Деградация экосистем известняковых массивов Западного Кавказа при вырубке леса

Леса Западного Кавказа являются одними из самых разнообразных и продуктивных природных экосистем России. Пихтовые и пихтово-буковые леса требуют особого внимания при ведении лесного хозяйства в Краснодарском крае и Адыгее, так как они в наименьшей степени нарушены антропогенным воздействием и могут считаться эталонными. Однако эти леса и в настоящее время подвергаются значительному антропогенному прессу, связанному с повышающейся рекреационной нагрузкой, строительством баз отдыха, дорог, линий электропередач и т. д.Сложенные верхнеюрскими известняками Фишт-Оштенский массив и Лагонакское нагорье, хребет Каменное море представляют большой интерес, как из-за специфических условий местообитания, так и по составу и строению растительности, которая характеризуется богатством третичных реликтовых видов и известняковых эндемичных форм.

Почвы известняковых массивов Фишта и Оштена дерново-карбонатные почвы (рендзины) южно-европейской фации. Рендзины как особая форма почвообразования встречаются во всех биоклиматических поясах и зонах Земли. Эти почвы, сформированные на известняково-мергелистых породах, подробно описаны в литературе (Вальков и др., 2007, 2008, Кутровский и др., 2008; Казеев и др., 2010). В новой Классификации и диагностике почв России (2004) они обозначены как карболитоземы. В условиях Западного Кавказа рендзины встречаются в горных и предгорных районах среди зональных бурых и серых лесных почв. Главные особенности почвообразования определяется процессами выщелачивания, гумусонакопления и оглинивания, развитие которых и их особенности на известковых породах обусловлены, прежде всего, влиянием карбонатов кальция (Кутровский и др., 2008; Казеев и др., 2012). По всему высотному профилю северного макросклона Главного Кавказского хребта в его северо-западной части преобладает пихта кавказская (Грабенко, Татаренко, 2010). Ее участие колеблется от 4 до 10 единиц. Доля бука восточного не превышает 6 единиц. Изредка в подчиненных ярусах наблюдается ильм или клен явор. В бассейне реки Белой естественная растительность верхнего горного пояса образована в основном двумя формациями с участием темнохвойных пород: пихтовой и буково-пихтовой, причем последняя преобладает. Основные лесообразующие породы — Fagusorientalis и Abiesnordmanniana. В пределах пояса выявлен 841 вид из 370 родов и 104 семейств (Бондаренко, 2010). Смешанные леса представлены различными типами, отличающимися подлеском или травянистым ярусом. Широко распространены по всей исследуемой территории следующие типы буково-пихтовых лесов: папоротниково-разнотравный, папоротниковый, овсяницевый, падубовый, самшитовый, черничный и рододендроновый (Бондаренко, 2005). Формула среднего состава овсянницевых буко-пихтарников — 7,8П2,1Бк (Грабенко, Татаренко, 2010). Средний диаметр древостоя, по эдификаторам, в этом типе леса колеблется у пихты в пределах от 24 см до 80 см (в среднем 44,4 см), а у бука от 8 см до 44 см (в среднем 28,2 см). Среднее значение густоты, которым они могут быть охарактеризованы, равняется 665 деревьев на 1 га.

Цель работыизучить последствия сведения леса на экосистемы известняковых массивов Западного Кавказа. В качестве диагностических критериев были исследованы: флора и растительность, физические, химические и биологические свойства почв. Биологические показатели широко используются как индикаторы экологического состояния почв (Казеев и др., 2002, 2004, 2005, 2007), а также для диагностики различных антропогенных воздействий (Денисова, Казеев, 2005; Казеев, Стрелкова, 2006; Репях, Казеев, 2007; Колесников и др., 1999, 2013; Прудникова и др., 2013). Для оценки биологического состояния почв предложен ряд критериев и шкал (Звягинцев, 1978; Казеев, Колесников, 2012).Проведенные ранее исследования показали, что сведение леса на Кавказе может приводить как к активизации биологических процессов вследствие улучшения освещенности, гидротермических условий и усиления дернового процесса (вследствие роста горного высокотравья), так и к снижению их интенсивности в результате уничтожения лесной подстилки, переуплотнения, эрозионных процессов (Поляков, 2010; Казеев и др., 2012).

Объекты и методы исследований.

Исследуемая территория расположена в 10 км от поселка Гузерипль (Адыгея) на высоте 1635 м. над уровнем моря. Наблюдения проводили шесть раз в течение 2010;2013 гг.: непосредственно сразу после рубки (август, 2010 г.) и через 3, 10, 21, 33, 34 месяцев. Исследования проводили на участках вырубки с разной степенью нарушения почвенно-растительного покрова. Вырубка представляет собой выровненный участок верхней части склона, полностью лишенный растительности. Поверхность почвы на вырубке очень сильно нарушена тяжелой техникой. В качестве контроля взят участок буково-пихтового леса, граничащий с вырубкой. Почва — рендзина выщелоченная на элювии известняков.

Исследования проводили с использованием общепринятых методов (Казеев, Колесников, 2012). Были исследованы температура, влажность, плотность почв, заложены разрезы и прикопки, отобраны почвенные образцы, определена активность каталазы, инвертазы, фосфатазы и дегидрогеназы.

Влажность почвы определяли весовым методом и в полевых условием влагомером с датчиков Dataprobe в 10-кратной повторности на каждом участке. Плотность почвы определяли объемно-весовым методом в 3-х кратной повторности. Температуру измеряли электронным термометром HANNA CHECTEMP послойно каждые 5 см. Общая численность микроорганизмов и водорослей определена люминесцентно-микроскопическим методом в 3−6 кратной повторности. Твердость почв — сопротивление пенетрации — определяли в полевых условиях с помощью пенетрометра Eijkelkamp на глубину 50 см с интервалом 5 см в 10-кратной повторности.

Для определения различий в уровне биогенности и биологической активности разных почв определяли интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы (Казеев, Колесников, 2012). Этот показатель оценивает совокупность биологических показателей, выраженных в разных единицах, и позволяет абстрагироваться от случайных колебаний, характерных для большинства биологических параметров. Для расчета ИПБС максимальное значение каждого из показателей в выборке принимается за 100% и по отношению к нему в процентах выражается значение этого же показателя в остальных образцах.

Б1 = (Бх / Бmax) 100%,.

где Б1 — относительный балл показателя, Бх — фактическое значение показателя, Бmax — максимальное значение показателя.

После этого рассчитывается средний оценочный балл изученных показателей. ИПБС почвы рассчитывают аналогично расчету относительного балла показателя.

Результаты исследования.

Сразу после сведения леса на скальпированных участках вырубки почвы значительно снизили значения разных биологических показателей (содержание гумуса, ферментативная активность) как в верхнем горизонте, так и по всему профилю (Казеев и др., 2012; Тер-Мисакянц, 2013). Однако уже менее, чем через год на вырубке появился травянистый растительный покров, отмечено снижение количества камней, глубоких борозд от бульдозеров. Однако на некоторых участках отмечено проявление эрозии и уплотнение почвы. Реакция почвенной среды на исследуемых участках в течение срока наблюдения изменяется незначительно (рН= 6,5−7,5).

Через три года после сведения леса в июне 2013 г. на исследуемой территории были проведены исследования флоры и растительности. В результате было выявлено, что видовой состав контрольной площадки в лесу насчитывает 20 видов растений. Кроме доминирующего вида (Abiesnordmanniana (Steven) Spach), древесно-кустарниковый ярус представлен AcertrautvetteriMedw. ®, FagusorientalisLipsky ®, SorbuscaucasicaZinserl. ®. В травянистом ярусе обычны такие виды, как Polygonatumverticillatum (L.) All. (3), Dryopterisfilix-mas (L.) Schott (2), Galiumodoratum (L.)Scop. (2), Paris quadrifolia L. (1), AsperulacaucasicaPobed. (1), AlchemilladuraBuser ® и др.

На участках вырубки, имеющих слабую степень антропогенной нагрузки видовой состав более разнообразен и насчитывает 38 видов растений. Древесно-кустарниковый ярус представлен Abiesnordmanniana (Steven) Spach, AcertrautvetteriMedw., FagusorientalisLipsky, MalusdomesticaBorkh., RibesbiebersteiniiBerland. ex. DC., RubuscaucasicusFocke, SorbuscaucasicaZinserl. Отметим, что наибольшую степень проективного покрытия имеет RubuscaucasicusFocke, покрывающая в отдельных участках до 50% площади. В травянистом ярусе наибольшую роль играют такие виды, как Polygonatumverticillatum (L.) All. (3), PoalongifoliaTrin. (3), Dryopterisfilix-mas (L.) Schott (2), Euphorbia macrocerasFisch.& C.A. Mey. (2), GeumlatilobumSommier& Levier (2), SymphytumasperumLepech. (2), Valerianaalliariifolia Adams (2), Hesperismatronalis L. (2), Cephalaria gigantean (Ledeb.) Bobrov (2), Inulahelenium L. (2), Eleutherospermumcicutarium (M. Bieb.)Boiss. (2) и др. Это сообщество представляет собой типичное для Северо-Западного Кавказа высокотравье с характерной бедностью видового состава и выраженной ярусностью травостоя.

Сообщества, имеющие среднюю степень антропогенной нагрузки, обеднены по составу (30 видов). Древесно-кустарниковый ярус представлен Abiesnordmanniana (Steven) Spach, Acertrautvetteri Medw., Fagusorientalis Lipsky, Malusdomestica Borkh., ex DC., Rubus caucasicus Focke. Все виды встречаются изредка, рассеянно, только на отдельных участках Rubuscaucasicus Focke имеет проективное покрытие до 20%. В травянистом ярусе наибольшую роль играют Galegaorientalis Lam. (3), Poalongifolia Trin. (3), Rumex alpines L., чуть меньшую Euphorbia macroceras Fisch. &C.A. Mey. (2), InulamagnificaLipsky (2), Ranunculus caucasicus M. Bieb. (2), Symphytumasperum Lepech. (2), Urticadioica L. (2)идр. виды. Участие таких видов, как Rumexalpinus L., Urticadioica L., Cerastiumdavuricum Fisch. ex Spreng. Свидетельствуют о синантропизации сообщества.

На исследуемой территории были выявлены изменения физических и биологических свойств рендзин. Сразу после сведения леса плотность дерново-карбонатной почвы на вырубке была значительно выше, чем в почве под лесом (1,05 и 0,47 г/см3). Это вызвано нарушением сложения поверхностных горизонтов и общим уплотнением почвы при работах мощной тяжелой техники (рис. 1).

Рис. 1. Влияние рубки леса на плотность почв, 2010 г.

Изменение плотности почвы в результате вырубки леса сохраняется в течение всего времени наблюдения (рис. 2,3).

Рис. 2. Влияние рубки леса на плотность почв с разной степенью нарушения почвенного покрова, май 2012 г.

Рис. 3. Влияние рубки леса на плотность почв с разной степенью нарушения почвенного покрова, май 2013 г.

При этом степень увеличения плотности почв зависела от уровня нагрузки на исследуемую территорию. Повышенной плотностью обладают почвы с максимальным уровнем антропогенного воздействия. В мае 2013 г. плотность почвы на участках вырубки со средней и высокой степенью деградации также была выше (0,80−1,31 г/см3), чем в почве контрольного участка (0,80 г/см3). Об ухудшении основных физических свойств почв на вырубках свидетельствуют и другие исследования источники (Поляков, 2010). В то же время на участке со слабым воздействием плотность почвы была меньше (0,43 г/см3), чем на контроле. Это связано с увеличением поступления растительных остатков в почву вследствие ее лучшей освещенности на окраине вырубки. Поэтому здесь формируются более мощный слой подстилки и, в связи с ростом травянистой растительности, больший объем почвы пронизан корнями.

Уплотнение почвы приводит и к изменению ее твердости, измеренной по сопротивлению проникновения (рис. 4). Твердость почвы, измеренная с помощью пенетрометра, отражает то противодействие, которое испытывает корень растения во время роста и влияет на продуктивность растительности.

Рис. 4. Твердость почв вырубки, MPa (n=10), май 2013 г.

Вследствие рубки леса отмечены значительные изменения температуры и влажности почвы, которые оказывают прямое воздействие на химические и биологические процессы (табл.1,2).

Содержание гумуса является одним из основных показателей антропогенного воздействия на почвы (Казеев и др., 1998; Прудникова и др., 2013). Среднее содержание гумуса в почве на вырубке на всех изучаемых сроках ниже, чем в почве под лесом (соответственно 8,4 и 14,7%).

Таблица 1 — Температура по профилю почв, июнь 2011 г.

Таблица 2 — Влажность почвы (%) полевая (n=10), май 2013 г.

Для примера показана динамика изменения содержания гумуса в почве участка с сильным уровнем антропогенных изменений (рис. 2). Кроме скальпирования поверхности на этом участке отмечено значительное проявление эрозионных процессов и, как следствие, полная деградация поверхностных горизонтов почв. При этом амплитуда значений на вырубке значительно превышает таковую в лесной почве. Разброс значений (рис. 3) зависит от места отбора образца на вырубке (16−132% от контрольных значений). Минимальные значения содержания гумуса отмечены в местах максимального антропогенного воздействия на технологической дороге. Однако есть места на исследуемой вырубке, где содержание гумуса и других биологических показателей (ферментативная активность) существенно повышается. Здесь при слабой степени воздействия, не повредившей почвенный покров, отмечен интенсивный рост травянистых растений за счет лучшей, чем в лесу освещенности. В результате эти участки превосходят контрольные значения биологической активности.

экосистема почвообразование рендзина.

Рис. 3. Динамика содержания гумуса в рендзинах с сильным уровнем повреждения почвенного покрова, 2010;2013 гг.

Снижение содержания гумуса можно объяснить отсутствием опада деревьев на вырубке. Со временем после сведения леса содержание гумуса несколько повышается. Можно предположить, что благодаря дальнейшему зарастанию территории вырубки травянистой растительностью, содержание гумуса довольно быстро восстановится и возможно даже превысит показания контроля. Однако эрозионные процессы, отмеченные в некоторых местах вырубки, могут привести не только к снижению значений биологических показателей, но и к полной деградации почвы.

Таблица 3 -Влияние вырубки леса на биологические параметры рендзин через 3 года после сведения леса, май 2013 г.

Ферментативная активность исследуемых участков в значительной степени определяется уровнем антропогенного воздействия (табл. 3). На исследуемой территории были отмечены значительные колебания уровня активности ферментов. На участках со слабым уровнем антропогенного нарушения почвенного покрова отмечены случаи значительного повышения активности разных ферментов на вырубке относительно контрольных значений (табл. 3). Особенно значительное варьирование активности ферментов отмечено в первый год после вырубки леса. Динамика активности гидролаз по сравнению с активностью оксидаз снижается сразу после сведения леса и повышается через год. Активность инвертазы через 3 года после вырубки леса в значительной мере снизилась по сравнению с контрольными значениями в почве леса. Это касается всех исследуемых участков на вырубке. При этом в начальные сроки наблюдений были отмечены факты значительного повышения активности всех исследуемых ферментов. Это связано со сложным сочетанием гидротермических условий с началом сукцессионных изменений растительности, разным уровнем проявлением эрозии и других факторов. В дальнейшем активность ферментов разных групп приближается к контрольным значениям, за исключением дегидрогеназы, активность, которой через год снижается вдвое, через 2 года — в 11 раз, а активность инвертазы полностью ингибируется.

Вырубка вызывает преобразование лесных экосистем известняковых массивов Западного Кавказа. Изменяется флора и растительность, физические и биологические свойства почв. Степень деградации экосистем зависит от степени нарушения почвенно-растительного покрова. Через три года после сведения леса на обнаженных от леса участках формируется высокотравная горно-луговая растительность, более разнообразная по сравнению с флорой контрольного участка коренного леса. Биологические свойства почв на участках со средним и сильным нарушением почвенно-растительного покрова не восстанавливаются и через 3 года после сведения леса.