Уже из определения луга как биогеоценоза, автотрофный компонент которого представлен в основном многолетними травянистыми мезофитами, ясно, что луга могут возникать и существовать лишь в условиях достаточного обеспечения растений водой.
Источники воды на лугах следующие:
- атмосферные осадки;
- почвенно-грунтовые воды;
- воды поверхностного стока;
- воды рек и ручьев (полые воды);
- воды морей, поступающие на луга во время приливов или в результате нагона ветром;
- воды, используемые человеком при орошении лугов.
Отдельные источники воды отличаются друг от друга содержанием в них растворимых газов и солей, а также количеством находящихся в них взмученных частиц, что влияет на условия произрастания луговых растений и на обитание других организмов, а также на процесс почвообразования.
Луга могут возникнуть либо там, где количества атмосферных осадков достаточно для образования в местных термических условиях сомкнутых травостоев из многолетних травянистых мезофитов, либо там, где помимо атмосферных осадков в определении водного режима участвуют другие источники воды (почвенно-грунтовые, полые и др.). Особенно широко луга распространены в зонах умеренного климата (СССР, страны Восточной и Западной Европы, восточные части Северной Америки, в Новой Зеландии), а также в условиях высокогорий.
Водный режим луговых биогеоценозов в условиях определенного климата зависит от положения луга в рельефе и от механического состава почвообразующих пород. В равнинных областях он складывается по-разному для равнинных и пологосклоновых, крутосклоновых, западинных, низинных и пойменных типов территорий. Водный режим равнинных, пологосклоновых и крутосклоновых местоположений всецело определяется атмосферными осадками, их количеством, распределением в течение года. В зависимости от механического состава почв, мезорельефа, общего количества атмосферных осадков и их сезонного распределения они то в большей, то в меньшей степени проникают в почву, используются растениями и поступают во внутрипочвенный сток. Там, где в зимнее время атмосферные осадки выпадают в виде снега, значительное количество воды поступает в поверхностный сток во время весеннего таяния снега.
В областях с высоким количеством атмосферных осадков формируется водный режим промывного типа, определяющий формирование кислых, бедных элементами минерального питания почв с достаточно выраженным горизонтом вымывания и с относительно маломощным дерновым горизонтом. Как правило, горизонт вымывания формировался под лесной растительностью, на месте которой человек создал луга. В зависимости от механического и химического состава почвообразующих пород (в частности, от содержания в них карбонатов кальция) мощность дернового горизонта и выраженность горизонта вымывания значительно различаются. Отсутствие иных источников воды и элементов минерального питания, кроме атмосферных осадков, определяет низкую продуктивность лугов и ее зависимость от количества и распределения атмосферных осадков в отдельные годы.
На крутых склонах значительная часть атмосферных осадков не успевает впитываться в почву и стекает вниз по склону. Поэтому выщелоченность почв здесь выражена в меньшей степени, но нередко хорошо прослеживаются явления смыва верхних горизонтов, включая подзолистый, и в лесной зоне в таких местах могут формироваться дерновые почвы со слабыми признаками подзолообразовательного процесса. В большинстве случаев смыв здесь произошел до формирования луга, обычно сразу после уничтожения леса, а в процессе образования луга сформировались травостои и дернина, препятствовавшие дальнейшему развитию эрозии.
Помимо атмосферных осадков в западины поступают воды, стекающие со склонов. Количество и качество натечных вод может быть различным, что зависит от водосбора. Для западин свойствен промывной тип водного режима в сочетании с резкой переменностью увлажнения в течение вегетационного сезона (обычно застой воды на поверхности почвы весной, обсыхание к лету). В условиях лесной зоны для почв западин характерны оторфовение дернового горизонта, значительная оподзоленность и оглеение.
В формировании водного режима низин принимают участие помимо атмосферных осадков почвенно-грунтовые воды и воды, стекающие со склонов. Кроме того, имеет значение отсутствие стока или замедленный сток (как и в западинах) воды весной при таянии снега. Для низинных лугов характерны большая выравненность обеспечения растений водой в течение вегетационного сезона и от года к году, меньшая выщелоченность почв. В зависимости от глубины залегания почвенно-грунтовых вод и их химического состава, в частности от содержания в них кальция, формируются почвы, богатые гумифицированным органическим веществом с различным насыщением основаниями, иногда в той или иной степени оторфованные. Большей частью здесь образуются почвы слабокислой или близкой к нейтральной реакции с относительно мало выраженными признаками оподзоливания и с разной степенью выраженности оглеения. В почвах низинных лугов лесостепной зоны происходит скопление карбонатов извести.
В нижних частях склонов большой протяженностью, если они распаханы, а также в периферических частях низин в определении водного и в особенности пищевого режимов принимают участие воды поверхностного стока, содержащие взмученные частицы (делювиальные воды). Отложение взмученных частиц приводит к значительным изменениям в почвах как промывного, так и выпотного типа, к улучшению обеспечения растений элементами минерального питания, к формированию более продуктивных травостоев.
Эдафотоп в поймах характеризуется особенностями почвообразующих пород (молодые аллювиальные отложения), заливанием полыми водами и отложением взмученных в полых водах частиц в виде наилка. Водный режим многих типов пойменных лугов определяется, помимо того, близким залеганием почвенногрунтовых вод. Гидрологический режим пойм тесно связан с состоянием водосборных площадей, с которых в них поступают полые и почвенно-грунтовые воды. Для пойм характерно большое разнообразие почв: от недоразвитых на молодых аллювиях до почв зонального типа. Чем меньше интенсивность воздействия полых вод, тем больше почвы пойм приближаются к почвам зонального типа. Проявление зональности снижается от верхнего течения рек к нижнему, от притеррасья к прирусловой части пойм, от лугов высокого уровня к лугам низкого уровня (Шенников, 1919; Бронзов, 1929). Как правило, в поймах преобладают различные варианты дерновых почв, более богатых, чем почвы внепойменных лугов. Признаки былого существования в поймах лесов обычно выражены в значительно меньшей степени, чем вне пойм. В местах застоя полых вод и воздействия близкозалегающих почвенно-грунтовых вод происходит оглеение почв, а местами оторфовение дернового горизонта. В поймах распространены погребенные почвы, в том числе погребенные торфяники.
Таким образом, в равнинных регионах в зависимости от источников водного питания, что связано с положением по элементам рельефа, эдафотопы луговых биогеоценозов весьма разнообразны. И можно различать три группы типов лугов:
- суходольные (водный режим определяется атмосферными осадками);
- низинные (в определении водного режима принимают участие почвенно-грунтовые воды);
- поемные (находящиеся под воздействием полых вод).
Лесное прошлое лугов лесной зоны наложило существенный отпечаток на почвы в виде то более, то менее выраженного горизонта вымывания. Застой поверхностных вод и близкое залегание почвенно-грунтовых вод обусловливают оторфовение дернового горизонта и оглеение (поверхностное, глубинное). Отложение наилка из полых и делювиальных вод способствует формированию дерновых почв.
В лесостепной и степной зонах луга сосредоточены в пониженных элементах рельефа (западинам, низинам, поймам). Здесь широко распространены луга с почвами, приближающимися к зональным (черноземам), иногда с признаками осолодения. По мере продвижения к югу в почвах лугов все больше проявляется засоленность и солонцеватость.
В горных регионах как на производных лугах (возникших на месте леса в лесном поясе), так и на природных лугах, расположенных выше верхней границы леса, в большинстве случаев единственный источник воды — атмосферные осадки. Разнообразие эдафотопов горных лугов определяется экспозицией, крутизной, формой (выпуклые, вогнутые) склонов, различиями в горных породах (в частности, в их карбонатности), в степени развитости почв, в высотном положении.
Аэротоп луговых биогеоценозов зависит от: 1) общего (зонального) климата; 2) местного климата, определяемого положением в рельефе и окружением; 3) фитоклимата, создаваемого растительным компонентом. Зависимость луговых биогеоценозов от общего климата проявляется как на равнинах, так и в горах. В равнинных регионах наиболее благоприятные условия для формирования лугов имеются в южной части лесной зоны (подзоны южной тайги, смешанных хвойно-широколиственных и широколиственных лесов) и в лесостепи. В тундровой, полупустынной и пустынной зонах луга распространены исключительно или в основном в поймах рек или по морским побережьям. В горных регионах в связи с изменением общего климата с абсолютной высотой местности большие изменения в компонентах биогеоценозов происходят при переходе от лесного к субальпийскому и далее к альпийскому поясам.
В пределах одной и той же климатической области отдельные типы лугов могут существенно отличаться по местному климату, особенно по тепловому режиму. В низинах, куда стекает холодный воздух со склонов, средние температуры ниже, чем на склонах; здесь позже заканчиваются весенние и раньше наступают осенние заморозки. В поймах крупных рек луга, расположенные в прирусловой части, характеризуются более благоприятным тепловым режимом, чем луга, приуроченные к притеррасью, удаленному от русла реки. Для теплового режима лугов, особенно в северных районах нашей страны, большое значение имеет защита их от холодных ветров лесом или зарослями кустарников. Луга распространены и в регионах с вечной мерзлотой. Близкое залегание горизонта вечной мерзлоты оказывает влияние на тепловой режим почв, но нередко создает более благоприятные условия обеспечения растений водой, особенно в районах с небольшим количеством атмосферных осадков, например в Центральной Якутии.
Для лугов, особенно высокогорных и расположенных в низинах и в поймах, характерно частое обильное осаждение росы. Общее количество воды, поступающей с росой, невелико. Кроме того, роса в основном осаждается в результате конденсации водяного пара, образующегося при транспирации и испарении с поверхности почвы. Таким образом, обильное осаждение росы на лугах, как правило, не означает увеличения поступления воды извне. Иное происходит при осаждении росы из тумана, поступающего со склонов в пониженные элементы рельефа (горизонтальные атмосферные осадки).
Количество воды, поступающей на луга, и в этом случае, видимо, невелико. Оно, однако, может быть значительным в высокогорьях при осаждении капельно-жидкой влаги из облаков, нередко покрывающих субальпийские и альпийские луга. Туманы существенно снижают транспирацию растений.
Фитоклимат лугов характеризуется резко выраженной сезонной изменчивостью, связанной с постепенным нарастанием надземных органов растений, формирующих травостой, от весны к лету, а также с отчуждением травы, нередко многократным, при скашивании или стравливании. В зависимости от высоты травостоя и его сомкнутости (числа побегов, их мощности, общей поверхности листьев и их расположения) внутри луговых травостоев создается особый фитоклимат. Для лугов, так же как и для других типов биогеоценозов с сомкнутым растительным покровом, характерно ослабление освещения сверху вниз, увеличение влажности воздуха и некоторое снижение температуры. Фитоклимат лугов в большей степени зависит от сезонных и разногодичных изменений в общем климате, чем фитоклимат лесов.