Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика травянистой флоры элементов агроландшафта при изменении антропогенной нагрузки в XX - начале XXI столетия

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Динамика травянистой флоры элементов агроландшафта при изменении антропогенной нагрузки в XX - начале XXI столетия"

На правах рукописи

БАТОРШИН РИНАТ ФЯРИТОВИЧ

ДИНАМИКА ТРАВЯНИСТОЙ ФЛОРЫ ЭЛЕМЕНТОВ АГРОЛАНДШАФТА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ В XX - НАЧАЛЕ XXI СТОЛЕТИЯ

Специальность: 03.02.08. - Экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических паук

1 7 АПР 2014

Ульяновск - 2014

005547255

005547255

Работа выполнена на кафедре почвоведения, агрохимии и земледелия в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева»

Научный руководитель: Смолин Николай Васильевич

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Официальные оппоненты: Благовещенская Нина Васильевна,

доктор биологических наук, доцент, государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного образования детей «Областной детский экологический центр», директор

Лунева Наталья Николаевна,

кандидат биологических наук, государственное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт защиты растений» РАСХН, заведующая лабораторией гербологии

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образователь-

ное учреждение высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», г. Пенза

Защита состоится «30» апреля 2014 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет» по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, 106, корп.1, ауд.703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, а с авторефератом: на сайте ВУЗа - http://ppo.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации -http://vak.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, Отдел послевузовского и профессионального образования.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент

У

С. В. Пантелеев

ВВЕДЕНИЕ

Агроландшафты занимают до 35 % территории Российской Федерации. Неотъемлемым компонентом современных агроландшафтов являются агро-фитоценозы, лесные полосы, экотоны, склоны различных экспозиций. Следует отметить, что, как и в естественных фитоценозах, динамика является неотъемлемым признаком агрофитоценозов (Воробьев Н. В., 1990). При этом на интенсивность процессов изменения видовой структуры агрофитоценозов наряду с почвенно-климатическими условиями значительное влияние оказывают интенсивность антропогенной нагрузки и характерные особенности ее трансформации.

До начала 30-х гг. XX в. антропогенное воздействие на агрофитоценозы было минимальным и сводилось к примитивной обработке почвы и посеву или посадке сельскохозяйственных культур. В последующем хозяйственная деятельность человека привела к серьезным изменениям экологических условий роста и развития растений в полевых сообществах, что также сказалось на формировании состава дикорастущей флоры агрофитоценозов (Туга-наев В.В., 1984; Бочкарев Д.В. и соавт., 2013).

Как правило, исследователи пристальное внимание уделяют изучению флоры естественных фитоценозов и наблюдающейся в ннх динамики (Силаева Т.Б. Бармин H.A., 1998; Благовещенский И.В., 2001; Саксонов C.B. и соавт., 2007). Однако до настоящего времени не сформировано четкое представление о том, как изменение уровня антропогенной нагрузки отражается на структуре популяции дикорастущих травянистых видов в агрофитоценозах. Не до конца выяснено влияние элементов агроландшафта (лесных полос, мезорельефа) на видовой состав дикорастущей травянистой флоры полевых сообществ. Между тем эти экологические системы, будучи в пространственно-временных взаимоотношениях, испытывают существенную взаимозависимость.

Подобные исследования устанавливают видовое разнообразие травянистых растений обширных территорий и служат практической основой для разработки экологически безопасных мероприятий по снижению их численности в агрофитоценозах. Кроме того, по мнению H.H. Луневой и соавт. (2007), полученные данные о видовом представительстве этих растений и их количественном обилии на конкретном поле позволят дифференцировать подход к выбору мероприятий по борьбе с нежелательной растительностью и увеличить биологическую эффективность и экологическую безопасность.

Особый интерес представляют исследования динамики видовой структуры полевых растительных сообществ в хронологической последовательности за отрезок времени, в течение которого произошли колоссальные преобразования в сельскохозяйственном производстве.

Цель исследований. Основной целью исследований являлись изучение видового состава и динамики дикорастущей флоры агроландшафтов, ее эколо-го-ботаническая характеристика в условиях Средней Волги в XX - начале XXI столетия.

Для решения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) проанализировать видовой состав дикорастущей травянистой флоры агро-фптоценозов 30 - 80-х гг. прошлого века по данным геоботанических отчетов;

2) изучить состав дикорастущей травянистой флоры современных агро-фитоценозов, выделить доминирующие виды, установить сходство дикорастущих флор полевых сообществ в различные периоды исследований при разном уровне антропогенного влияния и дать их эколого-ботаническую характеристику;

3) провести экологическую оценку дикорастущей травянистой флоры агрофнтоценозов в XX - начале XXI в. при разном уровне антропогенного воздействия;

4) изучить состав травянистой флоры лесополос и экотонов, дать их эколого-ботаническую характеристику;

5) определить закономерности влияния лесополос на численность и видовое обилие дикорастущих травянистых видов в агрофитоценозах;

6) установить закономерности влияния мезорельефа на характер распределения дикорастущих травянистых видов в агрофитоценозах;

7) выявить степень влияния лесополос и элементов мезорельефа агро-ландшафта на продуктивность популяций культурных растений.

Научная новизна. На территории Республики Мордовия, географически расположенной в Среднем Поволжье, определены закономерности поэтапного изменения дикорастущей флоры агроландшафтов при разном уровне антропогенной нагрузки в XX - начале XXI столетия. Определен состав травянистой флоры лесозащитных насаждений разных возрастов, экотонов и склонов различной экспозиции. Выявлено влияние элементов агроландшафта на продуктивность культурного компонента агрофнтоценозов.

На защиту выносятся следующие положения;

1) дикорастущая флора агрофнтоценозов за 75-летний период претерпела значительную трансформацию, что объясняется сменой экологических условий, вызванных изменением уровня антропогенной нагрузки;

2) породный состав, возраст и конструкция лесных полос оказывают существенное воздействие на видовую структуру травянистой флоры, как в самих посадках, так и сопредельных экотонах;

3) экспозиции склонов в значительной степени влияют на формирование видового состава дикорастущей флоры агрофнтоценозов;

4) элементы агроландшафта влияют на продуктивность полевых культур.

Теоретическая и практическая значимость. Установлены флористический состав дикорастущих видов и характер его динамики при различных экологических условиях формирования агрофнтоценозов XX - начала XXI в. Определены состав флоры различных элементов агроландшафта и их влияние на продуктивность сельскохозяйственных культур. Полученные данные являются основой для разработки экологически безопасной системы мероприятий по регулированию численности сорного компонента.

Личный вклад соискателя. Соискателем лично разработана программа исследований, осуществлены маршрутные обследования агро-ландшафтов, в том числе заложено и обследовано 180 стационарных площадок в лесополосах различной конструкции и сопредельных экотонах и 720 учетных площадок в посевах сельскохозяйственных культур, проведен сбор материала и его анализ, сделаны теоретические обобщения полученных экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения исследований доложены: на XXXVIII Огаревскнх чтениях (Саранск, 2010); V Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии получения сельскохозяйственной продукции» (Саранск, 2010); Международной научно-практической конференции «Защита растений в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (Новосибирск, 2013).

По результатам исследований опубликовано 6 научных статей, из них 2 в журналах, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем диссертации. Работа выполнена на 145 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 5 глав и выводов. Содержит 26 таблиц, 32 рисунка, 15 приложений, 175 библиографических источников, в том числе 5 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материалы и методы исследований

Блок по исследованию засоренности посевов. Для выявления динамики сорной флоры былн изучены результаты масштабных исследований засоренности полей Инсарского района, проведенных в 1936 - 1938 гг. под руководством П.К. Кузьмина и в 1981 - 1982 гг. под руководством P.M. Ба-лабаевой.

В 2010 - 2012 гг. былн осуществлены собственные маршрутные обследования территории Инсарского района с целью установления современного состава дикорастущей флоры агрофнтоценозов и ее изменения за длительный период времени.

Видовой состав и численность определяли в третьей декаде июля (перед уборкой зерновых культур, в середине вегетации пропашных культур) по методике ТСХА (2005). В площади рамки подсчитывали количество растений каждого вида. Численность дикорастущих видов (А) рассчитывали по формуле

А = а / ns;

где а - число встреченных особей (стеблей) растений шт; п - число учетных площадок, s - размер учетной площадки, м".

Анализ экоморфного состава травянистой флоры проводился по Н.М. Матвееву (2006), по времени заноса сорных видов на территорию республики по Т.Б. Силаевой и соавт. (2010).

Для определения динамики видового состава сорных видов агрофитоце-нозов в разные периоды исследований использовали коэффициент сходства (коэффициент Жаккара) который рассчитывается по формуле

К¡ = с/(а + Ь-с)

где: с - число видов, встречающихся одновременно в обоих фитопенозах; а - количество видов в фитоценозе А; Ь - количество видов в фитоценозе В.

Блок по изучению состава дикорастущей флоры элементов агро-ландшафта. Для изучения видового состава травянистых растений лесополос и сопредельных с ними экотонов были выбраны лесные полосы различных конструкции, возраста и породного состава деревьев: 1) старовозрастные: непродуваемая четырехрядная (тополь, акация, И = 25 - 28 м), непроду-ваемая четырехрядная (дуб, акация, И = 26 - 28 м), продуваемая трехрядная (тополь, И = 28 — 30 м), продуваемая трехрядная (сосна, Ь = 23 - 25 м); 2) молодые: продуваемая трехрядная (береза, Ь =15-18 м) и продуваемая трехрядная (сосна, И = 16 - 18 м). Стационарные площадки площадью 100 м2, имевшие форму прямоугольника, ширина которого равнялась 4 м, а длина 25 м, были выделены внутри лесополос и в экотонах с южной и северной сторон от лесных полос. С другой стороны экотоны граничили с посевами сельскохозяйственных культур. На каждой площадке был определен видовой состав флоры по методике Л.Г. Раменского (1952).

Исследования влияния лесополос на видовой состав и обилие дикорастущих видов в посевах проводились в 2010 - 2012 гг. в звене зернотравяного севооборота (многолетние травы второго года пользования - озимая пшеница - яровой ячмень).

Обилие дикорастущих травянистых видов посевов определялось на расстоянии 5, 10, 20, 30 ... 100 м от лесной полосы. Сорно-полевую растительность агрофитоценозов учитывали на площадках в 1 м2 в десятикратной по-вторности. Продуктивность культурного компонента устанавливалась на тех же площадках, где осуществлялся учет засоренности посевов.

Определение видового состава и численности дикорастущих травянистых видов в посевах в зависимости от экспозиции склонов производился в 2010 - 2012 гг. в звене полевого севооборота (викоовсяная смесь - озимая пшеница - ячмень). Для изучения были взяты склон северной и южной экспозиции в верхней, средней и нижней его части и на плакоре. Численность травянистых растений в посевах выявлялась по вышеуказанной методике в десятикратной повторности.

Метеорологические условия в годы проведения опытов были различными. ГТК за вегетационный период колебался в пределах от 0,3 в 2010 г. до 1,4 в 2011 г. и 1,7 в 2012 г.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Динамика дикорастущей травянистой флоры агрофитоценозов при различной степени антропогенного воздействия. Материалы геоботанических обследований Писарского района Республики Мордовия характеризуют флористическое обилие сорных видов в посевах сельскохозяйственных культур в 30-е гг. XX столетия, обусловленное переходом от обработки почвы сохой к механизированному способу вспашки. Основными культурами в то время были озимая рожь, озимая пшеница, овес, картофель, бобовые (горох, чечевица, вика).

Всего в посевах было отмечено 89 дикорастущих травянистых видов (рис. 1). Из них терофиты составляли 65%, многолетние гемикриптофиты и геофиты - 35 %. В среднем на 1 м2 встречалось 44 сорных растения.

■ Эфемеры В Яровые поздние

■ Озимые

А Б

Рис. 1. Соотношение биоморфологических групп терофитов (А), гемикрипто-фитов и геофитов (Б) в 30-е гг. XX в.

На долю корневищных геофитов в посевах полевых культур приходилось 8 видов, но значительное распространение имели только хвощ полевой (Equisetum arvense L.) и пырей ползучий (Elytrigia repetís L.). Корнеотпрысковые были представлены 10 видами. Стержнекорневая группа включала 13 видов. Наибольшей распространенностью отличались подорожник средний (Plantago media L.), пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare L.), сурепка полевая (Barbarea arcuafa Opiz.), цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.).

Сравнение флористического состава сорно-полевых видов по коэффициенту сходства Жаккара в культурах 30-х гг. прошлого века показало, что различие их в

■ Яровые ранние

■ Зимующие

■ Двулетники

■ Корневищные

■ Стержнекорнеоые

■ Ползучие

■ Корнеотпрысковые

■ Луковичные

■ Паразитные

агрофитоценозах возделываемых культур составляло от 50 до 80 %. Максимальное сходство отмечалось в посевах культур, близких по биологическим признакам.

Травянистые растения агрофитоценозов 30-х гг XX в. были отнесены к 26 ботаническим семействам. Преобладающими из них были: астровые (Asteraceae) -13 видов; гвоздичные (Caryophyllaceae) - 11 видов; капустные (Brassicacea) - 11 видов; бобовые (Fabaceae) - 10 видов, яснотковые (Lamíales) - 6 видов; гречихо- |

вые (Poh'gonaceae) - 5 видов; бурачниковые (Boraginaceae) - 3 вида; мареновые (.Rubiaceae) - 3 вида; норичниковые (Scrophulariaceae) - 2 вида.

Семейства сельдерейные (Umbellíferae), фиалковые (Violaceae), лютиковые (Ramtnculaceaej, гераниевые (Geraniaceae), амарантовые (Amaranthaceae), дымян- i

ковые (.Fumariaceaej, маревые (Chenopodiaceae), молочайные (Euphorbiaceae). лилейные (LUiaceae), подорожниковые (Plartlaginaceae), ворсянковые (Dipsacoiceae), толстянковые (Crassulaceae), розоцветные (Rosaceae) и вьюнковые (Convolvulaceae) имели по одному видовому представителю.

Анализ видов по времени заноса показал, что в структуре агрофитоценозов основное место занимали археофиты, появившиеся на территории республики еще до начала XVI в. Группа неофитов насчитывала 14 видов, из них наибольшие популяции имели: щирица запрокинутая (.Amaranthus retrojlexus L.), сурепка обыкновенная (Barbarea vulgaris С. Presl), рыжик льновый (Cornelina linicola N.) и рыжик посевной (Cornelina silvestris L.). Следует отметить, что довольно высокая доля неофитов в агрофитоценозе в исследуемый период связана с усилением антропогенного влияния на агроландшафты.

Исследования сорной флоры Инсарского района, проведенные в начале 80-х гг. XX в., выявили ряд особенностей в формировании агрофитоценозов. В это время существенно изменился ассортимент возделываемых в хозяйствах культур. '

Значительные площади были заняты посевами кукурузы, проса, конопли, многолетними травами. |

Всего было обнаружено 47 видов дикорастущих травянистых растений, при средней засоренности 54 экз./м2 (рис. 2).

■ Двулетники щ Стержнекооневьш ■ Уочковатокорневые

(А (Б

Рис.2. Соотношение биоморфологических групп терофитов (А), гемикриптофи-тов и геофитов (Б) в 80-е годы XX века

Группа малолетников включала 31 вид травянистых растений, многолетников - 16 видов. Из малолетних наиболее распространенными были: звездчатка средняя (Stellaria media (L.) Vill.), горец птичий (Polygonum aviculare L.), горец шероховатый (Polygonum scabrum Moench.), дымянка лекарственная (Fumaria officinalis L.), марь белая (Chenopodium album L.), редька дикая (Raphanus raphanistrum L.), щирица запрокинутая (Amanmthus retroflexus L.), щетинник сизый (Setaria glauca (L.) Beauv.), подмаренник цепкий (Galium aparine L.), ромашка непахучая (Matrikaria perforata Merat). Из многолетних сорняков в посевах отмечены: полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.), бодяк щетинистый (Cirsium setosum Willd.) и вьюнок полевой (Convolvulus arvensis L.).

Определение коэффициента сходства флор агрофитоценозов в начале 80-х гг. XX ве. показало, что их однородность в посевах и парах достигала 90 %. Это объясняется унифицированностью обработки почвы, применением гербицидов на основе 2,4-Д в посевах озимых и яровых хлебов и кукурузы. Это способствовало сближению состава сорной флоры полевых культур, разных по биологическим особенностям и технологиям возделывания. Средооб-разующая роль культурного компонента агрофитоценоза в этот период постепенно отошла на второй план.

За исследуемый период численность видов сократилась до 47 (при 89 в первый период исследований), а ботанических семейств - до 20. Наибольшее видовое представительство по-прежнему имело семейство астровые- 11 видов. В 80-х гг не обнаружены следующие виды: ромашка лекарственная (Matricaria chamomilla L.), крестовник весенний (Senecio vernalis Waldst. et Kit.), горлюха ястребинковая (Picris hieracioides L.), осот шершавый (Sonchus asper (L.) Hill), пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare L.). Однако в посевах появились чертополох курчавый (Carduus crispus L.), лопух паутинистый (Arctium tomentosum Mill.), осот огородный (Sonchus oleraceus L.). Семейство мятликовые включало 6 видов. В посевах не отмечены следующие виды: из терофитов - метличу полевая (Арera spica-venti L.), плевел опьяняющий (Lolium temulentum L.), из многолетних - ожика многоцветковая Litzula multiflora (Ehrh.) Lej.). Отмечены большие популяции овсюга обыкновенного (Avenafatua L.)

Семейство капустные включало 5 представителей. В начале 80-х гг. не обнаружены в посевах представители семейства: норичниковых, сельдерейных (пастернак посевной (Pastinaca sativa L.)), лилейных (не обнаружен лук круглый (Allium rotundum L.)), толстянковых, ворсянковых, повиликовых. Из отмеченных семейств 2/3 имели только по 1 видовому представителю. Также в посевах не встречались: дрема белая (Melilotus albus L.), астрогал ну-товый (Astragalus cicer L.), вика мохнатая (Vicia villosa Roth.),вика узколистная (Vicia tenuifolia L.), люцерна хмелевидная (Medicago lupulina L.), люцерна серповидная (Medicagofalcata L.)

Исследования, проведенные в период 2010-2012 гг. выявили совершенно иные закономерности в засоренности посевов по сравнению с предыдущими периодами. В хозяйствах района выращивались озимая пшеница, ячмень, многолетние травы, кукуруза, доля чистых паров доходила до 24 %. На

9

небольших площадях возделывались горох, конопля, яровая пшеница. В структуре сельхозугодий треть пашни (20 тыс. га) составляли залежные земли, выведенные из сельскохозяйственного оборота. Подобный состав культур, паров и залежей характерен и для республики в целом.

Всего в посевах обнаружено 72 дикорастущих травянистых вида, 66 % из них было малолетних терофиты (рис. 3).

/

щ.

i Корневищные I Стерж некорневые 1Паоазтные

(Б

■ Эфемеры

■ Яровые поздние

■ Озимые

(А

■Яровыеранние ■ Зимующие в Двулетники

I Корнеотгрысковые I Мочксвагокорневые

Рис. 3. Видовое представительство малолетних (А) и многолетних (Б) дикорастущих травянистых видов в 2010-2012 гг.

В посевах было обнаружено 15 яровых ранних сорных видов, 14 зимующих видов, двулетних - 8, яровых поздних - 5. Из них наиболее распространенными были: овсюг обыкновенный, горец вьюнковый (Polygonum convolvulus L.), дымянка лекарственная, марь белая. Доля многолетних гемикриптофитов и геофитов составляла 44 %. Из группы корневищных отмечены хвощ полевой (Equisetum arvense L.) и пырей ползучий (Elytrigia repens L.). Среди корнеотпрысковых существенное распространение имели: вьюнок полевой, бодяк щетинистый, осот полевой, реже встречался латук татарский (Lactuca talarica L.) и молочай прутьевидный (Euphorbia virgata Waldst.et Kit.). В группу стержнекорневых входило 12 видов. Из них обильно распространен одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.)

Сходство сорной флоры в различных посевах сельскохозяйственных культур было значительно ниже, чем в 80-е гг. Наибольшее количество видов, как и в предыдущие периоды исследований, принадлежало к семейству астровые -18.

В посевах в 2010 - 2012 гг. неофиты представлены 14 видами. Особо вредоносными в посевах зерновых культур являются: овсюг обыкновенный, щетинник зеленый (Setaria viridis (L.) Beauv.), мелколепестник канадский (Erigeron canadensis L.). щирица запрокинутая, в многолетних травах - борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi Manden.)

Анализ данных за 75-летний изучаемый период обнаружил достоверные изменения сорной флоры агрофитоценозов, что подтверждается статистической обработкой данных. Максимальное различие отмечено между периодами исследований, проведенных в 30-е и 80-е годы прошлого века (табл. 1).

Таблица 1

Коэффициент сходства (Жаккара) сорной флоры агрофитоценозов

за 75-летний период времени

Год Чистый пар Озимая пшеница Яровая пшеннца Горох По всем агрофитопено-зам

19361938 19801982 20102012 19361938 19801982 20102012 19361938 19801982 20102012 19361938 19801982 20102012 19361938 19801982 20102012

19361938 1 1 1 1 1

19801982 0,20 1 0,23 1 0,27 1 0,17 1 0,29 1

20102012 0,35 0,37 1 0,45 0,38 1 0,36 0,28 1 0,31 0,20 1 0,51 0,31 1

Существенные изменения в структуре посевных площадей, совершенствование технологии обработки почвы, применение гербицидов, очистка семенного материала способствовали выпадению из посевов сорных видов куколя обыкновенного (Agroslemma githago L.), метлицы полевой, тысячеголова посевной (Vaccaria hispanica (Mill.) Rauschert), торицы полевой (Spergtda arvaisis L.), змееголовника тимьяноцветкового (Dracocephalum thymiflomm L.) и других спейро-хорных видов.

Значительно увеличилось количество видов, устойчивых к гербицидам из группы 2,4-Д, подмаренника цепкого, ромашки непахучей, фиалок полевой ( Viola arvensis L.) и трехцветной ( Viola tricolor L.). Практически исчезнувший из посевов в 80-е гг. прошлого столетия пырей ползучий в настоящее время получил широкое распространение, в виду преобладанию в системе основной обработки почвы мелкого рыхления дисковыми орудиями.

На протяжении всего 75-летнего периода времени устойчивое положение в агрофитоценозах занимали: бодяк щетинистый, вьюнок полевой и хвощ полевой, что объясняется меньшим повреждением их глубоко залегающей корневой системы при обработке почвы и высокой устойчивостью к гербицидам. Также за весь исследуемый период сохраняли большую распространенность малолетники, обладающие высокой семенной продуктивностью: марь белая, щирица запрокинутая, ежовник обыкновенный (Echinochloa crusgalli (L.) Beauv.) и др.

Экологическая характеристика дикорастущих травянистых видов агрофитоценозов в XX - начале XXI в. В 30-х гг. прошлого столетия основную долю в структуре дикорастущего компонента агрофитоценозов занимали виды мезотермы - как по количеству видов, так и по числу растений на единицу площади. Группа олиготермов включала 13 видов. Наибольшие

популяции из них имели вейник наземный (Calamagrostis epigejos (L.) Roth.), аистник цикутный (Erodhim cicutarium (L.) Herit), ромашка непахучая, чертополох колючий (Carduus acanthoides L.), пастушья сумка (Copsella bursapastoris L.), подмаренник настоящий (Galium verum L.), щавель малый (Rumex acetosella L.)- Группа мегатермов в агрофитоценозах 30-х гг. была представлена минимальным количеством видов (8), из которых в посевах встречались щетинник зеленый, астрагал нутовый, звездчатка средняя.

Исследования, проведенные в 1980 - 81 гг. показали, что долевое участие мезотермов в формировании агрофитоценозов снизилось на 9 %. В свою очередь существенно увеличилась доля мегатермов как по числу видов, так и по величине популяций. Количество олиготермов осталось на прежнем уровне.

В 2010 - 2012 гг. в структуре ценоза дикорастущих травянистых видов, как и в предыдущие периоды исследований, основную долю занимали виды мезотермы. Количество видов мегатермов осталось на прежнем уровне, однако численность растений из этой группы на единицу площади увеличилась на 14 %. Наибольшие популяции имели щирица запрокинутая, щетинник сизый, щетинник зеленый, ежовник обыкновенный.

По отношению к условиям увлажнения в агрофитоценозах 30-х гг. преобладали мезофиты - 39 видов. В условиях недостаточного увлажнения 1936 - 1938 гг. в посевах отмечались: смолевка обыкновенная (Silene vulgaris Moench), хвощ полевой, щирица запрокинутая, щавель малый.

Группа ксеромезофитов также включала большое количество видов (31). Особо распространенными на тот момент были: марь белая, василек синий (Centaurea cyanus L.), фиалка полевая, бодяк щетинистый, осот полевой. Ме-зоксерофиты насчитывали 10 видов. Часто встречались дивала однолетняя и вьюнок полевой. Ксерофитов было 8 видов, из них в условиях недостаточного увлажнения активно распространялись: липучка растопыренная (Lappula squarrossa Retz.), полынь горькая (Artemisia absinthiwn L.), подмаренник настоящий. К мезогигрофитам относился 1 вид - дымянка лекарственной. По численности сорняков на 1 м2 в изучаемый период преобладали растения из группы ксеромезофитов - 24 шт./м2. Представителей группы мезофитов было отмечено в среднем 11 шт./м2., мезоксерофитов - 7 шт./м2.

В 80-е гг. доля мезофитов в общем количестве видов осталась на прежнем уровне (43 %). Их численность равнялась 20. Доля ксеромезофитов незначительно выросла до 37 % (17 видов).

Погодные условия 2010 - 2012 гг. отличались большим разнообразием, что сказалось на распределении видов по отношению к условиям увлажнения. Большее количество видов обнаруженных в посевах, как и в предыдущие годы, принадлежало к группам мезофитов и ксеромезофитов - 35 и 23 соответственно.

Во все годы исследований по отношению к богатству и засоленности почвы доминировали виды мезотрофы (от 32 до 72). На протяжении периодов наблюдения число видов мегатрофов оставалось практически неизмен-

ным, однако их численность на единицу площади значительно возросла (до 18 шт./м2). Наиболее существенное распространение из этой группы имели: бодяк щетинистый, вьюнок полевой, василек скабиозовый (Centaurea scabiosa L.).

Растения олиготрофы отмечены в первый период исследований и в наше время, что связано с более высоким видовым обилием сорняков в агрофито-ценозах. Среди них следует выделить метлицу полевую и вейник наземный.

Во все периоды исследований, как по численности видов, так и по количественному их представительству в агрофитоценозах доминировали гелиофиты.

Виды сциофиты зафиксированы только в 30-е гг. прошлого века. Сциоге-лиофиты присутствовали в посевах в течение всего изучаемого периода, однако их доля всегда оставалась минимальной.

Состав дикорастущей травянистой флоры элементов агроландшаф-та и ее экологическая характеристика. В лесополосах и экотонах был выявлен 161 вид травянистых растений, относящихся к 24 семействам. По продолжительности жизни большинство растений представлено к многолетним видам (113), существенно меньше было малолетних видов (47). Наибольшее число видов принадлежало к семействам астровые - 25, мятликовые- 23 вида, бобовые-14, яснотковые - 14, капустные - 9. По одному видовому представителю имели 14 семейств.

Внутри непродуваемых старовозрастных лесных полос на выделенных участках отмечено минимальное количество видов травянистых растений (от 16 до 23), которые из-за изреженности не могли образовать сплошного полога и произрастали в единичных экземплярах. Среди встречавшихся видов следует отметить: лютик едкий (Ranunculus actis L.), ветреницу лютиковую (Anemone ranuneuloides L.), одуванчик лекарственный, хвощ лесной (Ecjuisetum sylvaticiim L.), вейник наземный, виды полыни и др.

Анализ флористического состава экотонов непродуваемой лесной полосы с освещенной стороны показал, что по мере удаления от края полосы, изменение экологических условий способствовало расширению спектра травянистых растений. Всего на выделенных площадках их было обнаружено от 63 до 92 видов. Существенное распространение здесь имели виды полыни, василек скабиозный, цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.), пырей ползучий и др.

Изучение экотонов старовозрастных лесополос с теневой стороны выявило несколько иную флористическую панораму травянистых видов. Всего было зафиксировано от 32 до 56 видов. Основу фитоценоза составляли растения из семейства мятликовых: вейник наземный, пырей ползучий, кострец безостый (Bromopsis inermis Leyss.), пырейник собачий (Efynnts canimts L.), тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), мятлик луговой (Poapratensis L.).

В Инсарском районе отмечено большое количество продуваемых 3 - 5-рядных березовых и сосновых лесомелиоративных полос, возраст которых составляет 10-15 лет. Внутри изучаемых молодых лесопосадок было встречалось от 25 до 29 видов травянистых растений. Доминантами ценоза

были многолетние злаковые виды: кострец безостый, вейник наземный, пырей ползучий, мятлик луговой. В качестве содоминантов выступали: полынь горькая и полынь австрийская (Artemisia austriaca Jacq.), живокость полевая (iConsalida regalis S. F. Gray.), цикорий обыкновенный.

Экотон теневой стороны молодых лесополос составляли от 50 до 73 травянистых видов. Здесь в растительной флоре преобладали многолетние мят-ликовые виды: вейник наземный, кострец безостый, ежа сборная мятлик луговой и обыкновенный, щучка дернистая (Deschampsia cespitosa L.). Многолетние двудольные виды большей частью относились к сопутствующим видам.

Сопоставление состава травянистых растений лесополос показало достоверное различие в зависимости от возраста, конструкции и породного состава деревьев. Минимальное сходство отмечено между молодыми (сосновыми и березовыми) и старовозрастными сосновыми лесополосами (18 - 24%). Сходство между молодыми лесополосами и старовозрастными лиственными посадками было несколько выше и доходило до 41 %. Максимальное количество сходных видов наблюдалось в лесополосах одинаковой конструкции и одного возраста.

Теневые и освещенные экотоны лесных полос различались по составу травянистой флоры. Особенно ярко это проявлялось у старовозрастных посадок, где доля сходных видов составляла от 24 до 36 %. В освещенном и теневом экотоне молодых лесополос доля сходных видов достигала 50 %. Согласно сравнительному анализу экотонов теневой стороны лесополос, различных по конструкции и возрасту коэффициент сходства видов доходил до 48 %. В экотонах с освещенной стороны лесополос он увеличился до 60-70 %.

Проведенное исследование обнаружило, что в фитоценозах травянистые растения представлены 3 группами жизненных форм (по Раункиеру). Во всех изучаемых объектах основу фитоценоза составляли гемикриптофиты.

Доля терофитов существенно изменялась в зависимости от типа изучаемого объекта. Минимальное их количество было в лесополосах и экотонах с теневой стороны лесополос. Виды, относящиеся к геофитам, большее распространение имели в экотонах с освещенной стороны лесополос. При изучении влияния конструкции и возраста лесополос на распределение растений различных жизненных форм были выявлены следующие закономерности.

В старовозрастных лесных полосах существенно сокращается количество видов терофитов, в непродуваемой тополевой и дубовой они вообще не обнаруживались. Значительно выше была численность данной группы растений в лесополосах молодого возраста, где отмечались: живокость полевая, мелколепестник канадский и др. Большое количество терофитов отмечено в освещенных экотонах лесополос. Это связано с засухой 2010 г. и снижением конкуренции геофитов. По числу видов геофитов освещенные и теневые экотоны лесных полос существенных различий не имели. Эта группа была представлена самыми распространенными видами: вейником наземным, мятликом луговым, пыреем ползучим и др. В отношении гемикриптофитов прослеживалась следующая за-

кономерность: большее число видов данной группы произрастало на освещенных экотонах всех изучаемых лесных полос.

Анализ флоры по отношению к условиям увлажнения показал, что в изучаемых фитоценозах основную группу составляли виды, входящие в группу мезофитов. Однако при распределении ксерофитов и гигромезофитов действовала четкая закономерность: максимальное число ксерофитных, ксеромезофитных и мезоксерофитных видов присутствовало в экотонах с освещенной стороны, а гигромезофитов и мезогигрофнтов - в экотонах с теневой стороны лесополос, для которых характерны лучшие условия увлажнения за счет медленного схода снега и меньшей испаряемости в период вегетации, а также благодаря затенению.

Группировка травянистых растений в экотонах и лесополосах свидетельствует, что конструкция лесополосы и породный состав оказывали меньшее влияние на распределение видов по трофности. Основная масса травянистых растений была отнесена к мезотрофам. Их доля в изучаемых фитоценозах составляла от 55 до 81 %. Самыми распространенными видам этой группы были: мятлик однолетний, аистник цикутный, живокость полевая, резуха гладкая (Arabis glabra (L.)Bernh), ежа сборная.

Виды-олиготрофы встречались единично и только в экотонах. Среди них следует выделить метлицу полевую, клевер пашенный (Trifolium силе use L.), вейник наземный, грушанку круглолистную (Pyrola rotundifolia L.), иван-чай узколистный (Chamaenerion angustifolium (L.)Scop.).

Распределение видов-мегатрофов обнаруживает закономерное увеличение их количества в экотонах с освещенной стороны у старовозрастных лесополос (на 5-12 %) по сравнению с теневыми экотонами этих же лесополос. В распределении мегатрофов в экотонах молодых лесополос подобной закономерности не отмечено.

Основную долю в структуре растительных сообществ по отношению к условиям освещения занимали виды гелиофиты (от 63 до 88 %). Количество гелиофитов заметно отличалось в зависимости от положения экотона относительно лесной полосы. Практически во всех теневых экотонах количество видов данной группы было значительно меньше, чем в освещенных экотонах.

Второй по численности группой растений были сциогелиофиты. Их доля составляла от 3 до 18 %. Нами были зафиксированы следующие представители этой группы: живокость полевая, гравилат городской (Geum игЪапит L.), земляника зеленая (Fragaria viridis Duch.), земляника лесная (Fragaria vcsca L.).

Группы сциофитов и гелиосциофитов были представлены единичными видами. В распределении видов сциофитов просматривается некоторая тенденция к увеличению их доли в теневых экотонах, что связано с худшими условиями освещения.

По отношению к тепловому режиму во всех изучаемых объектах доминировали мезотермы - от 60 до 82 %. Количество видов этой группы в экотонах с освещенной стороны было значительно больше, чем в теневых экотонах этих же лесополос.

Олиготермы обнаруживали тенденцию к увеличению доли в структуре фитоценоза в экотонах с теневых сторон лесополос. Среди обнаруженных видов этой группы следует выделить аистник цикутный, болиголов пятнистый (Conium maculatum L.), коровяк обыкновенный (Verbascum thapsus L.), незабудку полевую (Myosotis arvensis L.), овсяницу красную (Festuca rubra L.), щучку дернистую, герань полевую (Geranium pratense L.), лютик едкий, подмаренник настоящий.

Группа растений мегатермов в большей степени была приурочена к экотонам с освещенной стороны от лесополос. В этой группе следует отметить такие виды как ежовник обыкновенный, мятлик обыкновенный, горец почечуйный (Polygonum persicaria L.), щирица запрокинутая, ветреница лютиковая, лапчатка серебристая (Potentilla argentea L.), чистотел большой (Chelidonium majtts L.), щавель курчавый (Rumex crispus L.).

Эколого-фитоценотический состав травянистой растительности зависел от возраста лесополос и их конструкции. Внутри старовозрастной дубовой лесополосы обнаружено 9 представителей группы лесных видов (44 % от общего количества), внутри старовозрастной сосновой - 4 вида (25 %), не-продуваемой тополевой - 6 (32 %). Внутри молодых сосновых и березовых лесных полос, отмечено по одному виду, относящемуся к лесной растительности. Основу фитоценоза внутри этих полос составляли сорные и сорно-полевые виды (соответственно 22 и 21), что характерно для сообществ на ранних этапах восстановительной сукцессии.

В связи с лучшими условиями влагообеспеченности теневых экотонов в них произрастало несколько видов, относящихся к болотной группе.

Влияние элементов агроландшафта на численность дикорастущих травянистых видов и продуктивность посевов сельскохозяйственных культур. Проведенные исследования в звене зернотравяного севооборота позволили установить четкую закономерность распределения дикорастущих видов в зависимости от удаленности от лесополосы (табл. 2). В первой зоне (О - 5 м) отмечалось существенное уменьшение численности травянистых видов: у старовозрастной лесополосы - на 42 %, у молодой - на 33 %. Спектр травянистой флоры вблизи лесополос включал типичные для посевов виды (овсюг обыкновенный, ромашка непахучая и др.).

На расстоянии 30—40 м от старовозрастной лесополосы резко увеличивалось количество травянистых видов и снижалось обилие культурных растений на единицу площади. На расстоянии 40-50 м влияние лесополос этого типа ослабевало, и численное обилие дикорастущих видов приближалось к среднему значению по полю. Воздействие молодых лесополос на обилие травянистых растений в посевах было максимальным при удаленности от них 20 - 30 м. На этих участках количество сорных растений была выше на 42 % по сравнению со средним значением.

Таблица 2

Засоренность звена севооборота в зависимости от удаленности от лесной полосы

Агробиологическая группа сорных растении Расстояние от молодой лесополосы, м

5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Сорные вилы 41- 32- 65 39 65 72 64 89 57 74 60 68 59 68 61 67 61 66 65 63 61 64

В т.ч.: малолетние 22 12 35 19 41 42 38 52 36 41 39 40 39 42 41 44 38 41 41 39 39 42

эфемеры 4 2 2 1 2 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1

яровые ранние 7 4 11 7 14 14 13 20 13 16 14 14 14 14 14 18 13 16 15 16 15 18

яровые поздние 2 0 3 3 3 5 5 6 4 5 4 4 4 4 4 4 4 4 3 3 3 3

зимующие 8 6 18 7 21 22 19 23 18 19 20 20 20 22 21 20 19 20 21 19 19 19

двулетники 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1

многолетние 19 20 30 20 24 31 25 37 21 30 21 28 21 26 20 23 23 25 24 24 22 23

корневищные 7 5 И 5 6 13 8 12 7 9 7 9 8 9 8 9 9 8 8 7 8 7

корнеотпрысковые 5 6 8 6 7 7 10 14 8 10 7 9 7 9 6 7 7 8 8 9 6 8

стержнекорневые 5 7 И 8 10 9 6 9 6 10 7 8 6 7 5 7 7 7 7 8 6 6

мочковатокорнсвые 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0

ползучие 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0

Примечание: *Молодая лесополоса,**Старовозраетная лесополоса

Стабилизация численного обилия дикорастущих видов травянистых фиксировалась на удалении 40 м от лесополос.

Проведенные исследования выявили различия численного и видового составу дикорастущей травянистой флоры в зависимости от экспозиции склонов (табл. 3).

Таблица 3

Засоренность звена севооборота в зависимости от мезорельефа

(в среднем за 3 года.), шт./м2

Агробиологическая группа сорных растений Склон северной экспозиции Склон южной экспозиции Плаюэр

верхняя часть склона середина склона нижняя часть ааона верхняя часть склона середина склона нижняя часть склона

Сорные растений 57 66 87 45 54 75 67

в т.ч.: малолетние: 48 53 69 35 41 58 52

эфемеры 1 1 5 0 2 5 2

яровые ранние 24 25 29 16 18 21 18

яровые поздние 4 5 8 7 9 11 5

зимующие 19 22 28 13 13 21 27

многолетние: 9 13 18 9 13 17 15

корневищные 3 5 9 1 4 7 5

корнеотпрысковые 6 8 8 8 9 9 10

стержнекорневые 0 0 0 0 I 1 0

На склонах северной экспозиции численность травянистых растений по всем элементам превосходила южные склоны, отчетливее всего это проявлялось в годы с недостаточным количеством осадков. Так на склоне северной экспозиции в среднем за 3 года в верхней части количество растений было больше на 26 %, в средней - на 22 и в нижней части на 16 % по сравнению со склоном южной экспозиции.

Сопоставление флористического состава показало некоторое видовое различие между склонами южной и северной экспозиции. На южном склоне отмечалось более интенсивное развитие яровых поздних и стержнекорневых видов (щетинник сизый, щирицы запрокинутой, полынь горькая.), тогда как на северном склоне интенсивнее - эфемеров, зимующих, и корневищных видов (ромашка непахучая, подмаренник цепкий, бодяк щетинистый)

Определение продуктивности сельскохозяйственных культур в зависимости от расстояния до лесополос выявило достоверное влияние изучаемых факторов на данный показатель (табл. 4). Минимальная продуктивность изучаемого культурного компонента была на расстоянии 5 м от лесополосы. По сравнению со средними показателями продуктивности по полю у многолетних трав она была меньше на 44 %, озимой пшеницы - на 54, ячменя - на 58 %.

Таблица 4

Продуктивность сельскохозяйственных культур в зависимости

от расстояния посевов до лесополосы, т/га (2010-2012 гг.)_

Расстояние от лесополосы, м Многолетние травы (сено) Озимая пшеница (зерно) Яровой ячмень (зерно)

5 1,30* 1,20 1,23

1,20** 1,00 1,13

10 1,45 1,35 1,46

1,15 1,10 1,00

20 1,80 1,52 1,97

1,75 1,31 1,50

30 2,64 2,57 2,86

2,20 2,70 2,66

40 2,83 3,17 3,13

2,86 3,30 3,79

50 2,70 3,42 3,41

2,95 3,60 3,81

60 2,61 3,31 3,47

2,73 3,34 3,73

70 2,52 3,22 3,61

2,70 2,96 3,51

80 2,50 3,25 3,59

2,67 3,15 3,62

90 2,51 3,12 3,61

2,69 3,10 3,51

100 2,57 3,10 3,60

2,49 3,11 3,7

*Молодая лесополоса **Старовозростная лесополоса

У старовозрастной лесополосы снижение продуктивности происходило и за пределами зоны 0 - 5 м и достигало у многолетних трав до 50 %, озимой пшеницы - до 62, ячменя - до 66 %. Начиная с удаленности 10 - 20 м от лесополосы отмечалось некоторое увеличение продуктивности культур.

У молодой березовой лесополосы максимум продуктивности многолетних трав был отмечен на расстоянии 40 - 50 м, озимой пшеницы и ячменя на расстоянии 50 - 60 м. У старовозрастной лесополосы максимальная продуктивность многолетних трав и ячменя отмечалась на расстоянии 40 - 50 м, у озимой пшеницы - на 50 м. По сравнению со средней по полю она была выше соответственно на 28, 31 и 37 %. Начиная с расстояния 60 - 70 м от молодой и старовозрастной лесных полос происходила стабилизация уровня продуктивности всех изучаемых культур.

выводы

1. В 30-х гг. XX века было выявлено 89 дикорастущих травянистых видов при обилии 44 шт./м2. Из них малолетние виды составляли 65 %, многолетние- 35 %. Наибольшее количество видов отнесено к семействам: астровые - 13 видов; гвоздичные и капустные - 11 видов; бобовые - 10 видов, яс-ноковые - 6 видов. По времени появления на территории республики в полевых сообществах преобладала группа археофитов - 75 видов. Группа неофитов включала 14 видов.

В 80-х гг. в агрофитоценозах было обнаружено 47 видов травянистых растений при среднем обилии 54 шт./м2. Группа малолетних включала 45 видов, многолетних - 27 видов. Количество ботанических семейств снизилось до 20. Наибольшее видовое представительство по-прежнему имело семейство астровые - 11 видов. Семейство мятликовые и бобовые включало по 6 видов. Увеличилась доля неофитных видов в общем составе сорной флоры.

2. В 2010 - 2012 гг. в посевах обнаружено 72 дикорастущих травянистых вида, из которых 66 % малолетние, 44 - многолетние. Максимальное количество видов, как и в предыдущие периоды исследований, принадлежало к семейству астровые - 18. К семейство мятликовые представлено 8 видами, капустные - 6, яснотковые - 5, гречишные - 4. В посевах сельскохозяйственных культур произошло увеличение до 14 видов-неофитов: овсюг обыкновенный, щетинник зеленый, щирица запрокинутая, мелколепестник канадский, борщевик Сосновского. Повышение доли неофитов произошло вследствие более интенсивного обмена между регионами страны семенного материала, с которым были завезены семена сорных видов трав.

Сопоставление состава травянистой флоры агрофитоценозов за 75-летний период времени выявило достоверное различие. Максимальным оно было между 30-ми и 80-ми гг. прошлого века (17-29 %). Большим сходством отличались современный период и 30-е гг. XX в. (35-51 %).

3. Проведенная экологическая оценка дикорастущих видов показала, что по отношению к температурному режиму в агрофитоценозах во все периоды исследования преобладали виды-мезотермы (от 32 до 69). Группа олиготермов включала от 8 до 13 видов. Группа мегатермов была представлена наименьшим числом видов (от 7 до 9 видов). По количеству растений на единицу площади ведущие место занимали мезотермы, но наблюдалась устойчивая закономерность увеличения доли мегатермов.

По отношению к условиям увлажнения в агрофитоценозах как по количеству видов, так и по численности растений на единицу площади лидировали растения-мезофиты и ксеромезофиты. В последний период исследований наметилась тенденция увеличения в посевах популяций ксеромезофитов. Мезогиг-рофиты, мезоксерофиты и ксерофиты имели незначительное распространение, как по видовому, так и по количественному представительству.

По отношению к богатству и засоленности почвы во все периоды наблюдений преобладали мезотрофы (от 32 до 72). Также значительной была группа мегатрофов (от 14 до 18). Отмечена закономерность возрастания количества растений из этих групп на единицу площади. Олиготрофы были представлены единичными особями.

По отношению к условиям освещенности в агрофитоценозах во все периоды преобладали виды гелиофитов (от 46 до 85 видов).

4. Видовой состав лесополос и экотонов включал в себя 161 вид травянистых растений, относящихся к 24 семействам. Анализ фитоценозов по жизненным формам показал, что во всех изучаемых объектах преобладали виды из групп геофитов и гемикрнптофитов.

Во всех изучаемых фитоценозах основную долю занимали виды, относящиеся к группе мезофитов. Больше ксерофитных, ксеромезофитных и ме-зоксерофитных видов присутствовало в экотонах с освещенной стороны, а гигромезофитов и мезогигрофитов - в экотонах с теневой стороны лесополос.

Основная масса травянистых растений была отнесена к мезотрофам. Их доля в изучаемых фитоценозах составляла от 55 до 81 %. Виды-олиготрофы встречались единично и только в экотонах. Распределение видов-мегатрофов обнаруживает закономерное увеличение их количества в экотонах с освещенной стороны у старовозрастных лесополос (на 5-12 %) по сравнению с теневыми экотонами этих же лесополос. В распределении мегатрофов в экотонах молодых лесополос подобной закономерности не отмечено.

Основную долю в структуре растительных сообществ по отношению к условиям освещения занимали виды гелиофиты (от 63 до 88 %). Количество гелиофитов заметно отличалось в зависимости от положения экотона относительно лесной полосы. Практически во всех теневых экотонах количество видов данной группы было значительно меньше, чем в освещенных экотонах. Второй по численности группой растений были сциогелиофиты. Их доля составляла от 3 до 18 %.Группы сциофитов и гелиосциофитов были представлены единичными видами. В распределении видов сциофитов просматривается некоторая тенденция к увеличению их доли в теневых экотонах, что связано с худшими условиями освещения.

По отношению к тепловому режиму во всех изучаемых объектах доминировали мезотермы - от 60 до 82 %. Количество видов этой группы в экотонах с освещенной стороны было значительно больше, чем в теневых экотонах этих же лесополос. Олиготермы обнаруживали тенденцию к увеличению доли в структуре фитоценоза в экотонах с теневых сторон лесополос. Группа растений мегатермов в большей степени была приурочена к экотонам с освещенной стороны от лесополос.

Анализ травянистой растительности лесополос и сопредельных экотонов по эколого-фитоценотическим группам показал, что основная часть видов относилась к категориям сорной, сорно-луговой и луговой растительности.

Встречались отдельные представители лесной и лесостепной фитоценотиче-ских групп.

5. Исследования в звене зернотравяного севооборота позволили установить четкую закономерность распределения дикорастущих видов в зависимости от удаленности от лесополосы. В первой зоне (0 - 5 м) происходило существенное уменьшение численности травянистых видов у старовозрастной лесополосы на 42 %, у молодой посадки - на 33 %.

На расстоянии 20 - 30 м от молодой лесополосы резко увеличивалось количество травянистых видов и снижалось обилие культурных растении на единицу площади. Подобное явление у старовозрастных лесополос отмечено при удалении на 30 - 40 м. Стабилизация численного обилия дикорастущих видов зафиксирована на расстоянии 30 - 40 м от молодых и 40 - 50 м от старовозрастных лесополос.

6. Сравнение количества травянистых видов растений показало некоторое различие между склонами южной и северной экспозиции. На склоне северной экспозиции в среднем за 3 года в его верхней части количество растений было больше на 26 %, в средней - на 22 и в нижней части - на 16 % по сравнению со склоном южной экспозиции. На южном склоне отмечалось более интенсивное развитие яровых поздних и стержнекорневых видов, тогда как на северном склоне - эфемеров, зимующих, и корневищных видов.

7. Минимальная продуктивность изучаемых культурных растений в агрофи-тоценозе была на расстоянии 5 м от лесополосы. При сравнении со средними показателями продуктивность многолетних трав она была шоке на 44 %, озимой пшеницы - на 54, ячменя - на 58 %. У старовозрастной лесополосы снижение продуктивности отмечалось и за пределами зоны 0-5 м и доходило у многолетних трав до 50 %, озимой пшеницы - до 62 %, ячменя - до 66 %. При удаленности 10 -20 м от лесополос, наблюдалось некоторое увеличение продуктивности культур. Вблизи молодых лесополос максимальной продуктивность многолетних трав был отмечен на расстоянии 40-50 м, озимой пшеницы и ячменя на расстоянии 5060 м. У старовозрастной лесополосы наибольшая продуктивность многолетних трав и ячменя отмечалась на расстояшш 40 - 50 м, озимой пшеницы - на 50 м.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

Публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Никольский, А.Н. Состав сорной флоры элементов агроландшафта / А.Н. Никольский, Д.В. Бочкарев, Р.Ф. Баторшин // Вестник Саратовского госагроуниверситета имени Н. И. Вавилова. - 2013. - № 9. - С. 25-30. (0,30 п.л., авт. -0,15).

2. Баторшин, Р.Ф. Эколого-ботаническая характеристика видового состава дикорастущей флоры агрофитоценозов Средней Волги и ее динамика в

XX столетии / Р.Ф. Баторшин, Н.В. Смолин, Д.В. Бочкарев, А.Н. Никольский, М.О. Наумов // Вестник Саратовского госагроуниверситета имени Н. И. Вавилова. - 2013. - № 11. - С. 10-15 (0,25 пл., авт. - 0,15).

3. Смолин, Н.В. Эволюция сорной флоры агрофитоценозов в Республике Мордовия / Н.В. Смолин, А.Н. Никольский, Д.В. Бочкарев, Р.Ф. Баторшнн // Земледелие. - 2013. - № 8. - С. 38^0. (0,25 пл., авт. - 0,10).

4. Смолин, Н.В. Влияние антропогенной деятельности на изменение состава сорного компонента агрофитоценозов / Н.В. Смолин, Д.В. Бочкарев, Т.Ф. Зайчикова, Р.Ф. Баторшин // XXXVIII Огаревские чтения: материалы науч. конф.: в 3 ч. Ч. 2: Естественные науки. - Саранск : Изд-во Мордов. унта, 2010. - С. 170-174. (0,15 пл., авт. -0,10).

5. Бочкарев, Д.В. Закономерности изменения видового разнообразия сорной флоры Мордовии / Д.В. Бочкарев, Н.В. Смолин, Т.Ф. Зайчикова А.Н. Никольский, Р.Ф. Баторшин // Защита растений в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур : материалы межд. науч.-практ. конф. - Новосибирск, СибНИИЗХиМ, 2013. - С. 58-60. (0,15 пл., авт. - 0,05).

6. Смолин, Н.В. Изменение засоренности хозяйств Торбеевского района РМ за длительный период времени / Н.В. Смолин, Д.В. Бочкарев, Т.Ф. Зайчикова, Р.Ф. Баторшин // Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии получения сельскохозяйственной продукции: материалы V Междунар. науч. практ. конф. (Лапшинские чтения). - Саранск, Изд-во Мордов. ун-та. -2010.-С. 212-217. (0,20 пл., авт.-0,10).

Публикации в других изданиях:

Подписано в печать 04.03.14. Объем 1,25 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 250. Типография Издательства Мордовского университета 430005. Саранск, ул. Советская, 24

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Баторшин, Ринат Фяритович, Саранск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н. П. ОГАРЁВА»

ДИНАМИКА ТРАВЯНИСТОЙ ФЛОРЫ ЭЛЕМЕНТОВ АГРОЛАНДШАФТА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ В XX - НАЧАЛЕ XXI СТОЛЕТИЯ

03.00.16 - Экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических паук

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных паук-профессор Н. В. Смолин

Саранск 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8

1. 1 Дикорастущая травянистая флора как неотъемлемая часть агрофитоценозов 8

1.2 Изменение экологических условий развития агрофитоцено-! зов как фактор эволюции сорной флоры 16

1.3 Влияние элементов агроландшафта на состав дикорастущей флоры 23

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 30

2.1. Схема опытов и методика проведения исследований 30

2.2. Характеристика почвы исследуемого участка 32

2.3. Метеорологические условия 36

3 СОСТАВ ДИКОРАСТУЩЕЙ ТРАВЯНИСТОЙ ФЛОРЫ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ В XX - НАЧАЛЕ XXI ВЕКА И ЕЕ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 38

3.1. Динамика дикорастущей травянистой флоры агрофитоценозов при различной степени антропогенного воздействия в XX - начале XXI века. 38

3.2. Экологические особенности дикорастущих травянистых видов агрофитоценозов в XX - начале XXI века. 73

4 СОСТАВ ДИКОРАСТУЩЕЙ ТРАВЯНИСТОЙ ФЛОРЫ ЭЛЕМЕНТОВ АГРОЛАНДШАФТА И ЕЕ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 81

4.1 Ботаническая характеристика травянистой флоры лесных полос различной конструкции, возраста и сопредельных экотонов 82

4.2 Экологическая характеристика травянистой флоры лесных полос различной конструкции, возраста и сопредельных экотонов 92

5 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ АГРОЛАНДШАФТА НА ЧИСЛЕННОСТЬ ДИКОРАСТУЩИХ ТРАВЯНИСТЫХ ВИДОВ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ПОСЕВОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР 105

5.1 Влияние лесных полос различной конструкции и возраста на численность дикорастущих травянистых видов в посевах сельскохозяйственных культур 106

5.2 Продуктивность сельскохозяйственных культур в зависимости от удаленности от лесных полос 1 15

5.3 Влияние мезоформ рельефа на количество дикорастущих травянистых видов и продуктивность посевов сельскохозяйственных культур 1 18

ВЫВОДЫ 126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 130

ПРИЛОЖЕНИЯ 146

ВВЕДЕНИЕ

Лгроландшафты занимают до 35 % территории Российской Федерации. Неотъемлемым компонентом современных агроландшафтов являются агро-фитоценозы, лесные полосы, экотоны, склоны различных экспозиций. Следует отметить, что, как и в естественных фитоценозах, динамика является неотъемлемым признаком агрофитоценозов (Воробьев Н. В., 1990). При этом на интенсивность процессов изменения видовой структуры агрофитоценозов наряду с почвенно-климатическими условиями значительное влияние оказывает интенсивность антропогенной нагрузки и характерные особенности ее трансформации.

До начала 30-х гг. XX века антропогенное влияние на агрофитоцепозы было минимальным и сводилось к примитивной обработке почвы и посеву или посадке сельскохозяйственных культур. В последующем хозяйственная деятельность человека привела к значительным изменениям экологических условий роста и развития растений в полевых сообществах, что также отразилось на формировании состава дикорастущей флоры агрофитоценозов (Ту-ганаев В.В., 1984; Бочкарев Д.В. и соавт., 2013).

Как правило, исследователи пристальное внимание уделяют изучению флоры естественных фитоценозов и происходящей в них динамики (Благовещенский И.В., 2001; Саксонов C.B. и соавг., 2007; Силаева Т.Б. Бармин H.A., 1998,). Однако до настоящего времени не существует четкого представления о влиянии изменения уровня антропогенной нагрузки на структуру популяции дикорастущих травянистых видов в агрофитоценозах. Не до конца исследовано влияние элементов агроландшафта: лесных полос, мезорельефа на видовой состав дикорастущей травянистой флоры полевых сообществ. Тогда как эти экологические системы, находясь в пространственно-временных взаимоотношениях, оказывают существенное взаимовлияние. Подобные исследования характеризуют видовое разнообразие травянистых растений зна-

чительных территорий и являются практической основой для разработки экологически безопасных мероприятий по снижению их численности в агро-фитоценозах. Кроме того, по мнению H.H. Луневой и соавт. (2007), полученные данные о видовом разнообразии травянистых растений и их количественном обилии на конкретном поле позволят дифференцировать подход к выбору мероприятий по борьбе с нежелательной растительностью и значительно увеличить их биологическую эффективность и экологическую безопасность.

Особый интерес представляют исследования динамики видовой структуры полевых растительных сообществ в хронологической последовательности за отрезок времени, в течение которого произошли колоссальные преобразования в сельскохозяйственном производстве.

Цель исследований. Основной целью исследований являлось изучение видового состава и динамики дикорастущей флоры агроландшафтов, ее эколо-го-ботаническая характеристика в условиях Средней Волги в XX - начале XXI столетий.

Для решения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) проанализировать видовой состав дикорастущей травянистой флоры агрофитоценозов 30-х и 80-х годов прошлого века по данным геоботанических отчетов;

2) изучить состав дикорастущей травянистой флоры современных агрофитоценозов, выделить доминирующие виды, установить сходство дикорастущих флор полевых сообществ в различные периоды исследований при разном уровне антропогенного влияния и дать их эколого-ботаническую характеристику;

3) провести экологическую оценку дикорастущей травянистой флоры агрофитоценозов в XX - начале XXI вв. при разном уровне антропогенного воздействия;

4) изучить состав травянистой флоры лесополос и экотонов, провести их эколого-ботаническую характеристику;

5) определить закономерности влияния лесополос на численность и видовое обилие дикорастущих травянистых видов в агрофитоценозах;

6) установить закономерности влияния мезорельефа на характер распределения дикорастущих травянистых видов в агрофитоценозах;

7) выявить степень влияния лесополос и элементов мезорельефа агро-ландшафта на продуктивность популяций культурных растений;

Научная новизна. На территории Республики Мордовия, географически расположенной в Среднем Поволжье, определены закономерности поэтапного изменения дикорастущей флоры агроландшафтов при разном уровне антропогенной нагрузки в XX - начале XXI столетий. Определен состав травянистой флоры лесозащитных насаждений разных возрастов, экотонов и склонов различной экспозиции. Установлено влияние элементов агроланд-шафта на продуктивность культурного компонента агрофитоценозов.

На защиту выносятся следующие положения:

1) дикорастущая флора агрофитоценозов за 75-летний период времени претерпела значительную трансформацию, что объясняется сменой экологических условий, вызванных изменением уровня антропогенной нагрузки;

2) породный состав, возраст и конструкция лесных полос оказывают существенное влияние на видовую структуру травянистой флоры, как в самих посадках, так и сопредельных экотонах;

3) экспозиции склонов в значительной степени воздействуют на формирование видового состава дикорастущей флоры агрофитоценозов;

4) элементы агроландшафта влияют на продуктивность полевых культур.

Теоретическая и практическая значимость. Установлен флористический состав дикорастущих видов и характер его динамики при различных экологических условиях формирования агрофитоценозов XX - начала XXI века. Определен состав флоры различных элементов агроландшафта и их влияние

6

на продуктивность сельскохозяйственных культур. Полученные данные являются основой для разработки экологически безопасной системы мероприятий по регулированию численности сорного компонента.

Личный вклад соискателя. Соискателем лично разработана программа исследований, осуществлены маршрутные обследования агро-ландшафтов, в том числе заложено и обследовано 180 стационарных площадок в лесополосах различной конструкции и сопредельных экотоиах и 720 учетных площадок в посевах сельскохозяйственных культур, проведен сбор материала и его анализ, сделаны теоретические обобщения полученных экспериментальных данных.

Апробации работы. Основные положения исследований доложены на; XXXVIII Огаревских чтениях (Саранск, 2010); V Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии получения сельскохозяйственной продукции» (Саранск, 2010); Международной научно-практической конференции «Защита растений в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (Новосибирск, 2013).

По результатам исследований опубликовано 6 научных статей, из них 2 в журналах, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем диссертации. Работа выполнена на 148 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 5 глав и выводов. Содержит 26 таблиц, 32 рисунка, 15 приложений, 175 библиографических источников, в том числе 5 на иностранных языках.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Дикорастущая травянистая флора как неотъемлемая часть аг-рофнтоценозов

С самого начала зарождения земледелия перед человечеством встала проблема произрастания в культурных посевах нежелательной растительности. Активное распространение сорной растительности па полях приводило и приводит к существенным потерям урожая, возрастанию затрат на выращивание растениеводческой продукции.

М и огне исследователи (Rademacher В., 1948; Никитин В. В., 1983) указывают на то, что сорные виды (антропохоры) являются постоянными спутниками культурного земледелия. Хронологическая динамика развития земледелия неизбежно приводит к эволюции сорного компонента растительного сообщества (Котт С. А., 1961; Марков М. В., 1972). Оказывая на культурные растения разностороннее негативное влияние, сорняки и по сей день являются одним из факторов существенного снижения урожайности посевов (Фи-еюнов А. В., 1976; Никитин В. В., 1983; Каралюс Б., 1995; Захаренко В. А., 2004, 2005; Кирюшин, В.И, 2006). Поэтому с момента зарождения земледелия человек всегда стремился избавиться от сорняков.

Наличие сорного компонента в агрофитоценозе по своему значению и содержанию весьма многогранно и противоречиво. Отдельные сорные виды могут быть использованы в хозяйственных целях (пырей ползучий (EJytrigia repens L.) - на сено, донники - в качестве сидеральных культур, куколь обыкновенный (.Agrostemma githago L.) - как сырье для винокурения и т.д.), а также в ветеринарии и медицине (одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale F.H. Wigg.), подорожник большой (.Planlago major L.), мать-и-мачеха (Tussilago farfara L.) и др.) (Мальцев А. И., 1933, 1962; Шевелев И. И., 1932). Существует множество характеристик сорной растительности, основой для большинства которых, служит эколого-хозяйственная оценка. По

8

мнению В. Р. Вильямса (1949) сорными следует считать нее виды, не соответствующие нелям возделывания конкретной культуры. Дж. Альгрен с со-авт. (1953) считал сорняки растениями, негативные свойства которых, превышают полезные и, следовательно, их присутствие не представляет экономической значимости. С. А. Korr (1961) сорняками называл растения, не культивируемые человеком для своих целей, но исторически приспособившиеся произрастать в условиях обрабатываемых почв и посевов культурных растений и наносящие им вред. А. И. Мальцев (1933) писал, что сорно-полевыми растениями являются дикорастущие или полукультурные растения, которые приспособились к произрастанию совместно с культурными растениями в полевых условиях. В. В. Туганаев (1984) считает сорные растения закономерными и полноправными компонентами агрофитоценозов, от которых невозможно избавиться навсегда и численность которых регулируется степенью антропогенного воздействия.

А. А. Гроссгейм (1948) под сорняками подразумевал растительность, свойственную вторичным местообитаниям. По его мнению, группировки сорной растительности могут возникать в природе при определенном нарушении условий местообитания, вследствие действия естественных факторов, независящих от характера антропогенной деятельности. Основными экологическими признаками, свойственными появлению данных видов, являются: встречаемость в нарушенных, лишенных сомкнутого травостоя, местообитаниях и способность развиваться только в этих освободившихся экологических нишах. Эти постулаты утверждают о том, что из-за возникновения природных катаклизмов (пожаров, засух, потопов) сорный компонент сформировался раньше, чем возникло земледелие, а не вследствие культивирования культурных растений, как принято считать.

Вместе с тем эта же особенность объединяет сорняки с культурными видами, для которых человек не сознательно, но постоянно создает благоприятные для их роста и развития условия (вторичные в сравнении с окру-

9

жающей средой), и без которых они развиваться не могут. Совпадение сеге-тального сорного вида и засоряемой им культуры по основным экологическим факторам (отношение к субстрату, влажности почвы и т.д.) является главным условием их совместного произрастания в фитоценозе. Без этого условия невозможно их нахождение на одном поле (Минибаев Р. Г., 1961; Тишлер В.. 1971). ГОСТ 16265-89 определяет сорные растения (сорняки) как «дикорастущие растения, обитающие на сельскохозяйственных угодьях и снижающие урожай и качество продукции» (Государственный..., 1980).

Каким же образом и когда оказались сорные растения «на одном поле» с культурными? В нижнем палеолите в период «собирательства пищи» и охоты земледелия еще не было. Но уже в этот период собирательства плодов и семян в природе человек сосредотачивал их вокруг своих стоянок на богатой и лишенной растительности почве. В подобных условиях, некоторые виды. вероятно, положительно реагировали на создававшиеся условия укрупнением размера плодов, увеличением вегетативной массы, чего не мог не заметить разумный человек (Каргин И. Ф., Немцев С. Н., 2004).

Проявления полезной изменчивости дикорастущих видов и последующий затем искусственный отбор, стали основными факторами, способствующими превращению дикорастущих видов в культурные (Вавилов Н. И., 1965, Синская Е. Н., 1969). Более легкими объектами для подобного превращения можно считать растения антропохорного типа. Приуроченные к руде-ральпым местообитаниям, данные виды приобретали генетико-экологические особенности приспособления к сильной инсоляции, быстрой регенерации при повреждениях, биологически активным почвам - местам наиболее благоприятного местообитания.

Расселение видов, принятых сейчас называть растениями вторичных местообитаний, связано с тем, что в эпоху собирательства человек находил плоды и семена, а затем также сосредотачивал их на местообитаниях у своих жилищ. Доказательством этого факта служат обнаруженные в желудках че-

10

ловеческих тел, хорошо сохранившихся со времен железного века, семена 60 видов растений. В их числе тысячи нетронутых помолом плодов горца шероховатого (Polygonum scabrum Moench), а в качестве включений - щавеля малого (Rumex acetosella L.), мари белой (Chenopodium album L.) звездчатки средней (Stellaria media L.), торицы полевой (Spergula arvensis L.) костра мягкого (Bromiuv mollis L.), подорожника большого. (King Lawreence .!., 1 966). В этой связи можно сделать вывод, что все перечисленные виды, в основном являются сорняками сегодняшнего дня, в отдаленном прошлом служили человеку пищей. Таким образом, виды, входящие в первоначальные группировки растительности нарушенных местообитаний, выступали в дальнейшем в жизни человека и как культурные, и как сорные растения. Данный процесс занимал многие тысячелетия, чтобы из тяготевших к нарушенным местообитаниям растений, которые человек использовал в пищу, он оценил среди всех одни виды и предпочел их другим.

Начало возделывания растений относится к неолиту, когда возникло мотыжное земледелие. Через руки Homo sapiens прошло огромное количество различных видов растений, пока он не отобрал современный состав культурной флоры. В некоторых случаях человек сначала выращивал растения для ритуальных целей, а также как лекарственные и технические, для плетения рыболовных сетей и ловчих силков и только потом стал разводить их для использования в пищу (Синская Е. Н., 1969; Семенов С. А., 1974). Очень многие виды современных сорных растений в древности были культурными, но человек на определенном отрезке времени отказался от них, вследствие их экономической и технологической невыгодности. Вместе с тем бывшие культурные виды, обладая определенным набором экологических характеристик, стали засорителями.

Общность экологии позволяет сегетальным сорным видам выступать в зависимости от естественно-исторических условий в качестве и сорных, и культурных расте�