхабад, 1966.

24. Шамсутдинов З. Ш. Создание долголетних пастбищ в аридной зоне Средней Азии. Ташкент, 1975.

25. Болышев Н. Н., Бирюков Н. С. Почвенно-мелиоративная оценка западной части Прикаспийской низменности // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 6. 1967. ? 4. С. 3-13.

26. Кулик Н. Ф. Водный режим песков аридной зоны. Л., 1979.

27. Роде А. А. Водный режим почв и его регулирование. М., 1963.

28. Долгов С. И. Исследования подвижности почвенной влаги и ее доступности для растений. М.-Л., 1948.

29. Роде А. А. Основы учения о почвенной влаге. Л., 1969. Т. 2.

30. Лачко О. А. Особенности использования почвенной влаги агроценозами Kochia prostrata (L.) Schrad. в Северо-Западном Прикаспии // Проблемы освоения пустынь. 1985. ? 1. С. 69-74.

31. Лачко О. А. Водный баланс пастбищных агроценозов в Северо-Западном Прикаспии // Проблемы освоения пустынь. 1988. ? 2. С. 30-37.

32. Лачко О. А., Суслякова Г. О. Биоэкологическая сущность пастбищной дигрессии в Калмыкии // Аридные экосистемы. 1997. Т. 3. ? 5. С. 75-80.

33. Петров В. И., Кузин А. Н., Филимонов И. А. Эколого-морфологические особенности и лесомелиоративное освоение современных очагов дефляции в Северо-Западном Прикаспии // Бюл. ВНИАЛМИ. 1979. Вып. 2(30).С. 4-8.

34. Лачко О. А., Суслякова Г. О., Лачко О. А. Эколого-биологические и агротехнические основы создания пастбищ // Кормовые культуры. 1989. ? 6. С. 15-19.

35. Дорджиев В. П. и др. Технология создания пастбищных агроценозов на песках и ее биоэнергетическая оценка. Элиста, 1993.

24 июля 2000 г.

?