Роли и функции различных частей корневой системы варьируются в зависимости от вегетационного периода и местонахождения корней в корневой системе и относительно локальной почвенной среды [1]. Корни выполняют множество функций: сбор воды и питательных веществ, необходимых для роста растений, фиксация растений, аккумуляция воды, питательных веществ и органических веществ – поступающих в корни из надземной части растения. Корни также изменяют физико-химические свойства почвы в непосредственной близости (ризосфера) с помощью таких процессов, как высвобождение сложных органоминеральных соединений, взаимодействие с почвенной микрофлорой или дыхание. Поскольку рост корней индуцирует в ризосфере множество изменений в физических и химических свойствах почвы, считается, что корни влияют и на эрозионную стойкость почвы.

При уклонах поверхности почвы направление и ориентация роста корней играют важную роль в определении развития и выживания растений. Как следствие, величина уклона влияет на архитектуру корневой системы [2]. Так, ряд исследователей [2, 3] показали, что механическое напряжение, возникающее в корневой системе из-за надземной части растений метельника ситникового (Spartium junceum L.), растущих в контейнерах, установленных с углом наклона 100 % (45 °), вызвало увеличение общей длины корней по сравнению с растениями, выращенными в горизонтальных контейнерах, и что эта адаптация была связана с качественными и количественными изменениями содержания белка в клетках корней.

Цель исследований – выявить влияние корней на эрозию почвы и устойчивость почвы к смыву при различных уклонах местности. Мы также рассмотрели вероятную роль корней в борьбе с эрозией почв, сосредоточив внимание на развитии мелких корней вблизи поверхности почвы при различных способах землепользования и различных уклонах.

Материалы и методы исследования

Водосбор расположен недалеко от поселка Кавказский, Прикубанского района КЧР, место исследования (координаты Google 44,2633283, 42,2488331) в 800 м от п. Кавказский и в 300 м от Кубанского водохранилища на территории землепользования учебно-опытного хозяйства СевКавГГТА (рис. 1).

Среднегодовое количество осадков составляет 650 мм/год, причем 70 % осадков выпадает в течение вегетационного периода – с марта по ноябрь. Почва – мицеллярно-карбонатный предкавказский тяжелосуглинистый чернозем на лессовидных суглинках.

Корневой рост контролировался в трех местах: естественная древесная растительность, занятой пар и посев озимой пшеницы. Первое местоположение имело средний уклон 45 % (24,23 °) (вариации с 10 до 70 %), второе – уклон 10 % (5,71 °) (вариации с 10 до 70 %), третий участок – уклон 11 % (6,28 °) (вариации с 10 до 70 %). Все участки расположены на высотах 610–620 м над уровнем моря. Для исследования развития корневой системы применялись два метода – метод траншеи и модифицированный метод почвенных монолитов (метод Н.А. Качинского) [4].

На исследуемых участках были установлены по два корневых окна (траншея, с одной стороны отделенная стеклом) до глубины почвы ~ 30 см. Рост корней отслеживался вручную, с помощью фотографирования. Верхняя часть окон была закрыта, в промежутки, между измерениями для предотвращения эффектов, вызванных фотофобией корня, крышкой из темного пластика.

Рис. 1. Водосбор Кубанского водохранилища

Наблюдается выраженная обратная зависимость между пространственной длиной корней и величиной уклона. Наиболее ярко эта зависимость наблюдалась в варианте с посевом озимой пшеницы. По мере увеличения уклона с 10 до 70 % показатель снизился с 7,3 до 3,1 см/см2, или более чем в два раза. Аналогичная тенденция наблюдалась в варианте занятого пара – произошло снижение с 7,1 до 2,2 см/см2. В случае древесной растительности такого выраженного эффекта не наблюдалось вплоть до уклона в 50 % (показатели колебались от 1,4…1,0 см/см2 – разница статистически недостоверна). Однако с дальнейшим увеличением уклона – до 70 % – произошло резкое уменьшение длины корней в расчет на площадь корневого окна – до 0,3 см/см2.

Диаметры корней и удельная длина корней. В посевах озимой пшеницы средний диаметр корня значительно (p < 0,05) увеличился с 0,27 ± 0,034 до 0,34 ± 0,06 мм (рис. 4) с увеличением угла наклона.

Эти тенденции были подтверждены средними измерениями длины корней (рис. 5), которые уменьшились с 77,04 ± 48,22 до 37,82 ± 25,34 м/м3 и 106,92 ± 55,24 до 36,41 ± 19,66 м/м3 в занятом паре и посеве озимой пшеницы соответственно, поскольку угол наклона увеличился от 10 до 70 %.

Мы выявили, что однолетние (озимая пшеница) и многолетние виды (древесные растения) растений развивают плотные сети тонких волокнистых корней вблизи поверхности почвы, тогда как плотность укоренения обычно имеет тенденцию к уменьшению с увеличением глубины почвы, аналогичные результаты (максимальное нарастание корневой системы в слое почвы 0–20 см) были получены в исследованиях ряда ученных [5]. Увеличение уклона местности значительно влияет на гранулометрический состав, в частности происходит вымывание вниз по склону ряда фракций (крупный песок, тонкий ил), эти результаты коррелируют с данными Г.А. Ларионова, О.Г. Бушуевой и других ученых [1].

Наши исследования подтвердили, что тонкие корни локально связывают почву и, уменьшая эрозию почвы, повышают устойчивость верхнего слоя почвы. Данная функция корневой системы общеизвестна и находит подтверждение во многих исследованиях, например в работах В.Г. Гребенникова и И.А. Шипилова [2], Однако данное свойство корневой системы находится в сложной зависимости от типа почвы (чем тяжелее почвы, тем выраженнее противоэрозионное влияние корней) и видов растений (максимальный эффект наблюдается у посевов многолетних трав [2, 3], минимальный эффект – древесные растения), Поэтому увеличение плотности корневой системы может и не иметь выраженного влияния на устойчивость почвы к смыву в случае песчаных и супесчаных почв [6].

Выводы

Таким образом, уклон местности оказывает значительное влияние на гранулометрический состав почвы – имеется выраженная тенденция к накоплению физической глины и ила на участках с уклонами более 40 %. Было обнаружено, что коэффициент фильтрации увеличивается с уклоном, как под посевами, так и под паром. Наибольший коэффициент фильтрации был достигнут при наибольшем уклоне. Наблюдается выраженная обратная зависимость между пространственной длиной корней и величиной уклона. Наиболее ярко эта зависимость наблюдалась в варианте с посевом озимой пшеницы. По мере увеличения уклона с 10 до 70 % показатель снизился с 7,3 до 3,1 см/см2, или более чем в два раза.