Введение. Стратегия управления агроландшафтами Центрального Черноземья определяется формированием экологически устойчивых структур (В.М. Косолапов и др, 2015). В настоящее время разработана концепция и предлагаются различные методологические подходы адаптивно-ландшафтного обустройства сравнительно больших территорий (зон). Защитные лесные полосы и насаждения рассматриваются в качестве первоосновы, формирующей экологический каркас ландшафтного земледелия (В.И. Кирюшин, 2011; К.Н. Кулик и др.,2004).

В 1899 году В.В. Докучаев установил зональные закономерности изменений климата, ландшафта и почвообразования. При этом считал, что чернозем – … «есть зеркало, яркое и вполне правдивое отражение … векового взаимодействия между водой, воздухом и землей» (В.В. Докучаев, 1899).

В проекте опытных работ, проводимых в Каменной Степи под общим руководством В.В. Докучаева, первостепенная роль отводилась лесным насаждениям и регулированию вод (П.Ф. Бараков, 1914). Одновременно «Особой Экспедицией» был оборудован первый наблюдательный колодец, создана метеорологическая станция и сеть дождемеров, что позволило непрерывно, начиная с 1893 года, контролировать и изучать изменчивость климата.

Внедренные в Каменной Степи лесные полосы располагались на небольшой водораздельной территории (около 600 га), параллельными рядами в двух пересекающихся направлениях, что позволило в короткий срок создать более устойчивый гидротермический режим среды, выявить защитную и мелиоративную роль лесных полос, влияние изменений климата на почву (Г.М. Тумин, 1930).

Каменная Степь стала показательным модельным объектом, отражающим специфику устойчивого функционирования регулируемых экологических систем (агроэкосистем), целенаправленно созданных человеком.

В связи с этим остаются актуальными вопросы изучения динамики пространственной и временной изменчивости гидротермических условий, в том числе влияния атмосферных осадков на содержание отдельных макро- и микроэлементов в почве и воде.

Материал и методы. Для анализа использовали данные многолетних гидрометеорологических наблюдений (материалы гидрогеологического отряда и гидрометобсерватории «Каменная Степь»), полевых опытов и экспериментальных исследований в условиях искусственного климата (теплицах фитотрона размером 6,3 х 40 м, общей площадью 1000 м2).

Анализы проводили по общепринятым методикам. В почвенных образцах определяли: гумус (по Тюрину), подвижный фосфор и обменный калий (по Чирикову), обменный кальций и магний (комплексометрически).

Компьютерная обработка данных на IBM PC Pentium IV с использованием статистического пакета Microsoft Excel 2007.

Результаты. Анализ данных за весь 120 летний период наблюдений показал, что сезонная изменчивость климата не определяется среднегодовыми показателями температуры воздуха и суммы выпадающих осадков. Установлена отрицательная обратная связь (r = - 0,62) среднегодовых значений температуры воздуха и суммы осадков в теплый период (май-август). Достоверные различия в другие периоды года не всегда выявлялись, что указывает на необходимость учета температурных градиентов, пороговых значений температур воздуха и почвы, частоты выпадения осадков, испаряемости, капиллярного подъема влаги и др. Возможно именно здесь заложены адаптивные механизмы формирования структурной и функциональной устойчивости агроэкосистем.

В Каменной Степи, начиная с 1933-1957 гг., отмечается тенденция увеличения температуры и количества осадков. Каждый последующий 25 летний период сопровождался увеличением среднемноголетних показателей температуры (с 5,4 до 5,9 и 6,6оС) и количества осадков (с 430 до 510 и 515мм). За прошедшие 50 лет среднегодовая температура воздуха возросла на 1,2оС, сумма осадков на 85 мм. В последние десятилетия увеличивалась амплитуда и диапазон колебаний температур, влажности почвы и воздуха, как по годам, так и периодам года.

Трендовая модель среднегодовых значений уровня грунтовых вод (УГВ) с высокой достоверностью (R2 = 0,71) отражает цикличность и основные тенденции изменений климата (Рисунок 1).

Последействие таких изменений отразилось в колебании УГВ (максимальный подъемом до 2,8 м в 1993 г. и резкое понижение в засушливые годы, следующие один за другим 1997, 1998, 1999) и проявилось в ионно-солевом составе воды. Катионный состав воды по-прежнему характеризовался высоким содержанием натрия Na+ (300-350), низким - магния Mg2+ и кальция Ca2+ (4-15мг/дм3). Однако вода стала более минерализованной (до 1,2 г/дм3) за счет увеличение содержания сульфата анионов SO42- и карбоната CO32- (до 540 и 110 мг/дм3  соответственно), что изменило расположение ионов в убывающих рядах: HCO32- > Na+ > SO42- (1986-1993 гг.), SO42- > HCO32- > Na+ (1999-2004 гг.).
В воде водохранилища преобладающими также были анионы SO42- (393) и гидрокарбоната HCO32-(293), а из катионов – ионы Na+ (198 мг/дм3). Однако реакция экосистемы водохранилища на изменившиеся гидротермические условия была обратной: положительной по Na+ и Mg2+ (содержание увеличилось в 1,4 и 2,3 раза) и отрицательной по содержанию Ca2+(уменьшилось в 2,6 раза).
Резкие колебания температуры воздуха и почвы, неравномерное выпадение осадков и другие факторы увеличили естественные вариации влаги и питательных элементов в почве до 40-60%. Такие колебания, кроме вышеперечисленных причин, отражают сложные процессы, происходящие в черноземах как в живом природном теле.
В условиях искусственного климата при интенсивном использовании грунтовых теплиц (1980-1993гг.) в варианте без замены почвы (контроль) достаточно высокий первоначальный уровень минерального питания (N-NO3 – 40-70, P2O5 – 200-260, K2O – 140-200 мг/кг) снизился до фоновых полевых показателей (NO3 – 15-30, P2O5 – 80-120, K2O – 100-160 мг/кг почвы).
Внесение цеолита месторождения «Сокирница» (Закарпатская область) стабилизировало кислотность на уровне рН 6,4 ед., содержание отдельных макро- и микроэлементов в почве (Табл.1).
Показатели устойчивости почвенной среды в условиях искусственного климата

Таблица 1

Вариант	рН	гумус	мг-экв./100 г		Микроэлементы мг/кг почвы
			Ca2+	Mg2+	Zn2+	Cu2+	Ni2+	Cd2+	Pb2+
Чернозем (контроль)	6,7	5,5	27,5	4,2	4,0	0,7	2,0	0,3	1,5
Чернозем + цеолит	6,4	5,3	25,7	2,7	2,0	1,2	2,2	0,4	1,5
Замена + удобрения	6,7	5,6	26,4	2,4	7,0	1,5	3,9	3,0	1,8
ПДК					23	3,0	4,0	1,0	6,0

Регуляторное действие цеолита в почвенной среде проявилось в более существенном увеличении калия (К2О 180-200), чем фосфора (Р2О5 160-180 мг/кг почвы), что может быть связано с его лучшей ионообменной и сорбционной способностью, избирательной к ионам калия.

В варианте с заменой верхнего слоя почвы (30-40 см) и внесением повышенных доз органических удобрений, как правило, превалировало увеличение фосфора Р2О5 (400-500 мг/кг почвы). Весьма вероятно токсичное воздействие на почву увеличенной концентрации наиболее токсичных тяжелых металлов, таких как кадмий и никель.

Несмотря на интенсивное антропогенно-техногенное воздействие, частые поливы, изоляцию от атмосферных осадков и грунтовых вод (кольцевой дренаж на глубине 5,0-5,5 м) содержание гумуса в почве теплиц сохранялось на уровне полевых показателей.

Выводы. В Каменной Степи основными солеобразующими компонентами вод являются анионы SO 2- и гидрокарбоната HCO 2- , а из катионов – ионы натрия Na+. Подземные воды на водораздельной территории,  приуроченные к первому водоупорному пласту, отличаются непостоянством уровня и ионно-солевого состава, капиллярно проникая в верхние горизонты, могут приводить к вторичному засолению почвы.

Переувлажнение в дождливые сезоны и недостаток естественных осадков лимитируют экологическое равновесие атмосферы и почвенной среды.

В неблагоприятных и экстремальных условиях внешней среды чернозем обыкновенный обладает буферностью, обеспечивает саморегуляцию и устойчивость агроэкосистем. Применение цеолитов совместно с органическими и минеральными удобрениями может стабилизировать содержание макро- и микроэлементов в почве.

 

Список литературы

1.        Бараков П.Ф. Краткая справка о задачах и деятельности бывшей Особой Экспедиции Лесного Департамента под начальством проф. В.В. Докучаева. // Труды Каменно-степной опытной станции им. В.В. Докучаева (Воронежской губ., Бобровскаго уезда). – Вып. I. – Саратов. – 1914. – С. 6-10.

2.        Докучаев В.В. Къ ученiю о зонахъ природы. Горизонтальныя и вертикальныя почвенныя зоны. – С.- Петербургъ. – 1899. – 28 с.

3.        Кирюшин В.И. Теория адаптивно-ландшфтного земледелия и проектирование агроландшафтов. – М.: Колос – 2011. – 444 с.

4.        Косолапов В.М., Трофимов И.А., Трофимова Л.С., Яковлева Е.П. Агроландшафты Центрального Черноземья. Районирование и управление. – М.: Издательский Дом «Наука». – 2015. – 198 с.

5.        Кулик  К.Н.,  Барабанов  Ф.Т.,  Гаршинев  Е.А.,  Рулев  А.С.  Концепция  адаптивно-ландшафтного обустройства территории Волгоградской области. // Вестник РАСХН. – 2004. – №1. – С. 53-57.

6.        Тумин Г.М. Влияние лесных полос на почву в Каменной степи. – Воронеж, Изд-во «Коммуна». – 1930. – 40 с.