Изучение территории Койбальской степи Минусинской котловины, находящейся в условиях интенсивного хозяйственного использования, актуально, как и наблюдения за динамикой растительного вещества как многофункционального и интегрального природного компонента. Степи Минусинской котловины, расположенные по Енисейскому меридиану, наиболее теплые и обусловлены их островным характером и наличием в составе растительного покрова большого числа высокогорных, горностепных и монгольских видов растений [1]. Ведущую роль в сложении сообществ настоящих степей играют дерновинные и рыхлокустовые злаки, корневищные и рыхлодерновинные осоки, полукустарнички и кустарники. В любом спонтанно развивающемся растительном покрове образуется определенное количество отмерших надземных органов растений, которые принято называть мортмасса. Изменения мертвой массы в фациях полигон-трансекта происходит в последовательной смене ее внутригодовых состояний, которые обусловлены метеорологическими условиями тепла и влаги, а также влиянием антропогенных нагрузок (пожары).
Основная цель работы: пространственно-временной принцип изучения динамики мортмассы в фациях полигон-трансекта в условиях современного климата территории Койбальской степи Минусинской котловины.
Материалы и методы исследования
Объектом детальных исследований стал полигон-трансект, который расположен в днище котловины с мелкогрядовым и плоскоравнинным обликом рельефа и абсолютными высотами 300–500 м (рис. 1) [2].
Климат котловины довольно теплый: средняя температура июля составляет 19 °С, среднегодовая положительна 0,9 °С. Вегетационный период составляет – 160 суток. В Койбальской степи выпадает 350–450 мм осадков в год. Продолжительность солнечного сияния 2000–2200 ч в год, приход суммарной радиации достигает 100 ккал/см2 в год, причем примерно половина приходится на прямую солнечную радиацию. Большая часть осадков выпадает в летний период, а меньшее количество осадков отмечено зимой. По данным инструментальных измерений по метеоданным ст. «Бея» установлен хорошо выраженный температурный тренд и тренд снижения годового количества атмосферных осадков. Для развития природных систем, как показывают результаты наблюдений авторов других регионов, очень важно их совместное влияние, в то же время они указывают на то, что и антропогенный фактор исключать нельзя, и поэтому состояние компонентов природной среды должно находиться под постоянным контролем [3].
При учете запасов фитомассы использован следующий понятийный аппарат. Термин «фитомасса» – синоним массы растительного вещества (живых и мертвых частей травостоя). Запасы фитомассы характеризуются количеством вещества, создаваемого растениями на единицу площади (г/м2). Учет фитомассы проводился методом укосов. Размер площадок для укосов однородного растительного покрова составлял 0,25 м2, повторность определений 3–5-кратная. Зеленую массу и ветошь срезали на уровне почвы, затем с площадки собирали подстилку. Ветошь и подстилка составляет мертвое вещество и называется мортмасса [4]. Образцы надземной массы, высушенные до абсолютно сухого состояния, взвешивались на электрических весах (ВЛТК-500). Проведенная статистическая обработка материала, собранного за многолетние исследования, показала, что для определения надземной массы достаточно 3–5-ти повторностей с площадок по 0,25 м2. Достоверность учета надземной массы составляет ±15 %.
Результаты исследования и их обсуждение
Каждый исследуемый год своеобразен по метеорологическим условиям своим чередованием сухих и влажных лет на территории Койбальской степи (рис. 2, а).
В среднем для рассматриваемой территории годовая сумма атмосферных осадков за многолетний период с 2000 по 2017 г., по данным метеостанции «Бея», составляет 469 мм. Максимальное количество осадков 618 мм отмечено в 2003 г. минимальное количество осадков 313 мм в 2011 г. (рис. 2, а). Надо отметить, что из-за особенностей климатического режима четко выраженный максимум осадков в летний период отмечается в 2001–2004 гг. Осадки в эти годы превышали среднюю величину в 1,5 раза. Подъем годичного хода осадков на 90 % определяется осадками теплого периода. Минимум отмечен в 2005, 2011 и 2015 гг. Для хода годовых температур характерны значительные колебания с 2000 по 2017 гг. (рис. 2, а). Самые низкие годовые температуры отмечены в 2010 и 2012 гг., а самые высокие показатели – в 2002 и 2007 гг. Величины средних годовых температур в этот период колебались в пределах нормы, отклоняясь в ту или другую сторону до 1,5 °С.
Рис. 1. Топологические подразделения полигона-трансекта Койбальской степи. Фации: I – мелкодерновинно-злаково-тырсовая с караганой степь на поверхности транзита склона южной экспозиции (т. 7); II – осоково-овсецово-тырсовая с караганой степь на вершинной поверхности (т. 15); III – петрофитно-разнотравно-тырсово-типчаковая степь на выровненной поверхности (т. 36); IV – разнотравно-осоково-овсецово-ковыльная степь денудационный склон северной экспозиции (т. 42)
а)
б)
Рис. 2. а) погодичные колебания микроклиматического режима Койбальской степи (данные по метеоданным ст. «Бея»); б) изменение атмосферных осадков в Койбальской степи. Топохроноизоплетами показаны значения осадков за вегетационный период с 2000 по 2017 гг. (данные по метеоданным ст. «Бея»)
Климат котловины довольно теплый, вегетационный период длится с середины апреля до середины октября. При создании пространственно-временных моделей применен метод топохроноизоплет, соединяющих разнозначные величины наблюдаемых показателей, который позволяет выявить и наглядно представить закономерности флуктуаций природных режимов и тенденции их изменений. На рис. 2, б дан ход осадков за вегетационный период по данным метеостанции «Бея», наиболее близко расположенного к ключевому участку стационара, в 30 км от полигон-трансекта, за анализируемый период наблюдений наименьшее количество осадков в основном приходилось на апрель и октябрь месяцы. Можно отметить, что из-за особенностей климатического режима четко выраженный максимум осадков в летний период отмечается с июня по август месяцы.
Исследования по определению сезонной и погодичной динамики мортмассы, проводились на полигон-трансекте Койбальской степи. Изучение закономерностей и функционирования растительного вещества в фациях полигон-трансекта основываются на закономерностях сезонного развития. Фации полигон-трансекта отличаются друг от друга по степени выраженности сезонной и разногодичной изменчивости. Изменение сезонного фона в разные годы в принципе однотипно. Различия отмечаются в основном только по срокам перехода с зеленого на буровато-соломенный цвет. Это зависит от травостоя предшествующего года и от погодных условий осени предыдущего и весны текущего года. Если в предыдущем году был большой урожай надземной массы, то в последующий буроватый ветошный аспект сохранится дольше. Основные изменения в процессе накопления мертвого вещества в сообществах происходят в первой половине лета. При избыточном количестве тепла и отсутствии дождей в летние месяцы (VI–VIII) снижается интенсивность процесса перехода ветоши в подстилку, происходит слабое разложение подстилки, количество мортмассы уменьшается, особенно в засушливые годы. Например, засушливый 2005 г. сильно отразился на 2006 г. и запасы мортмассы. на всех фациях были низкие, независимо от периода вегетации (таблица).
Однако независимо от экологических условий рассматриваемых фаций и общего гидротермического фона с середины июня до середины августа изучение внутригодовой динамики запасов мертвого вещества показало, что его наиболее низкие запасы отмечаются во второй половине теплого периода. С конца августа количество отмерших растительных остатков резко возрастает и в отдельные годы наибольшего значения достигает обычно осенью, что подтверждается данными других исследователей в степных экосистемах Юга Челябинской области, Хакасии, Западного Забайкалья [5–7].
Так как к началу сентября обычно заканчивается цикл развития травостоя, во всех фациях происходит интенсивное накопление новой ветоши и поэтому с сентября до середины октября происходит увеличение мертвого вещества. Анализ внутригодовой динамики запасов мортмассы позволяет в некоторой степени судить об интенсивности процессов разложения в конкретных фациях. Эти высокие показатели свидетельствуют о существенной динамике запасов в течение теплого сезона, с июня по август месяц, низкие указывают на более равномерный и плавный ход изменения запасов мортмассы с сентября по октябрь месяц. Например, отношение максимальных запасов мертвого вещества с июня по август на южном склоне – ф. I в 2004 г. (200 г/м2) к минимальным 2005 г. (23 г/м2) равно 9,0 (таблица). Минимальная изменчивость запасов в многолетнем цикле за период IX–X месяц приурочена к фации IV северного склона (отношение максимальных запасов 2004 г. – 91 г/м2, к минимальным 2017 г. – 37 г/м2 равно 2,5). Выделяются периоды резких колебаний запасов мортмассы, которые приходятся на послепаловые годы (2003, 2009, 2014 гг.). Высокие колебания запасов мертвого вещества по годам обусловлены, прежде всего, антропогенным воздействием (весенние и редкие осенние палы), в результате которых уничтожается мортмасса текущего года и предшествующего. Проявление частых весенних пожаров Койбальской степи наносит ущерб и приводит к уничтожению мортмассы фитоценозов, они, как правило, происходят при ветреной погоде и бывают кратковременными, в результате чего корневая система и почки возобновления обычно не повреждаются, более страдает мортмасса и семенной фонд.
Сезонная динамика мортмассы фаций полигон-трансекта Койбальской степи в многолетнем ряду, г/м2 (абс. сух. вес)
|
Год |
Фация I (т. 7) Сроки вегетации |
Фация II (т. 15) Сроки вегетации |
Фация III (т. 36) Сроки вегетации |
Фация IV (т. 42) Сроки вегетации |
||||||||
|
IV–V |
VI–VIII |
IX–X |
IV–V |
VI–VIII |
IX–X |
IV–V |
VI–VIII |
IX–X |
IV–V |
VI–VIII |
IX–X |
|
|
2001 |
115 |
43 |
127 |
117 |
124 |
92 |
103 |
103 |
73 |
139 |
75 |
77 |
|
2002 |
96 |
71 |
119 |
129 |
109 |
161 |
100 |
28 |
70 |
134 |
23 |
74 |
|
2003 |
91 |
152 |
112 |
93 |
204 |
143 |
67 |
116 |
19 |
92 |
32 |
51 |
|
2004 |
136 |
207 |
175 |
200 |
46 |
249 |
132 |
56 |
79 |
163 |
66 |
91 |
|
2005 |
145 |
23 |
100 |
247 |
21 |
77 |
130 |
18 |
38 |
104 |
22 |
55 |
|
2006 |
51 |
44 |
64 |
62 |
30 |
97 |
51 |
35 |
79 |
81 |
39 |
45 |
|
2007 |
157 |
63 |
100 |
117 |
39 |
100 |
85 |
29 |
38 |
118 |
32 |
66 |
|
2008 |
121 |
54 |
118 |
171 |
41 |
142 |
133 |
23 |
12 |
83 |
41 |
46 |
|
2009 |
99 |
66 |
140 |
147 |
37 |
122 |
73 |
32 |
24 |
138 |
42 |
79 |
|
2010 |
118 |
76 |
164 |
166 |
32 |
181 |
97 |
41 |
20 |
142 |
28 |
81 |
|
2011 |
137 |
45 |
178 |
189 |
18 |
212 |
122 |
23 |
28 |
177 |
18 |
63 |
|
2012 |
149 |
24 |
193 |
194 |
5 |
146 |
144 |
5 |
3 |
145 |
7 |
74 |
|
2013 |
163 |
146 |
114 |
200 |
122 |
179 |
161 |
66 |
58 |
114 |
48 |
59 |
|
2014 |
96 |
98 |
135 |
163 |
72 |
156 |
109 |
81 |
55 |
133 |
17 |
74 |
|
2015 |
114 |
104 |
137 |
142 |
17 |
115 |
183 |
33 |
22 |
107 |
17 |
59 |
|
2016 |
115 |
119 |
101 |
105 |
101 |
66 |
83 |
93 |
65 |
81 |
49 |
46 |
|
2017 |
101 |
71 |
111 |
91 |
72 |
48 |
96 |
54 |
37 |
87 |
48 |
37 |
Рис. 3. Пространственно-временная изменчивость запасов мортмассы на полигон-трансекте Койбальской степи, в многолетнем ряду, г/м2
На построенных моделях по средним запасам мортмассы топохроноизоплеты наглядно показывают флуктуации по годам и фациям, при одинаковом поступлении тепла и влаги. Пространственно-временные изменения запасов мортмассы в сопряженном ряду фаций полигон-трансекта представляют собой стационарную модель Койбальской степи. Стационарные наблюдения в степных фациях полигон-трансекта показали значительные колебания мертвой массы в зависимости от погодной обстановки от года к году. Сравнивая три смежных года (2004, 2005 и 2006), видим, что 2005 г. характеризуется пониженной величиной запасов мортмассы до 50 г/м2 в связи с засушливым летом и малым количеством осадков, что отразилось на всех фациях, но больше всего на фации выровненной поверхности фации III – петрофитно-разнотравно-тырсово-типчаковой в 2006 г. (рис. 3).
Количественно оценить зависимость запасов мортмассы от погодных условий, довольно затруднительно, ибо травостой по–разному реагирует на условия окружающей среды, т.е. имеет свои особые ритмы отмирания. Причем каждый год фации имеют свои периодичности в изменении мортмассы и свои амплитуды колебаний. Самые высокие запасы мертвого вещества наблюдаются в пространственно-временном ряду (1995, 1998, 2003 гг.) на фации I – мелкодерновинно-злаково-тырсовой с караганой растительности на поверхности транзита склона южной экспозиции и II – осоково-овсецово-тырсовой с карагановой растительностью на вершинной поверхности полигон-трансекта в 2012 г. до 200 г/м2.
Выводы
1. В сообществах Койбальской степи отражены основные пространственно-временные закономерности мертвого вещества в фациях полигон-трансекта зависимости от гидротермических условий за период 2000–2017 гг.
2. За длительный период наблюдений выявлены значительные флуктуации мортмассы, на полигон-трансекте и в сезонной динамике максимум мортмассы приурочен к весеннему и осеннему периоду. Наибольшее количество мертвого вещества накапливается во влажные годы. Минимальное количество мортмассы отмечено в сухие годы в вершинных фациях. Однако эта закономерность может нарушаться и меняться, за счет весенних и осенних палов.
3. В результате многолетних наблюдений стало возможным получить картину пространственно-временной динамики мертвого вещества и выявить четкую пофациальную изменчивость мортмассы, обусловленную топологическими закономерностями и гидротермических условий сухих и влажных лет.