Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
Козунь Юлия Сергеевна
влияние климата на биологические свойства почв юга россии
03.02.08 – экология (биологические науки)
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Научный руководитель:
д.г.н., профессор Казеев К.Ш.
Ростов-на-Дону – 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
1.Значение климата в почвообразовании 8
1.1. Климат как фактор почвообразования 8
1.2. Значение температуры в почвообразовании 12
1.3. Значение осадков в почвообразовании 16
1.4.Влияние Теневого эффекта гор на почвы 19
2.Влияние климата на почвенные характеристики 23
2.1. Зависимость физико-химических свойств почв от климата 23
2.2. Зависимоть содержания гумуса от климата 24
2.3. Зависимость ферментативной и микробиологической активности почв от климата 26
3.общая характеристика климата на юге россии 33
4.Методика и методы исследования 39
5.Объекты исследования 43
5.1. Широтная трансекта 44
5.1.1. Черноземы обыкновенные 48
5.1.2. Каштановые почвы 49
5.1.3. Бурые полупустынные почвы 51
5.2. меридиональная трансекта 54
5.2.1. Серопески 55
5.2.2. Черноземы южные 59
5.2.3.Черноземы выщелоченные 61
5.2.4. Черноземы слитые 63
5.2.5. Серые лесные почвы 65
5.2.6. Бурые лесные почвы 68
5.2.7. Рендзины типичные 72
5.2.8. Горно-луговые почвы 74
6.Влияние климата на биологические свойства почв юга России 77
6.1. Зависимость биологических свойств почв от степени континентальности климата 77
6.2. Влияние теневого эффекта гор Кавказа на биологические свойства почв 94
6.3. Влияние климата на азональные почвы юга России 106
6.4. Обобщение результатов влияния климата на эколого-биологические свойства почв юга России 110
6.4.1. Влияние климата на содержание гумуса 114
6.4.2. Зависимость активности каталазы от климата 119
6.4.3. Влияние климата на активность инвертазы 123
6.4.4. Изменение активности дегидрогеназы в зависимости от климата 124
6.4.5. Изменение интегрального биологического показателя в зависимости от климата 124
6.4.6. Прогнозы изменения почвенного покрова юга России в условиях меняющегося климата 126
Выводы 128
Список литературы 130
Введение
Актуальность исследования
Несмотря на то, что влияние климата на растительность, почвообразование и почвы исследуется со времен работ А. Гумбольдта и В.В. Докучаева, многие вопросы до сих пор не выяснены. Большой интерес вызывает реакция биоты, биологической активности и плодородия почв на климатические изменения на нашей планете. На кафедре экологии и природопользования Южного федерального университета разработана и апробирована методология использования биологических свойств почв в диагностике их экологического состояния (Казеев и др., 2003, патент №2501009). Ранее была установлена географическая неоднородность биологических свойств почв юга России и закономерности их пространственного распределения (Казеев и др., 2004, 2006), их устойчивость к различным антропогенным факторам: переувлажнению, засолению, сельскохозяйственному использованию, загрязнению и т.д. (Казеев, 1996; Колесников и др., 2000, 2006, 2013; Казеев и др., 2003, 2004, 2006, 2012; Денисова и др., 2005; Репях, 2007). Почвы разных природных зон, разного таксономического положения имеют значительные отличия в разнообразии почвенной биоты, ее составе и биологической активности. Соответственно, при выявлении закономерностей связей биологических показателей почв с климатическими параметрами, будет возможно построение предположений об изменении самих почв, границ их ареалов и площади распространения при изменении климата. Притом, что такие предположения можно строить исходя из генезиса и свойств почв, дополнительные показатели, особенно такие чувствительные, как биологические, помогут делать прогнозы более точно.
Известны работы, посвященные влиянию климатических условий и их изменений на почвы и почвенный покров (Волобуев, 1946, 1956; Димо, 1988; Куст и др., 2008; Кленов, 2010), в том числе посвященных влиянию климата на пространственное распределение фауны, микроорганизмов и биологическую активность почв (Гиляров, 1949, 1976; Мишустин, 1954, 1966; Чернов, 2005; Казеев, 2004; Стриганова, 2005, 2009; Берсенева и др., 2008; Комаров, 2009; Кудеяров и др., 2009; Sowerbyet al., 2005; Bastida et al., 2008). Наряду с уже известным использованием показателей ферментативной активности в диагностике плодородия почв и их экологического состояния, также была показана теоретическая возможность их использования при исследованиях, посвященных климатическим изменениям (Henry, 2013).
Цель работы – выявить закономерности влияния климата на биологические свойства почв юга России.
Задачи исследования:
Исследовать биологические особенности разных типов почв юга России, формирующихся в контрастных климатических условиях.
Выявить климатические параметры, лимитирующие биологическую активность почв на юге России.
Определить набор биологических показателей почв, наиболее тесно связанных с климатическими параметрами.
Выявить географические закономерности профильного распределения биологической активности (БА) и общей БА с учетом всего гумусового профиля почв юга России.
Определить закономерности влияния климата и отдельных его составляющих на разные биологические свойства и интегральный показатель биологического состояния (ИПБС).
Основные положения выносимые на защиту:
Для 12 типов и подтипов зональных почв юга России выявлены закономерности зависимости биологических показателей от климата. Максимальная зависимость биологических показателей выявлена в экстремальных климатических условиях. Наибольшая корреляция биологических показателей отмечена с годовым количеством осадков (прямая зависимость) и амплитудой температур (обратная зависимость).
Максимальные значения суммарной биологической активности с учетом всего профиля почв отмечены в теплых и увлажненных условиях климата, где на юге юга России формируются черноземы выщелоченные. При изменении его как в сторону аридизации, так и гумидизации, наблюдается снижение биологической активности.
Биологические показатели обладают различной информативностью. Содержание гумуса как аккумулятивный биоиндикатор наиболее тесно коррелирует с большинством климатических показателей. Ферментативная активность как более чувствительный показатель, отражающий отдельные биологические процессы, имеет более сложные непрямолинейные зависимости.
Научная новизна. Впервые изучена зависимость влияния климата на биологическую активность почв юга Европейской территории России. Выявлена степень зависимости почвенных биологических параметров от отдельных климатических показателей, таких как среднегодовое количество осадков, среднегодовая температура, среднегодовая амплитуда температур, и от их совокупного действия с помощью климатических индексов. Выявлены почвенные биологические показатели, наиболее подходящие для прогноза изменения почв при возможных колебаниях климата.
Практическая значимость. Полученные результаты, возможно, использовать при попытке прогноза изменения почвенных свойств, устойчивости и плодородии почв, почвенных ареалов в условиях меняющегося климата. Результаты исследования используются в учебном процессе при преподавании экологии, почвоведения, географии, природопользования и охраны окружающей среды, экологической экспертизы, экологического мониторинга и биоиндикации в Южном федеральном университете и могут быть использованы в учебном процессе других ВУЗов.
Личный вклад автора. Тема, цель, задачи, объекты, методы и план исследования определены автором совместно с научным руководителем. Отбор почв для лабораторного анализа осуществлены в ходе проведения комплексных экспедиций. Лабораторные опыты и анализы проведены лично автором или под его руководством. Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя. По результатам исследований автором или научным коллективом с участием автора опубликован ряд научных работ объемом 3,85 п.л. с долей участия автора – 85 %.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 30 конференциях, в том числе: Eurosoil (Vienna, Austria, 2008), всероссийском съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008; Петрозаводск, 2012), , Международной научно-практической конференции «Экология речных бассейнов» (Владимир, 2013), Международной научной конференции «Современное состояние черноземов» (Ростов-на-Дону, 2013), всероссийской научной конференции «14 Докучаевские молодежные чтения» (Санкт-Петербург, 2011), Международная конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013), Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2010), Научно-практическая конференция «Социально-экономические и экологическое развитие Северо-Кавказкого региона» (Белореченск, 2008, 2009), Международная научно-практическая конференция «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Барнаул, 2008), Международная научно-практическая конференции «Экология биосистем: проблемы, изучения, индикации, прогнозирования» (Астрахань, 2007), Международная научно-практическая конференция «Биогеография почв» (Москва, 2009), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008, 2009, 2010, 2012, 2013, 2014), Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2007), научной конференции сотрудников, студентов и аспирантов кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета «Актуальные вопросы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону-2012) и др.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 61 публикациях, из них 11 работ в изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, 56 рисунков. Список использованной литературы включает 263 источников, в том числе 60 на иностранных языках.
Конкурсная поддержка работы. Исследование выполнено при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственные контракты П169, П1298, П322, 16.740.11.0528, 14.740.11.1029, соглашения 14.A18.21.0187, 14.A18.21.1269, 5.5160.2011), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 годы (государственный контракт 14.515.11.0055), Президента РФ (грант НШ-2449.2014.4; НШ-5316.2010.4), грантов Программы развития Южного федерального университета.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе своему научному руководителю д.г.н., профессору К.Ш. Казееву; за ценные рекомендации д.с.-х.н., профессору С.И. Колесникову, за исследование микроартропод к.б.н. Л.С. Самохваловой. Также всем соавторам публикаций и сотрудникам кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета.
|
