Агроэкологическое обоснование эффективности ландшафтных систем земледелия в центральном черноземье
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Агроэкологическое обоснование систем применения удобрений в севооборотах на дерново-подзолистых, 1334.17kb.
- Программа дисциплины «история и методология систем земледелия», 143.31kb.
- Тема Современные технологии орошаемого земледелия и полива, 186.16kb.
- Н. Г. Осенний 2012 г. Расписание, 25.09kb.
- 3 Исправьте все стилистические, грамматические, орфографические и пунктуационные ошибки,, 360.88kb.
- Школу экологического органического живого земледелия ведет знаменитый агроном, 36.09kb.
- Состояние ландшафтных систем и их охрана в зоне белореченского химзавода, 772.75kb.
- Технологии земледелия и растениеводства: региональный опыт, 495.68kb.
- Аннотация рабочей программы дисциплины «Земледелие» наименование дисциплины для направления, 36.44kb.
- Ое хозяйство с помощью мелиорации и поливного земледелия, началом строительства в России, 115.22kb.
Защита состоится « 24 » июня 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 006.016.01 при ГНУ Всероссийском научно-исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии Российской академии сельскохозяйственных наук
по адресу: 305021, г. Курск, ул. К. Маркса, 70-б, ГНУ ВНИИЗиЗПЭ Россельхозакадемии
Факс: (4712) 53-67-29
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ Всероссийского научно-исследовательского института земледелия и защиты почв от эрозии Россельхозакадемии
Автореферат разослан «______» _____________ 2011 г.
У
ченый секретарь диссертационного совета, к.б.н. М.Ю. Дёгтева
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современное земледелие характеризуется интенсивным воздействием на окружающую среду и, особенно на почву, как средство производства и компонент биосферы. Это связано не только с потерей плодородия, а, следовательно, снижением производства продуктов питания, но и существенным загрязнением воздуха и водных источников продуктами выноса почвы, различного вида химикатов (как удобрений, так и пестицидов), усилением частоты и вредоносности засух, снижением в целом устойчивости агроландшафтов.
В современных условиях обеспечение устойчивости производства является важнейшим направлением деятельности специалистов и ученых в области сельского хозяйства. Устойчивость развития предполагает последовательное сохранение и восстановление биосферы, а также безопасность хозяйственной деятельности. Стала осознанной необходимость ведения земледелия на основе законов функционирования природных экосистем и ландшафтов. Достижение этого неразрывно связано с созданием рациональных агроэкосистем и агроландшафтов.
Системами земледелия нового поколения стали ландшафтные системы земледелия (ЛСЗ). Под руководством академика РАСХН О.Г. Котляровой ландшафтные системы земледелия, начиная с 1981 года, были освоены в Красногвардейском районе Белгородской области. Создание этого уникального по своей масштабности и глубине проработки объекта в самых сложных эрозионных условиях Центрального Черноземья дает возможность оценить эволюцию антропогенно сформированных агроландшафтов и показать экологическую, экономическую и социальную направленность происходящих процессов в условиях целого района (132 тыс. га, в т.ч. пашни 92,5 тыс. га).
Одной из наиболее актуальных задач общества и науки становится оптимизация использования природных ресурсов и управление эволюцией агроландшафтов по пути ноогенеза на основе эффективных подходов скрининга и мониторинга, планирования и прогноза последствий антропогенного воздействия на биосферу. Очевидно, что для достижения этих целей необходимо детальное изучение особенностей формирования устойчивых агроландшафтов.
Недостаточно изученными и поэтому представляющие значительный интерес остаются вопросы комплексного влияния всех элементов ЛСЗ на динамику восстановления плодородия почв, повышение продуктивности агроценозов, расширение видового разнообразия, биологической емкости и энергетического потенциала агроэкосистем, экономических показателей аграрного производства, а также экологической безопасности и качества окружающей среды, определяющих и здоровье населения.
Цель работы – комплексная оценка состояния агроэкосистем нового типа на разных уровнях ее иерархической структуры (модельный объект, хозяйство, район), как основы формирования и эволюционного развития экологически устойчивых высокопродуктивных агроландшафтов при освоении ландшафтных систем земледелия.
Основные задачи исследований:
- изучить влияние ландшафтных систем земледелия на основные показатели плодородия почв;
- определить изменение продуктивности, биологической и энергетической емкости и ассимиляционного потенциала агроэкосистем при освоении ландшафтных систем земледелия;
- оценить видовое разнообразие флоры и типов растительности при формировании экологически устойчивых агроландшафтов;
- определить влияние защитных лесных насаждений на засоренность прилегающих агроценозов и особенности распространения и взаимоотношений между компонентами энтомоценоза в преобразованных агроландшафтах, как основы совершенствования мер защиты растений в земледелии;
- оценить уровень экологической безопасности и влияние ландшафтных систем земледелия на заболеваемость органов дыхания населения трансформированной территории в сравнении с традиционными;
- определить эколого-экономическую эффективность освоенной на контурно-мелиоративной основе ландшафтной системы земледелия.
Научная новизна работы. Впервые для условий Центрально-Черноземного региона дана комплексная оценка эффективности ландшафтных систем земледелия в реальных условиях хозяйствования целого района.
Показано, что при освоении ландшафтных систем земледелия в эрозионноопасных районах происходит не просто прекращение деградации почв, но и восстановление их плодородия. Установлены средние темпы увеличения содержания гумуса.
Доказано, что преобразование территории на ландшафтной основе приводит к повышению продуктивности агроэкосистем, их биологической емкости и флористического разнообразия, к устойчивости агроландшафтов в целом, особенно в экологически напряженных условиях.
Впервые в ЦЧР получены принципиально новые представления о влиянии ландшафтных систем земледелия на состояние среды обитания трансформированной территории и снижение заболеваемости органов дыхания населения.
Проведена оценка эколого-экономической эффективности освоения ландшафтных систем земледелия и производственных процессов в земледелии.
Практическая значимость работы определяется современным состоянием плодородия почв, непрекращающимися процессами деградации в эрозионноопасных районах, что приводит к снижению продуктивности агроландшафтов и их устойчивости, а также неэффективному использованию природных и антропогенных ресурсов.
Основные экспериментальные результаты и положения диссертации имеют теоретическую и практическую направленность и могут служить основой для разработки программ по вопросам сохранения и повышения плодородия почв, устойчивости агроландшафтов, повышения эффективности производства продукции растениеводства. Материалы исследований послужат информационной основой для совершенствования и прогноза развития систем земледелия нового поколения на ландшафтной основе.
Установленные в работе особенности пространственной дифференциации энтомоценоза в условиях сложного рельефа могут использоваться при проведении фитосанитарного мониторинга и контроля численности вредных насекомых.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в Белгородской государственной сельскохозяйственной академии при чтении дисциплин «Ландшафтное земледелие» и «Системы земледелия», неоднократно были востребованы департаментом АПК Белгородской области для обмена передового опыта с представителями различных областей России и повышения квалификации руководителей и главных агрономов хозяйств Белгородской области.
Положения, выносимые на защиту:
1. При освоении ландшафтных систем земледелия повышается плодородие почв и продуктивность агроландшафтов.
2. Ландшафтные системы земледелия обеспечивают увеличение биоэнергетической емкости и ассимиляционного потенциала агроэкосистем.
3. Особенности пространственной дифференциации компонентов энтомокомплекса в зависимости от структурных элементов агроландшафта.
4. Защитные лесные насаждения как фактор стабилизации фитосанитарной обстановки прилегающих агроценозов вследствие повышения устойчивости в их системе энтомофаунистических сообществ, с одной стороны, и закономерностей сукцессионного развития травянистой растительности в них, с другой.
5. Расширение флористического разнообразия агроландшафтов под влиянием системы лесополос, участков сплошного облесения и естественной растительности овражно-балочных комплексов.
6. Улучшение состояния окружающей среды и здоровья населения преобразованных территорий при освоении ландшафтных систем земледелия.
Апробация работы. Основные положения диссертации рассматривались и получили одобрение на научно-практических конференциях разного уровня: Белгородская ГСХА, 2002-2004, 2006, 2008 гг.; Казань, 2002; Белгородский госуниверситет, 2004, 2008; Воронеж, 2005; Краснодар, 2005, 2008; Ставрополь, 2005, 2010; Москва, 2007; Волгоград, 2008; Каменная Степь, 2008, 2009; Курск, 2008, 2010; Н.Новгород, 2008; «День российского поля – 2008» (Белгород, 2008); Брянск, 2009; С.-Петербург, 2009; Ульяновск, 2009; на заседаниях кафедры земледелия и агрохимии Белгородской ГСХА (2002-2010 гг.); на заседаниях Ученого совета агрономического факультета БелГСХА (2002-2010 гг.).
Исследования выполнялись по Межведомственной координационной программе (задание II.01) «Разработать проекты базовых элементов адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ) и модели автоматизированного проектирования для товаропроизводителей различной специализации, форм собственности и финансового обеспечения» (координируемая РАСХН) (2009 г.).
Исследования поддерживались грантами российских и международных фондов:
1. № 029 GR5/ISC-2000 Института Устойчивых Сообществ (США) и Агентства США по международному развитию «Освоение экологически устойчивой ландшафтной системы земледелия в АО «Должанское»» (2000 г.);
2. № 1064 GR10/ISC-2003 Института Устойчивых Сообществ (США) и Агентства США по международному развитию «Утилизация органических отходов сельскохозяйственного производства методом биоконверсии» (2003-2004 гг.);
3. № 09-04-97554 Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) «Разработка системного подхода к оценке состояния агроэкосистем нового типа» (2009-2010 гг.).
Исследования проводились в соответствии с заданиями программ НИР Белгородской государственной сельскохозяйственной академии и Департамента АПК правительства Белгородской области: № 4/02 «Разработка и совершенствование элементов ландшафтных систем земледелия» (2002 г.); № 1.10.56.4 «Разработка и внедрение в производство агроландшафтных систем на биологической основе земледелия и создание научного демонстрационного стационара по освоению и совершенствованию ландшафтных систем земледелия» (2003-2007 г.); «Оценка экологической устойчивости и биоразнообразия агрландшафтов, формирование звеньев новых агротехнологий в ландшафтных системах земледелия» (2010 г.).
Публикации результатов исследований. Результаты исследований опубликованы в 67 работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК – 17, в двух коллективных монографиях, 8 научно-методических работах, 3 из которых с грифом УМО.
Структура и объем диссертации.
Представленная работа состоит из введения, семи глав, выводов, предложений производству, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 311 страницах машинописного текста, содержит 47 таблиц, 28 рисунков, 8 приложений. Список литературы включает 514 источников, в том числе 32 – на иностранных языках.
Автор благодарен коллективу кафедры земледелия и агрохимии Белгородской государственной сельскохозяйственной академии за совместную работу и поддержку. Особую признательность автор выражает сотрудникам ботанического сада Белгородского государственного университета кандидатам сельскохозяйственных наук В.И. Чернявскому и О.В. Дегтярь, заместителю руководителя «Центра биологической регламентации использования пестицидов» Всероссийского института защиты растений (ВИЗР, С-Петербург – Пушкин) доктору биологических наук А.Б. Лаптиеву, руководителю территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Белгородской области О.С. Тарановой за доброжелательную помощь и полезные советы.
2 ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектом исследования являются модельные агроэкосистемы, включающие почву, растительность, энтомофауну и человека, в юго-восточных районах Белгородской области, где реализовано крупномасштабное освоение ландшафтных систем земледелия. Район исследований характеризуется высокой степенью распаханности и сложным эрозионным рельефом. Преобладает склоновый тип местности. Расчлененность территории составляет 1,5 км/км2, глубина местных базисов эрозии достигает 136-150 м, площадь оврагов 3,5 тыс. га. В структуре почвенного покрова преобладают черноземы обыкновенные, часто карбонатные и солонцеватые в сочетании с типичными и остаточно-карбонатными на мелу разной степени смытости. Доля эродированных почв достигает 72,7 %.
Метеорологические условия за последние 20 лет складывались неодинаково. Средняя температура воздуха за этот период составила 7,6 ºС, что на 21 % выше, чем среднемноголетняя. По сумме среднесуточных температур за вегетационный период наиболее жаркими были 1995, 1998, 1999, 2001, 2002, 2005, 2007, 2009, 2010 гг., когда сумма температур была выше 3000 ºС и изменялась от 3012 ºС в 2002 г. до 3668 ºС в 2010 г. Годовое количество осадков за 1991-2010 гг. составило в среднем 494 мм, что на 59 мм меньше, чем среднемноголетнее. Самыми засушливыми были вегетационные периоды 1999, 2001, 2009 и 2010 гг., когда величина ГТК вегетационного периода составляла 0,43-0,66, что ниже среднемноголетней нормы на 59-144 %.
Методические аспекты организации исследований. Методологической основой наших исследований по влиянию ландшафтных систем земледелия на плодородие почв, продуктивность агроландшафтов, здоровье среды и человека устанавливалось в результате сравнительного анализа состояния агроэкосистем трех соседних районов – Красногвардейского (с полным освоением всех элементов ЛСЗ), Валуйского и Вейделевского (освоение ЛСЗ фрагментарно, лишь в отдельных хозяйствах). Влияние поэтапного освоения элементов ландшафтных систем земледелия на плодородие почв изучалось также в ЗАО «Должанское» Вейделевского района, где в 2000-2001 гг. нами проведены работы по созданию завершенной ландшафтной системы земледелия. Исследования динамики показателей плодородия почв в ландшафтных системах земледелия проводились и в условиях двух модельных объектов Красногвардейского района: «Репный Лог» и «Красногвардейский полигон», в условиях которого также проводились полевые исследования растительных и энтомофаунистических сообществ.
Состояние плодородия почв оценивалось по результатам лабораторных анализов, которые проводились в соответствии с методами, принятыми в научно-исследовательских учреждениях. Содержание гумуса определяли согласно ГОСТу 26213-91, подвижные формы фосфора и калия в нейтральных и слабокислых почвах по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204-84); подвижные формы фосфора и калия в карбонатных почвах по методу Мачигина; легкогидролизуемый азот - по Корнфилду; рН солевой вытяжки методом ЦИНАО по ГОСТ 26483-85; сумма поглощенных оснований - по методу Каппена (ГОСТ 27821-88).
Для оценки продуктивности агроландшафтов использовались данные статистических ежегодных сборников Департамента АПК правительства Белгородской области по урожайности сельскохозяйственных культур и структуры посевных площадей трех соседних районов за тридцатилетний период (1981-2010).
Количество органической массы травянистой растительности лесных ценозов рассчитывалась, исходя из надземной фитомассы (площадь пробных площадок 1м2, 3-кратная повторность). Величина биомассы растительных сообществ учитывалась в период максимального фенологического развития, когда в генеративную фазу перешло не менее 80% видов растений. Количество органической массы древесной растительности – путем определения параметров среднего дерева (Лозовой, 1996). Оценка биоэнергетического потенциала территории агроландшафта проводилась с использованием «Методики определения экологической емкости и биоэнергетического потенциала территории агроландшафта» (Володин и др., 2000) и «Методики ресурсно-экологической оценки эффективности земледелия на биоэнергетической основе (Володин и др., 1999).
Учеты фитофагов и энтомофагов проводились в период пика численности активных фаз большинства из них – в течение колошения, бутонизации и цветения сельскохозяйственных культур кошением стандартным энтомологическим сачком по десять взмахов в 3-кратной повторности с учетом рекомендаций В.Ф. Палий (1970) и разработок К.С. Артохина и А.Н. Полтавского (2005). В сочетании с учетными действиями предварительное определение видового и количественного состава проведено непосредственно в полевых условиях с учетом рекомендаций, представленных в «Методах мониторинга…» (2002) с последующим сравнением объектов с уже определенной энтомологической коллекцией.
Растительные сообщества изучались по методике маршрутного флористического обследования. Было проведено 100 геоботанических описаний. Размер стационарных площадок для геоботанических описаний - 100 м2. Наблюдения и учеты проводились согласно стандартным методикам (Полевая геоботаника…, 1960).
Для оценки состояния окружающей среды по стабильности развития живых организмов использовался морфологический метод, разработанный сотрудниками Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН под руководством В.М. Захарова (Захаров и др., 2000). В качестве объекта исследования выбран наиболее распространенный местный вид лиственной породы – береза повислая (Betula pendula Roth.).
Влияние ландшафтных систем земледелия на здоровье человека оценивалось по уровню заболеваемости органов дыхания всего населения и различных возрастных групп. В качестве интегрального и целевого показателя использовалась общая и впервые зарегистрированная заболеваемость органов дыхания на тысячу человек. Для расчета данного показателя использовались материалы территориального органа федеральной службы государственной статистики по Белгородской области по числу болезней органов дыхания, численности и возрастному распределению населения.
Производительность агрегатов, длина рабочего и холостого пути, расход топлива определялся по общепринятым методикам (Пономарев, Скурятин, 1995; Зангиев, Скороходов, 2006).
Статистическая обработка результатов проводилась с использованием формул для расчета средней арифметической, стандартного отклонения, коэффициента вариации, коэффициентов корреляции и детерминации (Доспехов, 1979) и методом дисперсионного и корреляционного анализов с помощью пакета прикладных программ Eхсel 2003 Microsoft Office XP и Statistica 6.0.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3 влияние ландшафтных систем земледелия НА плодородиЕ почв и продуктивностЬ агроэкосистем
Содержание гумуса в почвах. Одним из основных показателей плодородия почв является содержание в них гумуса. Органическое вещество почвы оказывает многостороннее положительное влияние на агрофизические, агрохимические и биологические показатели плодородия. Повышение содержания органического вещества в почве увеличивает ее буферность и, тем самым, экологическую емкость и устойчивость агроэкосистемы в целом. В настоящее время существует крайне мало данных о накоплении содержания гумуса в агроэкосистемах нового типа.
Исследования по влиянию ландшафтных систем земледелия на плодородие почв проводились в двух модельных агроэкосистемах, выделенных на территории Красногвардейского района, а также в ЗАО «Должанское» Вейделевского района Белгородской области.
На модельном объекте Красногвардейского района «Репный Лог» в 1993 г. были закреплены 11 реперных точек и описаны морфологические особенности 11 полнопрофильных разрезов. Исследованиями охвачены черноземы типичные карбонатные и черноземы типичные различной степени смытости, расположенные на склонах южной и юго-восточной экспозиции крутизной 1-4º. С целью изучения динамики процессов, происходящих в почвах данного объекта, в 2004 и 2009 гг. нами проведены почвенные исследования на тех же реперных участках, что и в 1993 году.
Изучение динамики гумуса в почвах модельного объекта охватывает 23 года. Точкой отсчета (исходной характеристикой) послужило среднее содержание гумуса пахотного слоя, рассчитанное по материалам крупномасштабного обследования почв, данной территории в 1986 г. – 5,20 %. Данные, представленные в таблице 1, показывают, что в первые годы после освоения ландшафтных систем земледелия все еще продолжалась потеря гумуса. Однако ее темпы со временем значительно снизились. Если в период от 1986 до 1993 гг. они составили 0,1 % (абс.) в год, то уже с 1993 по 2004 гг. их величина была всего лишь 0,01 % (абс.) в год. Следующие пять лет характеризуются приращением гумуса в почве более чем на 0,05 % (абс.) в год.
В подпахотном слое почвы в отличие от пахотного уже в период 1993-2004 гг. наблюдается накопление гумуса со скоростью 0,02 % (абс.) в год. В последующий период до 2009 г. увеличение содержания гумуса в подпахотном слое шло гораздо более быстрыми темпами – 0,09 % (абс.) в год.
Таблица 1 – Динамика содержания гумуса (%) в пахотном слое почвы на объекте «Репный Лог»
| Разрезы | Годы | ||
| 1993 | 2004 | 2009 | |
| 1 | 3,62 | 3,78 | 4,73 |
| 2 | 3,75 | 3,81 | 4,95 |
| 3 | 4,39 | 4,45 | 3,93 |
| 4 | 4,40 | 4,49 | 4,35 |
| 5 | 3,79 | 4,50 | 4,53 |
| 6 | 4,32 | 4,35 | 4,38 |
| 7 | 4,97 | 4,67 | 4,45 |
| 8 | 4,77 | 4,85 | 5,56 |
| 9 | 5,39 | 5,10 | 4,73 |
| 10 | 5,16 | 4,86 | 5,03 |
| 11 | 5,06 | 3,74 | 4,93 |
| Х | 4,51 | 4,42 | 4,69 |
| Sx | 0,61 | 0,47 | 0,43 |
| V, % | 13,53 | 10,53 | 9,23 |