Млекопитающие как функциональный элемент в формировании оптимального физико-химического режима лесных почв в условиях степной зоны
А.Е. Пахомов
Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск, Украина
Лесные экосистемы в степях Украины функционируют в несвойственных для них географических и часто в экологических условиях. Наиболее соответствующие экологические условия для их существования образуются по долинам рек и глубоким балкам с выходом подземных вод. В плакорных условиях междуречья сформировались жесткие условия, по многим параметрам затрудняющие нормальное функционирование лесных систем, несмотря на наличие, более плодородных почв – черноземов. Наиболее важными факторами, ухудшающими экологические условия для функционирования лесных экосистем в степной зоне, являются засушливый континентальный климат. Испаряемость значительно превышает годовое количество осадков (коэффициент увлажнения 0,3-0,6). Характерны сильные ветра юго-восточных и северо-восточных румбов с частыми суховеями и пыльными бурями. Подземные воды на плакоре залегают на глубинах 15-30 м и на увлажнение почвы оказывают незначительное влияние. Недостаточная увлажненность почв, повышенная испаряемость, суховеи приводят к увеличению твердости почвы, уменьшению аэрации, растрескиванию поверхности и усилению испарения. Нарушается баланс экологических условий в почвах, затрудняются процессы развития и естественного возобновления лесных экосистем. Но, несмотря на влияние жестких условий степи, лесные экосистемы функционируют в условиях, близких к оптимальным.
На формирование устойчивого экологического баланса почв в условиях плакора в степи, в значительной степени оказывают влияние функциональные проявления животного населения. В зооценозе одним из многочисленных и распространенных средопреобразующих функциональных биотических элементов являются млекопитающие (Mammalia: Insectivora, Rodentia, Carnivora, Artiodactyla и др.). Их роющая и трофо-метаболическая деятельность усиливает биологические процессы, происходящие в почвах, и создает минимум экологических условий для существования леса в плакорных условиях степи.
Для изучения этого влияния исследовались физико-химические условия почв, их микрофлора, ферментативная активность, суммарное содержание аминокислот, почвенное дыхание, развитие растительного покрова и животного населения. Основной методический прием заключался в сравнительном анализе проб в местах воздействия млекопитающих на почву и в контроле (без влияния животных) в идентичных пространственно-временных условиях. Отбор и анализ почв производился на основе апробированных методов исследования почв.
На основании многолетних исследований (1980-2000 гг.) были установлены следующие закономерности в проявлении функционального воздействия млекопитающих на стабилизацию экологических условий в жестких условиях степи. Роющая и экскреторная деятельность млекопитающих является эффективным и масштабным экологическим фактором. Роющей деятельностью млекопитающих охватывается в степных лесах в различные годы от 3 до 60 % территории (при среднем значении – 12 %). Экскреторная деятельность практически охватывает всю территорию с поступлением экскреторного опада до 170-485 кг/га (абсолютно сухой вес). Оба вида этой деятельности, несмотря на их различия, обусловливают адекватную реакцию почвенного покрова. Во всех приведенных характеристиках первые данные характеризуют влияние роющей деятельности млекопитающих, вторые – экскреторную. Прежде всего, уменьшается твердость почвы в 4-17 раз и в 1,1-1,3 раза. Порозность и аэрация почв возрастает на 13-39 и 6,0-14,3 %. В зоне активной деятельности почвороев дополнительно образуется 2-25 м3 /га воздушного объема почвы. В зоне дефицита влаги увеличивается полевая влажность почвы на 4,6-23,0 и на 1,7-11,0 %. Эффективность этого воздействия тем выше, чем больший дефицит влаги в почве. Общий прирост влагоемкости в системе под воздействием различных функциональных проявлений возрастает на 1,5-3,5 %. Оптимизируется термический режим почвы. Температура почвы, как правило, несколько снижается и стабилизируется в верхних горизонтах почвы, что способствует и уменьшению степени испаряемости и улучшению условий почвенного питания растений. Под воздействием млекопитающих изменяется химический режим почвы. Прежде всего, усиливается процесс гумусообразования в гумусовом горизонте – на 10-40 % и 9,8-31,6 %. Снижается кислотность почв на 5,99-14,3 % и 2,8-16,2 %. Под воздействием роющей деятельности усиливается миграция химических элементов. С более глубоких горизонтов выводятся в верхние слои и вовлекаются в биотический круговорот дополнительно до 30-70 кг/га микроэлементов. Роющая и трофическая деятельность интенсифицирует процессы минерализации мертвого покрова и ускоряет круговорот веществ в 1,2-1,7 раза, приближая его к зональному лесному типу.
Приведенная характеристика роющей и экскреторной деятельности млекопитающих обусловливает в значительной мере выработку биохимических механизмов гомеостаза в почвенном блоке и повышает экологическую устойчивость всей системы.
Разные формы средообразующего воздействия млекопитающих являются мощным экологическим фактором, повышающим биоразнообразие в почвенном покрове, способствующим восстановлению микробо- и зоодеструкторов. Это, в свою очередь, обусловливает формирование множественности и комплиментарности биотических элементов, расширяющих возможность биотических связей с компенсацией стрессовых ситуаций. Но в наибольшей степени путем формирования физико-химического режима почвы эта средопреобразующая функциональная направленность выравнивает дефицит полевого увлажнения в жестких условиях степи, который еще более усугубляется мощным техногенным воздействием на почвенный покров. Кроме непосредственного воздействия на физические механизмы сохранения влагоемкости вступает в действие и химический механизм. Физиологами и агрономами-почвоведами установлено, что потребность растений в воде значительно сокращается при обильном снабжении их питательными веществами. На этом основано применение органоминеральных удобрений в агрономии для снижения негативного воздействия засушливого периода. Различные виды средообразующей деятельности с одной стороны, обеспечивают естественную влажность и повышают водопроницаемость почв, с другой – значительно увеличивают в почве содержание органических и минеральных веществ, которые повышают устойчивость фитоценоза к недостатку влаги. Это объясняется тем, что дополнительное поступление элементов минерального и органического питания снижает потребность растений в воде и тем самым уменьшает «физиологическую сухость» местообитания, делая его пригодным для более влаголюбивых форм растений. Как правило, корневые системы компенсируют водный стресс усилением «дыхания» и интенсификацией окислительных процессов. Рост биологической активности почв под воздействием средообразующего воздействия почвороев-млекопитающих приводит к большему выделению СО2 и активизации окислительных процессов в почве, что является в значительной степени компенсаторным эффектом, предотвращающим пагубное последствие водного стресса. В условиях дефицита влаги функциональная роль млекопитающих и является часто определяющей в выработке экологической устойчивости лесного сообщества.
Таким образом, средообразующая деятельность млекопитающих является важным биотическим фактором в оптимизации экологического баланса почв в лесных экосистемах функционирующих в степной зоне. В результате такого воздействия восстанавливается и интенсифицируется процесс естественного лесовозобновления в плакорных лесных системах, особенно в искусственных лесных насаждениях, играющих большую роль в оздоровлении окружающей среды в индустриальных регионах в степи.
Zoocenosis — 2001
Структура і функціональна роль тваринного населення в природних та трансформованих екосистемах: Тези I міжнародної конференції, 17-20 вересня 2001. – Дніпропетровськ: ДНУ, 2001. – С. 188-190.