Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка чернозема обыкновенного различных фаций при агроландшафтном земледелии Ставропольской возвышенности

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата сельскохозяйственных наук, Чебаненко, Сергей Владимирович, Ставрополь

^ «ж», /

Ставропольска5|/государственная сельскохозяйственная

академия

На правах рукописи

ЧЕБАНЕНКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО РАЗЛИЧНЫХ ФАЦИЙ ПРИ АГРОЛАНДШАФТНОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ СТАВРОПОЛЬСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ

Специальность 03.00.16 - экология

06.01.01 - общее земледелие

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата

сельскохозяйственных наук

Научные руководители: доктор биологических наук профессор Тюльпанов В.И. кандидат сельскохозяйственных наук Орлов В.В.

Ставрополь - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение. 3

1. Агроэкологические аспекты современного земледелия

(обзор литературы) ........ 6

2. Цель, задачи, место и методы исследований .... 23

2.1. Цель и задачи исследований ...... 23

2.2. Место и методы исследований ...... 23

3. Геоморфологическая и агроклиматическая

характеристика объекта исследований ..... 30

3.1. Геоморфология и литология . . . . 30

3.2. Агроклиматические условия ...... 32

4. Генетические особенности черноземов различных фаций 36

4.1. Строение и морфология почвенного профиля .... 36

4.2. Гранулометрический состав ....... 48

4.3. Физические свойства . ....... 53

4.4. Физико-химические и агрохимические свойства ... 62

5. Биоценотические особенности ...... 70

5.1. Микробиологические особенности ..... 70

5.2. Урожайность и качество зерна озимой пшеницы ... 76

6. Биоэнергетическая оценка ....... 80

Выводы .......... 85

Литература . 91

Приложения . 107

Введение

Современное состояние земледелия в России во многом обусловлено длительным игнорированием законов развития природы. Подчинение сельского хозяйства целям индустриализации и урбанизации страны привело к одностороннему использованию природных ресурсов, и в первую очередь земли. Непрерывное расширение посевных площадей, массовая распашка без каких-либо мелиоративных мероприятий, стихийная интенсификация, химизация и мелиорация земледелия без учета конкретных природных условий, регулярное нарушение севооборотов вело к быстрой антропогенной деградации земель. Значительно усилились в последнее время негативные процессы деградации почвенного покрова: его переуплотнение, разрушение под действием водной и ветровой эрозии, заболачивание, подкисление и засоление; продукция земледелия и окружающая среда загрязняются тяжелыми металлами. Кроме того, с каждым годом снижается качество сельскохозяйственной продукции.

Все эти негативные процессы являются следствием несоответствия сельскохозяйственной деятельности природно-ресурсным потенциалам конкретных местностей, шаблонной организации территории и севооборотов, размещения полевых культур без учета почвенных условий, то есть практически полным игнорированием принципа адаптации земледелия к местным условиям.

Создание зональных систем земледелия явилось крупным шагом в сторону адаптации земледелия, но при всей своей значимости они имеют ряд существенных недостатков, о чем говорит опыт работы по их освоению. Это привело к нарастанию экологической напряженности. Так, за последнее десятилетие площадь смытых почв увеличилась на 17%, а дефлированних - на 12% с тенденцией к усугублению степени разрушения. Кроме того, выявлено несоответствие систем земледелия ресурсному потенциалу отдельных мик-розон, новым формам собственности и различным размерам предприятий.

Во избежание нарастания экологической напряженности возникла необходимость создания принципиально новых систем земледелия, адаптированных как к конкретным участкам земли и природным условиям, так и к различным уровням интенсификации производства. При этом антропогенная трансформация природных экосистем не должна нарушать сложившиеся природные потоки веществ и энергии сверх экологически допустимого предела и потенциальную способность агроэкосистем к саморегуляции. Такой подход к созданию систем земледелия лучше всего будет реализован в условиях различных категорий агроландшафта, то есть в разработке адаптивно-ландшафтных систем земледелия.

Для того, чтобы осуществить такой переход, необходимо правильно выделить таксономические единицы ландшафта (местность, урочище, поду-рочище, фация), применительно к которым и будут разрабатываться адаптивные системы земледелия. Такое выделение производят по особенностям структуры почвенного покрова, поскольку почва является основным компонентом природного ландшафта. Вот почему определение почвенно-экологических особенностей выделенных таксонов и учет их является основой для создания эрозионного и экологического каркасов агроландшафта, разработки адаптивных севооборотов, систем удобрений и химической защиты растений, определения степени допустимой антропогенной нагрузки на почву и ландшафт в целом.

К сожалению, научных разработок в области перевода земледелия на ландшафтную основу недостаточно, а для Центрального Предкавказья, как уникального по своей сложности и разнообразию природных условий региона, почти нет. Этим и определяется новизна и актуальность настоящей диссертационной работы, посвященной изучению особенностей почвенного покрова ландшафтов Ставропольского плато.

Выполненная работа является частью комплексных исследований по разработке основ перехода к адаптивно-ландшафтному земледелию, проводимых отделом земледелия НПО "Нива Ставрополья" с 1992 года на стацио-

парном опыте - экспериментальном полигоне "Агроландшафг".

Работа была выполнена на кафедре почвоведения Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии под руководством доктора биологических наук, профессора Тюльпанова Вадима Ивановича (СГСХА) и кандидата сельскохозяйственных наук Орлова Валентина Викторовича (НПО "Нива Ставрополья"). Большую практическую помощь в выполнении этой работы оказали сотрудники лаборатории моделирования агроландшафгов, кандидаты сельскохозяйственных наук Желнакова Людмила Ивановна и Мезенцева Наталья Ивановна, а также сотрудники кафедры почвоведения кандидат биологических наук Цховребов Валерий Сергеевич и кандидат сельскохозяйственных наук Лысенко Вера Ярославовна. Всем им автор приносит огромную благодарность за оказанную помощь.

1. Агроэкологические аспекты современного земледелия

В основу разработки существующих зональных систем земледелия и зональных систем ведения сельского хозяйства было положено природно-сельскохозяйственное районирование (ПСХР), которое крайне недостаточно отражает тесные взаимосвязи природных процессов.

Основными таксонометрическими единицами ПСХР (по ранжиру) являются пояс, зона, провинция и округ. Округ может подразделяться на районы и подрайоны. При всей комплексности и дифференцированное™ ПСХР в основном отвечает требованиям землеустройства и потому недостаточно учитывает природные факторы, особенно их внутренние взаимосвязи (A.C. Извеков, 1993).

Наиболее полно взаимосвязи природных и антропогенных факторов проявляются в ландшафте - природно-территориальном комплексе, имеющем один тип рельефа, один геологический фундамент, относительно одинаковый климат.

Природные ландшафты Ставропольского края имеют равнинный рельеф и обладают прекрасными почвенными ресурсами, что предопределило формирование крупного агропромышленного комплекса и, как следствие, преобладание в его пределах агроландшафтов. В некоторых районах края аг-роландшафты занимают до 80-85% площади, что не могло не сказаться на ресурсно- и средовоспроизводящих функциях природных ландшафтов и возникновении экологических проблем.

Агроландшафт представляет собой совокупность экосистем или агро-экосистем на геоморфологической конструкции природного ландшафта (А.П. Щербаков и др., 1994). "Агроландшафт - это территориальная геосистема, состоящая из взаимодействующих природных и антропогенных источников энергии и развивающихся по принципу самоуправления и управляемой деятельности человека "(В.А. Шальнев, Л.И. Желнакова и др., 1995, с. 17).

В сущности, сельскохозяйственные земли - это преобразованный сель-

скохозяйственным производством ландшафт, образованный в результате наложения на природные различия разных типов исходных агроландшафтов технологий, культурных навыков и производственных отношений. Соотношение природного и антропогенно измененного компонентов ландшафта определяет характер и направление его развития, состав и структуру антропогенных управляющих воздействий.

S.A. Levin (1976) указывает три биотических и абиотических фактора, которые определяют существующие ландшафты: местное своеобразие; фазовые различия, обусловленные неравномерными стадиями развития или процессами восстановления после каких-либо нарушений; дифференциальное рассеивание организмов.

В связи с этим особый интерес представляет территориальная дифференциация природных условий и естественных ресурсов, прежде всего земельных.

Природные условия существуют в виде естественных природно-территориальных комплексов (ПТК). ПТК - участки территории, в пределах которых компоненты природы (горные породы, почвы, поверхностные и грунтовые воды, растительный, животный мир, микроорганизмы, приземный слой атмосферы) находится в тесной генетической связи и динамической сопряженности и, благодаря этому, развиваются и реагируют на внешнее воздействие как единое целое (Ландшафтное земледелие.,ч.1., 1993). Природно-территориальные комплексы имеют зональные особенности, различный так-сонометрический ранг, отличаются внутренней структурой и взаимосвязями своих компонентов.

Геосистеме присущ свой биогеохимический круговорот вещества. В процессе функционирования она не только продуцирует живое вещество -биомассу (что является ее важнейшей функцией), но создает и биокосное вещество - почву, а также многие осадочные горные породы и коры выветривания (например, лессы, эоловые пески, накопления солей и т.п.). В ходе эволюции геосистема приобретает определенную морфологическую структуру и

соответствующий ей облик.

По содержанию и занимаемой площади ПТК не одинаковы. Самой высокой единицей природной территориальной дифференциации ПТК является ландшафт. Большинство географов считают его основным природно-территориальным комплексом (А.Г. Исаченко, 1965; В.Б. Сочава, 1974; В.М. Чупахин, 1987; B.C. Преображенский, 1966).

Единицы, из которых построены все природные ландшафты, Б.Б. По-лынов назвал элементарным ландшафтом. Элементарный ландшафт в своем типичном проявлении представлен строго определенными элементами рельефа, породой или наносом и растительным сообществом. В результате единства этих условий создаются определенные почвенные разновидности, что свидетельствует об одинаковом на протяжении элементарного ландшафта взаимодействии между горными породами и организмами (Б.Б. Полынов, 1953). Совокупность элементарных ландшафтов, свойственных определенному геоморфологическому элементу (водоразделу, склону, террасе и т.д.), Б.Б. Полынов предложил назвать местным ландшафтом.

К настоящему времени утвердились следующие основные морфологические единицы природного географического ландшафта: фации, урочища, типы местности. Фация является низшей морфологической единицей ландшафта, соответствующей одному элементу рельефа или его части, с одинаковым генезисом и литологией почвообразующей породы, глубиной залегания, степенью минерализации и типом химизма грунтовых вод, почвенной разновидностью, микроклиматом и растительной ассоциацией (В.И. Кирюшин, 1993). Аналогично определяют фацию и ряд других исследователей (А.Г. Исаченко, 1980; Р.К. Сигнаевский, H.A. Иванов, 1996; В.М. Чупахин, 1987).

Фация неделима в природном отношении, через нее нельзя провести ни одной природной границы (почвенной, геологической, геоботанической и др.). Практически фация занимает часть микроформы рельефа (склон оврага, лишенный растительности; неглубокое понижение в пойме реки; подножье

склона холма и т.д.).

Урочища представляют собой систему взаимосвязанных фаций, формирующихся в пределах одной мезоформы рельефа. К урочищам относятся природно-территориальные комплексы, занимающие речные террасы, поймы, холмы, балки, овраги, плоские водораздельные пространства и т.д. В сельскохозяйственном отношении они, как правило, составляют самостоятельные природные угодья (Л.И. Егоренков, 1986).

Важнейшей органической составной частью ландшафта является тип местности, представляющий собой закономерное сочетание урочищ, развитых на одном геологическом фундаменте и характеризующийся комплексом форм рельефа одного генезиса.

Для организации и ведения земледелия выделяют следующие уровни структурной организации агроландшафта: агроландшафт с одним замыкающим створом и временным водотоком (ложбинный, лощинный водосбор); агроландшафт, состоящий из нескольких ложбинных, лощинных водосборов и балок с одним замыкающим створом (балочный водосбор); агроландшафт, состоящий из нескольких балочных водосборов с наличием постоянного водотока, болот, озер, поймы (речной водосбор). Названные уровни включают все вышеперечисленные морфологические единицы ландшафта (А.П. Щербаков, В.М. Володин, 1995).

Образующие ландшафт компоненты объединяются биогеохимическим круговоротом вещества и энергии. Важнейшим составляющим этого круговорота является фотосинтез и продуцирование живого вещества растительным покровом, отмирание и разложение органики, гумусообразование, миграция влаги, минеральных и органических соединений и тому подобное.

Указанный межкомпонентный кругооборот осложнен в ландшафте многообразными боковыми (латеральными) вещественно-энергетическими потоками, связующими морфологические единицы. Боковое перемещение вещества и энергии происходит с поверхностным и подземным водным стоком, посредством движения минеральных и органических масс под воздейст-

вием гравитационных сил, аэрального переноса тепла и влаги, ныли, аэрозолей, мелких органических частиц (семян, пыльцы, спор, и др.), миграции различных представителей животного мира и т.п.

На основе изучения миграции химических элементов и соединений в результате поверхностного и грунтового стока выделяется геохимический ландшафт. Он не всегда идентичен с физико-географическим ландшафтом, возможны совпадения и расхождения.

Огромный вклад в изучение геохимии ландшафта внесли труды Б.Б. Полынова (1934,1952), А.И. Перельмана (1973,1975,1989), В.А. Ковды (1976,1985), М.А Глазовской (1972,1973,1976,1984).

По условиям миграции химических элементов Б.Б. Полынов различал элювиальные (плоские водораздельные пространства), супераквальные (надводные) и субаквальные (подводные) ландшафты. Кроме того, имеются переходные формы ландшафтов, среди которых М.А. Глазовская выделяет трансэлювиальные (верхние части склонов), элювиально-аккумулятивные (нижние части склонов и сухих ложбин), аккумулятивно-элювиальные (местные замкнутые понижения с глубоким уровнем грунтовых вод), транссупе-раквальные и собственно супераквальные (замкнутые понижения со слабым водообменом), трансаквальнйе (реки, проточные озера) и аквальные (непроточные озера).

Для элювиальных ландшафтов, залегающих на плоских водоразделах с глубоким уровнем грунтовых вод, характерны отсутствие притока материала в результате жидкого или твердого бокового стока, вынос веществ путем гравитационного стока и просачивания, аккумуляция веществ из атмосферы. Геохимия элювиальных (водораздельных) ландшафтов мало зависит от надводных и подводных ландшафтов. Поэтому А.И. Перельман предложил назвать их автономными.

Для субаквальных (подводных) ландшафтов, наоборот, характерен привнос материала с жидким и твердым стоком. В водоемы поступают все химические элементы и соединения с окружающих водораздельных про-

странств и в первую очередь наиболее подвижные, накопление которых типично для этих ландшафтов.

Супераквальные (надводные) ландшафты характеризуются близким залеганием грунтовых вод и связанным с этим восходящим капиллярным накоплением химических элементов, обладающих наибольшей миграционной способностью, поступивших из кор выветривания и почв водоразделов. Поскольку геохимия надводных и подводных ландшафтов в значительной степени зависит от ландшафтов водоразделов, А.И. Перельман предложил называть их подчиненными.

В результате миграции химических элементов элементарный ландшафт приобретает неоднородность и расчленяется по вертикали на ряд тел: надземную часть ландшафта (фитоценоз), почву, кору выветривания и водоносный горизонт. В некоторых элементарных ландшафтах их составные части тесно связаны с миграцией вод (пермацидные ландшафты, по М.А. Глазов-ской, свойственные для зон с достаточным увлажнением). Для многих ландшафтов степей и пустынь характерна слабая зависимость почвенных процессов от грунтовых вод (импермацидные ландшафты, по М.А. Глазовс�