Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Оптимизация экологического состояния и функционирования базовых компонентов черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)
Автореферат диссертации по теме "Оптимизация экологического состояния и функционирования базовых компонентов черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки"
На правах рукописи
Высоцкая Елена Анатольевна
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО состояния и ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ЧЕРНОЗЕМНЫХ АГРОЭКОСИСТЕМ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЦЧР В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ
Специальность: 03.02.08- экология (биология)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
5 ДЕК т
Москва-2013
005542027
005542027
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный педагог ический университет»
Научный консультант: Доктор биологических наук, профессор
Васенев Иван Иванович
Официальные оппоненты: Аканова Наталья Ивановна
доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова»
Гогмачадзе Гулади Джемалович
доктор сельскохозяйственных наук, профессор, генеральный директор ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт Агроэкоинформ»
Добрынин Николай Дмитриевич
доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры ботаники, защиты растений, биохимии и микробиологии ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет им. императора Петра I»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный
университет им. М.В. Ломоносова»
Защита состоится 25 декабря 2013 года в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 15
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ — МСХА имени К.А. Тимирязева.
Отзывы на автореферат направлять по адресу: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49; Ученый совет РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева (тел./факс. (499)976-24-92).
Автореферат разослан «21» ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
О.В. Селицкая
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одной из основных проблем современной экологии является антропогенная деградация базовых компонентов агроэкосистем в условиях повышенной агрогенной и техногенной нагрузки («Агроэкология», 2000; 2004). «Устойчивое развитие России, высокое качество жизни и здоровья населения может быть достигнуто только при условии, если будет обеспечено сохранение надлежащего качества природных систем, несмотря на постоянное антропогенное воздействие» («Экологическая доктрина РФ», 2009).
Локально идущая интенсификация сельскохозяйственного производства обусловливает необходимость уточнения научно обоснованных и экспериментально подтвержденных компромиссов между экономическими интересами сельхозтоваропроизводителей и необходимостью экологически рациональной организации землепользования с минимизацией рисков деградации качества почв и загрязнения получаемой продукции (Каштанов, 1993; Кирюшин, 2000; Козловский, 2003; Васенев и др., 2010; Гогмачадзе, 2010; Добровольский и др. 2010; Черников и др., 2013).
Центрально-Черноземный регион исконно являлся, наравне с южными регионами страны, основной житницей России, и возделывание наиболее прибыльных зерновых и технических культур всегда имело приоритетное направление в его хозяйствах (Щербаков и др., 2000). На современном этапе сельскохозяйственного производства возрастает насыщенность полевых севооборотов сахарной свеклой и подсолнечником - особенной в районах с хорошо развитой инфраструктурой и дорожной сетью (Высоцкая и др., 2012).
В связи с приходом в регион новых инвесторов и постоянно нарастающим производством наиболее рентабельных, но объемных технических культур, возникает необходимость максимального использования наиболее доступных для транспорта и обеспеченных производственной инфраструктурой земельных ресурсов, включая земли придорожных агроландшафтов. Несмотря на их общее повышенное загрязнение, такие земли активно используются в большинстве стран Западной и Центральной Европы, поскольку имеют хорошую транспортную доступность для сельскохозяйственной техники. В России они, как правило, выведены из активного сельскохозяйственного использования в системе основных полевых севооборотов, следствием чего является не вовлечение в хозяйственный оборот тысяч га плодородных и удобно расположенных черноземов (Гогмачадзе, 2010).
Согласно принятым в России нормативам, придорожные полосы устанавливаются с каждой стороны придорожной полосы в зависимости от категории дорог шириной: для автомобильных дорог V категории - 25м, IV и III катего-
рий -50 м., 1-Н категорий - 75 м (ФЗ -№257 от 8.11.2007). По данным Главного управления автомобильных дорог и дорожной деятельности Воронежской области (2012), протяженность дорог общего пользования на ее территории составляет 9403,7 км при площади территории Воронежской области - 52,4 тыс. квадратных километров (табл. 1).
Таблица 1
Сравнительный анализ протяженности автомобильных дорог региона и
района исследований
Территория Протяженность автодорог, км
Центрально-Черноземный регион, всего 46141,7
Воронежская область, всего 9403,7
в т.ч. федеральных 801,8
плотность дорог общего пользования Воронежской области, на тысячу квадратных километров 179,5
Эртильский район Воронежской области, всего 253,4
Современные процессы интенсификации сельскохозяйственного производства предусматривают использование в системе свекловодства большого набора агрохимикатов, содержащих широкий комплекс биофильных ионов тяжелых металлов, активно поглощаемых выращиваемыми техническими культурами и адсорбируемых почвенным поглощающим комплексом (Гуреев, 2004; Минеев, 2007; Черников и др., 2009; Гогмачадзе, 2010; Жуков, Батура, 2010).
Сахарная свекла и подсолнечник могут интенсивно поглощать тяжелые металлы, что актуализирует агроэкологические исследования с экологическим тестированием районированных сортов и гибридов данных культур и оценкой воздействия на них тяжелых металлов, содержащихся в активно применяемых агрохимикатах и верхних горизонтах почв придорожных агроэкосистем (Черников и др., 2001; 2013; Высоцкая и др., 2010).
Тяжелые металлы легко поглощаются свекловичными растениями даже при относительно невысоком содержании их в почве. В то же время, в некоторых случаях грамотная интенсификация технологий растениеводства позволяет сгладить локальное негативное воздействие тяжелых металлов на базовые компоненты придорожных черноземных агроэкосистем. В этом отношении особый интерес представляет изучение возможности использования севооборотов с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы - для повышения общей биологической продуктивности и улучшения экологического равновесия придорожных агроэкосистем.
Цель работы состоит в проведении комплексных агроэкологических исследований базовых компонентов представительных придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России (ЦЧР ) в условиях повышенной антропогенной нагрузки на них от автомобильного транспорта и интенсивных технологий выращивания подсолнечника и сахарной свеклы - с оценкой воздействия на их экологическое состояние повышенной концентрации тяжелых металлов и возможности их использования в интенсивных полевых севооборотах.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Системный анализ основных экологических рисков и регионально-типологических особенностей функционирования базовых компонентов (почвы, растительность) представительных вариантов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы.
2. Исследование сезонной и многолетней динамики содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах черноземов придорожных агроэкосистем с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы в севооборотах с короткой ротацией культур.
3. Оценка воздействия автотранспорта и областной дорожной сети на экологическое состояние черноземов придорожных агроэкосистем восточной части ЦЧР и выращиваемых на них районированных сортов сахарной свеклы и подсолнечника.
4. Биологическая диагностика экологического состояния черноземов с изучением аборигенных видов почвенных беспозвоночных на предмет содержания в них тяжёлых металлов в условиях различного уровня антропогенной нагрузки в условиях исследуемых агроэкосистем.
5. Анализ лимитирующих факторов биологической продуктивности и устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами районированных сортов сахарной свеклы и подсолнечника в условиях придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземья.
6. Уточнение рационального размера придорожной полосы в условиях представительных вариантов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы.
7. Оценка эколого-биологической и экономической эффективности возделывания основных технических культур ЦЧР (подсолнечника и сахарной свеклы) в придорожных черноземных агроэкосистемах с повышенной антропогенной нагрузкой на них от автотранспорта и интенсивных агротехнологий.
Научная новизна работы состоит в проведении системного анализа основных экологических рисков и регионально-типологических особенностей функционирования базовых компонентов придорожных черноземных агроэко-систем с разработкой модели минимизации рисков при использовании интенсивных технологий выращивания подсолнечника и сахарной свеклы. Комплексный анализ ресурсного экологического потенциала и биологической продуктивности базовых компонентов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки позволил выявить основные закономерности разнонаправленной сезонной динамики подвижных форм тяжелых металлов в верхних почвенных горизонтах и их содержания в различных частях выращиваемых растений.
В зоне 0-20 м от автодороги менее интенсивно развивалась листовая поверхность сахарной свеклы. В целом, ее формирование определяется характером увлажнения. В засушливых условиях рост листовой пластинки замедляли удобрения. Более интенсивно происходило нарастание листовой поверхности гибрида Фрейя по сравнению с сортом Рамонская односемянная-47. Степень концентрации токсических элементов в корнеплодах сахарной свеклы в несколько раз меньше, чем в листьях. Повышенные концентрации тяжелых металлов снижают технологические качества корнеплодов сорта Рамонская односемянная-47, увеличивая содержание азота и потери сахара, снижая сахаристость и выход сахара. Гибрид Фрейя обладает повышенной экологической толерантностью к содержанию тяжелых металлов в почве и растении, и соответственно более высокими технологическими качествами.
К концу вегетационного сезона увеличивается содержание подвижной меди, снижается концентрация кадмия, цинка, марганца и никеля. Происходит увеличение содержания железа и цинка в листьях сахарной свеклы. Прослеживается закономерное увеличение концентраций Cd и РЬ, как в листьях, так и в корнеплодах на вариантах с внесением удобрений на расстоянии 0-20 м от автодороги. Там же наблюдаются более высокие концентрации Fe, Мп и Zn. Корнеплоды в более высоком количестве накапливают Cu, Zn, Мп, Со, РЬ и Ni. В листьях преимущественно аккумулируются Cd и Fe. Максимальный уровень накопления ТМ в корнях подсолнечника чаще всего приурочен к середине вегетации, минимальный - к ее концу, особенно на вариантах с двойной дозой удобрений. Поглощение тяжелых металлов надземной массой подсолнечника последовательно возрастает от начала к концу вегетации: в среднем в 2- 3 раза.
В работе установлены аборигенные почвенно-беспозвоночные биоиндикаторы загрязнения исследуемых черноземов тяжелыми металлами: дождевые черви видов Allolobophora г. rosea и Dendrobaena octaedro, с коэффициентом биологического накопления некоторых металлов до 20 и более.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Техногенное загрязнение почв придорожных черноземных агроэкосистем дорог IV категории восточной части ЦЧР в условиях интенсивных технологий выращивания сахарной свеклы и подсолнечника, как правило, не приводит к превышению ПДК содержания тяжелых металлов в выращиваемых культурах и почвах.
2. Основная зона придорожного загрязнения черноземов тяжелыми металлами от дорог IV категории восточной части ЦЧР может быть ограничена придорожной полосой не более 25 м.
3. В качестве эффективных почвенно-беспозвоночных биоиндикаторов загрязнения тяжелыми металлами исследуемых черноземов придорожных агроэкосистем восточной части ЦЧР могут выступать аборигенные виды дождевых червей Allolobophora г. rosea и Dendrobaena octaedra,
4. В придорожных черноземных агроэкосистемах с посевами подсолнечника минеральные удобрения существенно повышают поступление и накопление тяжелых металлов во всех органах растения, способствуя их существенному выносу из почвы.
Существующие придорожные полосы дорог IV категории могут быть существенно сокращены в восточной части ЦЧР — с вовлечением в интенсивные севообороты выращивания сахарной свеклы и подсолнечника значительных дополнительных площадей плодородных и удобно расположенных черноземов.
Практическая значимость результатов исследований.
В результате проведенных исследований изучено агроэкологическое состояние представительных вариантов широко распространенных придорожных черноземных агроландшафтов стандартной придорожной полосы земель дорог IV категории в восточной части ЦЧР. Идентифицированы основные источники техногенного загрязнения, проведена комплексная оценка влияния абиотических и биотических факторов, разработаны и апробированы методические и практические приемы оптимизации экологического состояния черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки.
Обосновано применение четырехпольного севооборота с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы (пар - озимая пшеница - сахарная свекла - подсолнечник) на придорожных территориях восточной части Центрального Черноземья, подверженных повышенному техногенному загрязнению тяжелыми металлами - с вовлечением в оборот плодородных и удобно расположенных черноземов.
Выявлены районированные сорта и гибриды сахарной свеклы и подсол-
нечника, обладающие высокой биологической продуктивностью и повышенной экологической толерантностью к действию неблагоприятной экологической ситуации в придорожных черноземных агроэкосистемах восточной части ЦЧР.
Отработаны технологические приемы уборки с поля нетоварной части урожая подсолнечника (стерни) для усиления деконтаминационного эффекта высокой биологической продуктивности подсолнечника, улучшения экологического состояния базовых компонентов агроэкосистем, повышения биологической продуктивности и качества основной продукции последующих культур.
Степень достоверности полученных результатов и обоснованность полученных положений и выводов. Достоверность полученных результатов и обоснованность основных положений и выводов работы обусловлены применением современных методов почвенно-экологических исследований и агроэкологиче-ской оценки лимитирующих факторов экологического качества базовых компонентов исследуемых представительных придорожных агроландшафтов. Использованием современных методов компьютерной обработки данных полевых и лабораторных исследований, а также сравнения полученных результатов собственных исследований с данными других авторов и результатами региональных обобщений лаборатории агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международных, всероссийских и региональных научных и научно-практических конференциях в ВГПУ, ВГАУ, ВГЛА, ВИСХАГИ, НГТУ, СибГТУ, ПетрГУ, РГАУ-МСХА, включая: «Опыт и проблемы природопользования при реализации президентских программ в Центральном Черноземье России» (Воронеж, 2005), «Инновации в науке» (Новосибирск, 2012), «Современное состояние естественных и технических наук» (Москва, 2012), «Ресурсный потенциал растениеводства - основа обеспечения продовольственной безопасности» (Петрозаводск, 2012 ), «Сельскохозяйственные науки и агропромышленный комплекса на рубеже веков» (Новосибирск, 2013), «Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы» (Ставрополь, 2013), «Глинковские чтения» (Воронеж, 2013), «Анализ экологических функций почв и сервисов экосистем: мониторинг и моделирование» (Москва, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 50 научных работ, включая монографию, 49 статей, в том числе 14 - в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов исследования по теме докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов и рекомендаций производству. Общий объём работы - 329 страниц. Она содержит 46 таблиц, 56 рисунков, 29 приложений. Список использованной литературы включает 363 работы, в т.ч. 34 - на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Теоретические основы оптимизации экологического состояния и функционирования базовых компонентов агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки
Одной из основных проблем современной агроэкологии является рациональное и устойчивое использование сельскохозяйственных земель в условиях постоянного нарастания антропогенного воздействия и необходимости удовлетворения растущего спроса на рентабельное производства качественной и экологически безопасной продукции («Агроэкология», 2004; Васенев и др., 2010; Черников и др., 2013).
Центрально-Черноземный регион России традиционно относится к основным сельскохозяйственным житницам страны, ежегодно производя большие объемы сахарной свеклы, подсолнечника, пивоваренного ячменя и озимой пшеницы (Щербаков и др., 1996; 2000; Васенев, 2003; Черногоров и др., 2012).
Преобладающие в его почвенном покрове черноземы, с одной стороны, отличаются высоким и относительно устойчивым природным плодородием, с другой стороны - повышенной устойчивостью к агрогенной и техногенной нагрузке (Козловский, 1987; 1991; 2003; Добровольский и др., 1992; Васенев и др., 1996; 2000; 2004; Щеглов, 1999; Девятова, 2006).
Проблема техногенного и агрогенного загрязнения почв, растительности и сельскохозяйственной продукции тяжелыми металлами традиционно находится в центре внимания агроэкологов, почвоведов и агрохимиков (Овчаренко, 1997; Жидеева и др., 2000; Черников, Соколов, 2001; 2009).
К перспективным направлениям снижения экологических рисков загрязнения базовых компонентов агроэкосистем с интенсивными полевыми севооборотами относится использование севооборотов с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы (Воронин и др., 2007).
Данная комбинация обладает наилучшими показателями продуктивности и выраженными деконтаминационными свойствами, что способствует улучшению экологического состояния всех компонентов агроэкосистем: почвы, возделываемой культуры, почвенной биоты (рис. 1).
Современные процессы интенсификации сельскохозяйственного производства предусматривают использование в системе свекловодства широкого набора агрохимикатов, содержащих комплекс биофильных ионов тяжелых металлов, активно поглощаемых выращиваемыми техническими культурами и адсорбируемых ППК (Гуреев, 2004; Жуков, Батура, 2010).
Рис. 1. Экологическая модель управления и оптимизации агроэкосистемы в условиях повышенной антропогенной нагрузки
В ряде случаев уровень агрогенной нагрузки поступления в интенсивные полевые агроэкосистемы тяжелых металлов становится сопоставимым с техногенной нагрузкой их поступления от автодорог У-Ш категорий в зоны традиционных придорожных полос (Высоцкая, 2012 ), размер которых в России в 2-2,5 раза превышает их аналоги в большинстве стран Западной и Центральной Европы.
При сопоставимости техногенного и агрогенного потоков тяжелых металлов за пределами узких придорожных зон актуализируются вопросы экологически обоснованной экономической оптимизации придорожных полос. Прежде всего, это актуально для условий черноземных агроландшафтов восточной части ЦЧР. Для них характерно повышенное содержание гумуса, редкая встречаемость кислой реакции среды и выраженный дефицит земельных ресурсов с развитой транспортной инфраструктурой - для расширения сырьевой базы производства сахарной свеклы в рамках выполнения целевой задачи на импор-тозамещение продовольствия.
Глава 2. Объекты и методы исследований
Основная часть исследований проводилась в представительных черноземных агроландшафтах, характерных для восточной части Центрально-Черноземного региона - на территории двух смежных хозяйств: ООО «Агрокультура-Эртиль» и ООО «Исток» Эртильского филиала ГУП «Воронежинвест» (Эр-тильский район Воронежской области - рис. 2).
Восточная часть ЦЧР характеризуется неустойчивым увлажнением со значительными колебаниями по годам и сезонам. Годовая сумма осадков изменяется от 550-575 мм на севере зоны до 480-450 мм на юго-востоке. Максимум осадков почти на всей территории наблюдается в июле. В теплое время года, в среднем, раз в 3-4 года наблюдаются засухи. Гидротермический коэффициент составляет в среднем 0,9-1,3. (Адерихин ,1983).
Климатические показатели благоприятны для выращивания высокорентабельных сельскохозяйственных культур, предъявляющих умеренные требования к тепловым ресурсам, прежде всего - подсолнечника и сахарной свеклы.
Основным лимитирующим фактором формирования агрофитоценозов на данной территории являются характерные для континентального климата значительные колебания количества выпадающих осадков по годам. Этот фактор, несомненно, сказывается и на динамику поведения в почвенных горизонтах тяжелых металлов, попадающих туда как из техногенных (прежде всего - транспорт и транспортная инфраструктура), так и агрогенных источников.
Олипмнг олю^дагисонглгл! - ■ лвтомо&ипь пая д орога
Рис. 2. План-схема размещения основных объектов исследования
При проведении опытной части исследований изучалась продуктивность и декоминационная функция агроэкосистем с посевами сахарной свеклы и подсолнечника в придорожной полосе при загрязнении тяжелыми металлами, а также возможность использования посевов данных сельскохозяйственных культур на придорожных территориях в качестве буферных зон, препятствующих миграции тяжелых металлов вглубь поля.
По территории сельхоз товаропроизводителей, в землепользовании которого закладывались опыты, вне населенных пунктов проходят следующие основные автодороги:
- участок автодороги Архангельское-Семеновский (IV категория) с шириной придорожной полосы в 50 м;
- участок автодороги Эртиль - Терновка - п. Дзержинский (IV категория) с шириной придорожной полосы в 50 м.
- автодорога «Эртиль-Терновка» - п. Введенка (V категория) с шириной придорожной полосы в 25 м;
- автодорога «Эртиль-Терновка» - п. Баженовка (V категория) с шириной придорожной полосы в 25 м;
- автодорога «Эртиль-Терновка» - п. Знаменка (V категория) с шириной придорожной полосы в 25 м;
- автодорога «Эртиль-Терновка» - с. Перво-Эртиль (V категория) с шириной придорожной полосы в 25 м;
Основные исследования проводились в придорожной зоне представительных участков автодороги «Эртиль-Терновка» (рис. 3 и 4, табл. 2 и 3) с выровненным характером мезорельефа, при углах наклона не более 1-2 .
Анализировалась сезонная и ротационная динамика биологической продуктивности, а также роста и развития растений сахарной свеклы и подсолнечника при различных концентрациях тяжелых металлов в почве, с оценкой связанных с этим экологических рисков и доминирующих факторов поступления в растения и продукцию тяжелых металлов.
Оценка качественных характеристик сахарной свеклы и количественных показателей поглощенных ею тяжелых металлов производилась согласно общепринятым «Методическим указаниям...» (1973, 1976, 1985, 1993). Изучали районированный сорт сахарной свеклы Рамонская односемянная-47 и перспективный гибрид Фрейя Н (рис. 5).
Посевы свеклы размещались в четырехпольном севообороте, после озимой пшеницы, идущей по чистому пару. Подсолнечник возделывался в том же четырехпольном севообороте (на техническое масло), по предшественнику сахарной свекле (рис. 6).
Полевые опыты были заложены систематическим методом (Доспехов, 1985). Повторность опытов - 3-кратная, общая площадь делянки - 50 м2 (10x5) учетная площадь 32 м2 (8x4). В опыте сравнивались контроль (без применения удобрений и гербицидов) и варианты с удобрениями и гербицидами (включая отдельное и комбинированное применении ем удобрений и гербицидов).
Отбор проб почвы проводился в соответствии с «Требованиями к отбору проб почв при общих и локальных загрязнениях» (ГОСТ 17.4.3.01- 83, ГОСТ 17.4.4.02- 84, ГОСТ 28168- 89), а также «Методическими указаниями по агрохимическому обследованию почв сельскохозяйственных угодий» (1985).
Рамонская односемянная- 47
Фрейя Р1
Расстояние от автодороги 20-50м 3 6 9
10-20м 2 5 8
5-10 { 1 4 7
0-5м
15 18 21 24
14 17 20 23
13 16 19 22
автотрасса Эртиль- Терновка
Рис. 3. План-схема размещения вариантов модельного опыта с посевами сахарной свеклы
Таблица 2.
Схема опытов по изучению агроэкосистем с посевами сахарной свеклы
№ варианта Сорт/ Гибрид Вносимые элементы
1-3 Рамонская односемянная-47 контроль
4-6 Рамонская односемянная-47 контроль +удобрения
7-9 Рамонская односемянная-47 контроль + гербициды
10-12 1 Рамонская односемянная-47 | Удобрения + гербициды
13-15 Фрейя РІ Удобрения + гербициды
16-18 Фрейя Р1 контроль + гербициды
19-21 Фрейя Р1 контроль +удобрения
22-24 Фрейя Р1 контроль
ПР62А91 ПР63А83
Расстояние от автодороги 20-50м 3 6 9 12 15 18 21 24
10-20м 2 5 8 11 14 17 20 23
5-Ю г 1 4 7 10 13 16 19 22
0-5м І
автотрасса Эртиль- Терновка
Рис. 4. План-схема размещения вариантов модельного опыта с посевами подсолнечника
Таблица 3.
Схема опытов по изучению агроэкосистем с посевами подсолнечника
№ делянки Гибрид Примечания
1-3 ПР62А91 Контроль (К)
4-6 ПР62А91 Контроль + гербициды (Кг)
7-9 ПР62А91 Удобрения одинарная доза + гербициды (ШРК)
10-12 ПР62А91 Двойная доза удобрений + гербициды(2ЫРК)
13-15 ПР63А83 Контроль (К)
16-18 ПР63А83 Контроль + гербициды (Кг)
19-21 ПР63А83 Удобрения одинарная доза + гербициды (ШРК)
22-24 ПР63А83 Двойная доза удобрений + гербициды(2ЫРК)
Ж
Сахарная свекла
Сорт Рамонская односемянная 47 (Р)
Контроль, вариант 1-3
(КР)
Под вспашку (основное); при посеве N РК Вариант 4-6 (РУ)
Гербициды: карибу лонтрел ■ 1 обработка Бета-
нал + фюзилад -2 обработка Вариант 7-9 (РГ)
КРК под вспашку, при посеве + Гербициды: карибу + лонтрел, 1-обработка Бстанал + фюзилад - 2 обработка Вариант 10-12 (РУГ)
На разном удалении от автомагистрали «Эртиль-Терновка»
предшественник - озимая пшеница
Гибрид Фрейя П (Ф)
Рис. 5. Организационные и технические приемы воздействия на агроэко-системы с посевами сахарной свеклы
.дешшшшша
Подсолнечник
На разном удалении от автомагистрали «Эртиль-Терновка»
предшественник -сахарная свекла
ПР63А83 (П83)
Рис. 6. Организационные и технические приемы воздействия на агроэко-системы с посевами подсолнечника
*Прим. (КП91)- условное обозначение варианта
Образцы смешанных проб почв отбирались на глубине пахотного и подпахотного слоев через интервалы 0-30 и 30-60 см соответственно, на расстоянии 0 - 5, 5 - 10, 10 - 20, 20 - 50 м от автодороги Эртиль- Терновка.
Для определения содержания тяжелых металлов образцы почв отбирались: после схода снега; во время ранневесенней культивации; через день после сева с внесением припосевного удобрения; в основные фазы развития свекло-
вичного и подсолнечного агрофитов; после уборки (сентябрь-октябрь). Пробы растений отбирались на тех же участках и в те же периоды, что и пробы почвы.
Наличие почвенной биоты устанавливалось по общепринятым методикам (Гиляров, 1985; 1987) при отборе образцов почв на содержание тяжелых металлов в почвах опытного участка после внесения удобрений. Определение тяжелых металлов в почве и доминирующих видах почвенных беспозвоночных проводилось методом атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной и беспламенной атомизацией в ВГАУ им. Петра I, а также в ФГБУ Государственный центр агрохимической службы «Воронежский»
В растительных пробах тяжелые металлы определялись в их зольных растворах на атомно-абсорбционном спектрофотометре.
Математическую обработку результатов исследований проводили методами корреляционного, дисперсионного анализов (Доспехов, 1985, 2011) на ПВМ с использованием Excel 2000, Statistica 5.5.
Глава 3. Агроэкологическая оценка почв агроэкосистем восточной части Воронежской области
Почвы Эртильского района Воронежской области, на которых проводились опытные изыскания, интенсивно используются в аграрном производстве. Общая площадь сельскохозяйственных угодий в районе по состоянию на январь 2013 г. составляла 116321 га или 82% (рис. 7).
Доля пашни составила 89,2 % от общей площади сельскохозяйственных угодий. Из нее, 58% земель расположены в рабочих участках, непосредственно примыкающих к автомагистралям и автодорогам У-Ш категорий. Это свидетельствует не только о высокой распаханности земель, но и высокой антропогенной нагрузке на них со стороны автотранспорта.
Опашня
■ многолетние насаждения
□ сенокос И пастбища
■ залежь
Рис. 7. Экспликация землепользования района исследований
%: 0,3
По рабочей агроэкологической классификации Воронежской области (Лопарев, 1998), земли исследуемых агроэкосистем относятся к 1 категории, лимитирующими факторами являются управляемые, к способам преодоления которых можно отнести: оптимизация ЫРК, подбор районированных сортов и гибридов культур, система севооборотов.
Преобладающее значение на территории исследования имеют черноземы выщелоченные среднемощные и типичные среднемощные, которые и в районе исследования занимают более 63,5% от площади всех разновидностей почв. Агрофизические свойства (табл. 4) близки к оптимальным и характерны для преобладающих в Эртильском районе окультуренных старопахотных черноземов агроландшафтов с низким уровнем развития эрозии (рис. 8). Это позволяет их не рассматривать среди экологических факторов, лимитирующих современное экологическое состояние и функционирование исследуемых черноземов придорожной зоны влияния с интенсивным кратко-ротационным севооборотом.
Таблица 4.
Агрофизические параметры агроэкологического качества основных видов почв исследуемых агроэкосистем
Почва Плотность, г/см3 Влажность, % Содержание фракций, % (по размерам фракций, мм)
>10 10-0,25 <0,25
Чернозем типичный среднемощный 1,13 25,2 13 80 7
Чернозем выщелоченный, среднемощный 1,16 24,1 15 77 8
По реакции среды почвы участков проведения эксперимента в основном нейтральные, близкие к нейтральным и слабокислые: при преобладании рНн?о выше 6,5 и рНКс1 не ниже 5,3.
Кислотность почвенного раствора (рН водной) до начала закладки опытов и применения агротехнических приемов, колебалась в зависимости от года в слое 0-30 см от 6,44 до 7,0 и увеличивалась в слое 60-90 см до 7,36-7,30. Соответственно рН солевой суспензии в почвенном слое 0-30 составила 5,23- 5,3. С увеличением глубины до 90 см, рН солевой варьировалась в пределах 6,34- 6,48.
І
Глубина отбора образцов, см рН* Гумус, % Общий азот, % Нитратный азот, мг/кг Р205м г/кг к2о мг/кг Нгидрол.? мг-экв/ 100г почвы
0-30 6.92 5,37 6,5 0,238 11,2 142,4 119,5 25,3
30-60 6.79 5,54 5,31 0,217 9,5 107,2 76,2 11,6
60-90 7,33 6,41 - 0,209 - 61,5 67,4 5,4
Прим.: * числитель- рН водной суспензии, знаменатель- рН солевой суспензии.
В нижней части гумусово-аккумулятивного профиля отчетливо выражен геохимический барьер. Значительный диапазон различий рНнго и рНКС] также
Рис. 8. Картосхема агроэкологической оценки эродированности земель района исследования.
Таблица 5.
Физико-химическая и агрохимическая характеристика черноземов опытных участков исследования
1-14- административные единицы района
^^^ низкая степень распространения эрозии
* | очень низкая степень
распространения эрозии
свидетельствует о повышенной устойчивости исследуемых черноземов к агро-генному подкислению и, следовательно, их загрязнению тяжелыми металлами.
По содержанию гумуса в пахотном горизонте, среднее значение которого составило 6,98 на начало исследований (Высоцкая, 2007), почвы относятся к IV группе: 6,1-8,0% с повышенным содержанием гумуса (Гогмачадзе, 2010). Вниз по профилю отмечается снижение содержания гумуса до 5,31 в подпахотном горизонте (табл. 5).
Среднее содержание подвижного фосфора и калия в пахотном горизонте исследуемых черноземов составило, соответственно, 142,4 и 119,5 мг/кг, при значительных колебаниях по годам, после применения под сахарную свеклу повышенных доз минеральных удобрений. Гидролитическая кислотность варьировалась от 25,3 в слое 0-30 см, до 5,4 в слое 60-90 см.
Таким образом, почвы исследуемых агроэкосистем, отличаются хорошими агроэкологическими показателями, высокими характеристиками потенциального плодородия и повышенной устойчивостью к преобладающей в этой части ЦЧР агрогенной и техногенной нагрузке на пахотные почвы. Вариации ключевых параметров агроэкологической оценки почв наблюдались в пределах 2-10% в рамках одного опытного поля.
Глава 4. Эколого-биологическая оценка динамики загрязнения тяжелыми металлами базовых компонентов агроэкосистем с посевами сахарной свеклы
В почвах исследуемых агроэкосистем, вовлеченных в интенсивный севооборот с применением повышенных доз минеральных удобрений, предполагается два основных источника поступления тяжелых металлов: среднеин-тенсивная автодорога IV категории «Эртиль-Терновка» и активно применяемые агрохимикаты.
При отборе проб почв после схода снега существенной разницы между содержанием тяжелых металлов на делянках контроля и делянках с удобрениями не обнаружено (табл. 6). Однако наблюдалась разница в содержании тяжелых металлов на различных расстояниях от автомагистрали.
Наиболее высокие концентрации тяжелых металлов наблюдаются на расстоянии 0 - 10 м. Выявлены превышения ПДК по кадмию и свинцу, что позволяет сделать вывод о том, что источниками поступления этих элементов является автотранспорт. На расстоянии 10 - 20 м от автодороги отмечено снижение их концентраций (наиболее явное при сравнении с придорожной зоной 0-5 м). На расстоянии 20 - 50 м выявлено значительное снижение концентраций тяжелых металлов по всем элементам.
Таблица 6.
Изменение содержания тяжелых металлов в пахотном горизонте исследуемых черноземов на различном расстоянии от дороги до и после применения минеральных удобрений под подсолнечник, мг/кг (средние данные за период исследования в 2005-2011 гг.)
Расстояние от автомагистрали Хп Си Мп Ее Со N1 Сс1 РЬ
0-5 м 5.17* 5,49 0.97 1,29 32,21 36,19 16,14 18,72 1.37 1,61 1.37 2,11 0.79 0,87 5.49 5,64
5-10 м 4.68 5,08 0.84 1,21 29,06 35,36 15,30 18,19 1.23 1,57 1.21 1,98 0.65 0,76 4.82 5,12
10-20м 3.18 5,09 0.75 1,02 28,92 35,91 14,68 17,96 0.91 1,52 1.01 1,93 0.58 0,72 3.19 3,59
20-50 м 2.27 5,81 0.63 1,12 27,36 35,27 13,53 18,13 0.78 1,49 0.82 1,87 0.51 0,71 2.89 3,48
* - после схода снега (числитель) и внесения удобрений (знаменатель)
После ранневесеннего боронования до внесения удобрений сохранялась тенденция уменьшения концентраций элементов с увеличением расстояния 20 и более м от автодороги. После внесения удобрений концентрации тяжелых металлов достоверно повысились по всем элементам (в 0,2 - 1,8 раза), кроме свинца. Следовательно, минеральные удобрения являются существенным источником загрязнения исследуемых черноземов тяжелыми металлами, по уровню превышений местных фоновых значений сопоставимым с влиянием автодороги IV категории (Высоцкая, 2012).
Повышение содержания тяжелых металлов в почве произошло на всех вариантах с внесением удобрений. Увеличение концентраций тяжелых металлов по мере приближения к автомагистрали происходило на всех вариантах опыта, как на контроле, так и с удобрениями, однако использование удобрений повышало концентрации тяжелых металлов на всех расстояниях от автодороги.
Изучение динамики тяжелых металлов/микроэлементов в течение вегетационного периода показало, что концентрации железа, никеля, кобальта, меди и цинка в почве достоверно изменяются по основным фазам вегетации сахарной свеклы, а кадмия и свинца - существенно не меняются (на примере 7л\ и РЬ см. рис. 9). Динамика содержания подвижных форм ТМ в течение вегетации зависит от соотношения доз вносимых удобрений и уровня техногенных загрязнений, достоверно проявляясь в пахотном и подпахотном горизонтах.
Содержание подвижного свинца в зависимости от расстояния отдороги е фазе смыкания листьев в междурядьях на глубине 50 см (Рамонская)
Содержание подвижного свинца в зависимости РЬ. от расстояния отдороги в фазе вилочки на
мг/кг глубине 50 см (Рамонская)
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 »— Рамонская односем. Контроль • Рамонская односем + удобрения
-Рамонская односем - гербициды
-Рмлонскгя односем. - удобрения - гербициды
——<-Рамонская односем. Контроль
# Рамонская односем. + удобрения ——— Рамонская односем + гербициды -— Рамонская односем. + удобрения - гербициды
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 —*— Рамонская односем. Контроль —«— Рамонская односем. + удобрения і Рамонская односем - гербициды - Рамонская односем - удобрения + гербициды
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
» - Рамонская односем. Ьоитроль ■ - Рамонская одно сем. + удобрении —■» - Рамонская односем. + гербициды —-— Рамонская односем. + удобре - гербициды
Содержание подвижного цинка в зависимости от расстояния отдороги в фазе вилочки на глубине 30 см (Рамонская)
Содержание подвижного цинка в зависимости от расстояния отдороги в фазе смыкания листьев в междурядьях на глубине 30 см (Рамонская)
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
—*— Рамонская односем. Контроль —•— Рамонская односем. + удобрения
-•-Рамонская односем. + гербициды
——— Рамонская односем. + удобрения + гербициды
10 15 20 25 30 35 40 45 50
—— Рамонская односем. Контроль —*— Рамонсная односем - удобрения і — Рамонская односем - гербициды » — Рамонская односем - удобрения - гербициды
Содержание подвижного свинца в зависимости от расстояния отдороги перед уборкой на глубине ЗО см (Рамонская)
Содержание подвижного цинка в зависимости от расстояния отдороги перед уборкой на глубине 30 см (Рамонская)
— планки погрешностей со стандартными отклонениями
Рис. 9. Изменение содержания подвижных форм РЬ и Zn в пахотном горизонте исследуемых черноземов на различном расстоянии от дороги по основным фазам вегетации сахарной свеклы (средние данные за период исследования в 2005-2011 гг.).
Изучение влияния экологического состояния на качество урожая и биологическую продуктивность агроэкосистем с посевами сахарной свеклы, показало, что фотосинтетическая активность гибрида Фрейя Р1 значительно выше, чем у сорта Рамонская односемянная^47, независимо от увлажнения и содержания в почве тяжелых металлов (Высоцкая, 2013).
Максимальная урожайность корнеплодов (511 ц/га) у Рамонской односе-мянной-47 наблюдалась при внесении удобрений в дозах Г^оРмоКпо совместно с гербицидами и на значительном удалении от автомагистрали, самая низкая урожайность отмечена на контроле (366,6 ц/га) при минимальном удалении от автодороги, т.е. при максимальном загрязнении тяжелыми металлами. Максимальная урожайность гибрида Фрейя (598,6 ц/га) отмечена по варианту без гербицидов, но с удобрениями, минимальная (491 ц/га) - на контроле, удаленном от автодороги на 20-50 м (рис. 10).
Изучение накопления тяжелых металлов в фитомассе сахарной свеклы показало, что корни и листья сахарной свеклы обладают различной поглотительной способностью по отношению к тяжелым металлам. Концентрация фи-тотоксичных элементов происходит преимущественно в надземной части сахарной свеклы. Так, в натурально-влажной массе листьев сахарной свеклы не выявлено превышения ПДК концентраций большинства микроэлементов. Однако прослеживается закономерное увеличение концентраций кадмия и свинца, как в массе листьев, так и в корнеплодах (рис. 11) на вариантах с удобрениями и расположенных на расстоянии до 20 м от автодороги. Такая же закономерность по содержанию железа и меди отмечена в корнеплодах. При этом, на фоне удобрений накопление меди происходит менее интенсивно, чем железа.
70« -1
600 -
И урожайность. Рамонская односемянная- 47. ц га
■урожайность Фрейп Р1. ц га
1-12 варианты
- планки погрешности со стандартными отклонениями
9 10 II П
Рис. 10. Биологическая продуктивность сахарной свеклы в исследуемых агроэкосистемах (2004-2010 гг., - расшифровка вариантов в табл. 2)
Содержание 1и в корнеплодах в 2п зависимости от расстояния от дороги 5*Г ™__(ФРЄЙЯ _
f=f
О 5 1» 15 20 25 30 35 40 45 50
* Френя Контроль —•— Фрейя +удобрения
—ш-Френя + гербициды
м Френя + удобрения -гербициды
Содержание Си в корнеплодах в зависимости от расстояния от дороги
1 ІреіІЯ; £t-
1— 1 L.M
0 5 30 15 20 25 30 35 40 45 50
—* Френя Контроль —И Фрейя + удобрения
—Л-Френя + гербиШ'ДЫ
—-Фрейя + удобрення + гербициды
Содержание КсІ в корнеплодах в зависимости от расстояния от дороги [Фрейя)
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
—4- Фр<ЙЯ. Контроль
■ Френя + удобрения
-г— Ф||«|1я t fr| Оицнды
—М— Фрейя* удобрения -гербицзды
Содержание 2п в корнеплодах в зависимости отрасстояния от дороги (Рамонская)
т
і
L.M
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
« Р^лонская односем. Контроль ■ Рамонская односем. - удобрешя —*— Рамонская односем ♦ гербициды
• Ралонсная односем + удобрешя +гербициды
мг/кг 1
Содержание Си в корнеплодах в зависимости отрасстояния от дороги
-И
10 15 20 25 30 35 40 45 50
— рамонская односем Контроль
— Рамонская односем + удобрения
— Рамонская односем + гербициды
— Рамонская односем - удобрения + гербициды
К(1 Содержание КсІ 8 корнеплодах в мг/ы зависимости отрасстояния отдороги (Рамонская)
0,06 -0,04 -0,02 -
-—
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
- Рамонская односем. Контроль
- Рамонская односем - удобрения
- Рамонская односем + гербициды
- Рамонская односем ♦удобрения-гербициды
Содержание РЬ в корнеплодах в мг/кг зависимости от расстояния отдороги (Рамонская)
0,2
1 J*- I .
і I 1 1 M
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
— Рамонская односем. Ьонтроль
— Рамонская односем. + удобрения
— Ржлонская односем. + гербициды
— Рамонская односем. + удобоетя - геобиииоы
- Планки погрешностей со стандартными отклонениями
Рис. 11. Изменение содержания тяжелых металлов в корнеплодах сахарной свеклы районированного сорта и перспективного гибрида на различном расстоянии от дороги по основным вариантам опыта
0,2
Содержание Р!> в корнеплодах в зависимости отрасстояния отдороги
(Фпрйа)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ♦ Фрейя. Контроль —•— Фрейд - удобрения ■ * Фрейя -1 ербиииды • и Френя- удобрения* гербициды
При внесении удобрений вблизи придорожной полосы наблюдается превышение ПДК по свинцу и повышенное содержание кадмия и других тяжелых металлов, а также увеличение содержания общего азота в листьях и корнеплодах. На удобренных вариантах возрастает содержание сухого вещества в листьях и корнеплодах гибрида Фрейя Р1, в отличие от Рамонской односемянной 47.
Максимальная сахаристость (16,8%) у сорта Рамонская односемянная-47 была получена при внесении удобрений И^оРмоКпо совместно с гербицидами -на значительном удалении от автодороги, то есть от техногенного источника загрязнения тяжелыми металлами. Минимальная сахаристость (15,5%) — в вариантах без удобрений и гербицидов, но с загрязнением тяжелыми металлами вплоть до некоторого превышения ПДК. Максимальная сахаристость гибрида Фрейя выше (17,6%) и также отмечена по вариантам с удобрениями и гербицидами, при большей устойчивости к загрязнению. Минимальная сахаристость (16,2%) - на контроле, то есть без удобрений и гербицидов (Высоцкая, 2012).
Таким образом, даже в наиболее неблагоприятных условиях (отсутствие внесения удобрений и гербицидов, превышение ПДК в почве по свинцу) сахаристость испытываемого перспективного гибрида Фрейя была значительно выше, чем у районированного сорта Рамонская-односемянная-47. Повышенная устойчивость биологической продуктивности, урожайности и сбора сахара у гибрида Фрейя даже в неблагоприятных условиях загрязнения почв тяжелыми металлами (где они близки к урожайности и сбору при оптимальном уходе и минимуме антропогенного загрязнения ) позволяет говорить об агроэкологической и экономической целесообразности выращивания данного гибрида на слабо загрязненных почвах в зоне влияния дорог и периферийной части придорожной полосы.
Глава 5. Эколого-биологическая оценка динамики загрязнения тяжелыми металлами базовых компонентов агроэкосистем с посевами подсолнечника
В агроэкосистемах подсолнечника нами были продолжены исследования, выполненные ранее по предшествующим посевам сахарной свеклы в придорожной полосе, для уточнения выявленных ранее закономерностей влияния дороги и агро-технологий на экологическое состояние базовых компонентов придорожных агроэкосистем (рис. 12).
Результаты исследований показали, что после схода снега содержание тяжелых металлов в контроле и в опытных вариантах существенно не отличалось. В то же время их содержание существенно изменялось в зависимости от расстояния до автодороги. Так, на расстоянии 20-50 м концентрации тяжелых металлов во всех вариантах опыта была в 1,5-2 раза ниже, чем у дороги.
Содержание Zn в почве в зависимости от расстояния от дорогими внесения удобрении (подсолнечник)
после внесенім удобрений - Линейная (после схода снега»
мг/кг 2,5
2
1,5
1
0,5
Содержание N¡8 почве в зав наїм оста от расстояния от дороги и внесения удобрений (подсоленчник)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
♦ после оода снега ■ после внесення удобрений
-Линейная (после схода снега)
-Логарифмическая (после внеселія удобрений)
Ми. мг/кг
40
30
20
10
Содержание Мп в почве в зависимости от расстояния от дороги и внесения удобрений (подсолнечник)
■ 1-м
10 15 20 25 30 35 40 45 50 . после схода снега і после внесения удобрений — Полиномиальная (после схода снега) -Логарифмическая (после внесення удобрений)
Содержание Со в почве в зависимости от £о расстояния отдороги и внесення удобрений мг/кг (подсолнечник)
2 у - 1.59Єс°°->
Л» = 0.3
Цм
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
* после с>ода снега ■ после внесения удобрений
-Логарифмическая (после схода снега)
- ^нспонеи»»»ал»)гв (после внесения удобрений)
Содержание КсІ в почве в зависимости от расстояния от дороги и внесения удобрений (подсолнечник)
10 15 20 25 30 35 4 0 4 5 50 • после оода снега ■ после внесения удобрений
-Полиномиальная (после оодаснега)
-Полиномиальная (после внесения удобрений)
Р1э, Содержание РЬ в почве в зависимости от мг/кг расстояния от дороги и внесения удобрений (подсолнечник)
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
♦ после сходаснега
-Логарифмическая (после сходаснега)
-Полиномиальная (после внесения удобрений)
Рис. 12. Изменение содержания тяжелых металлов в пахотном горизонте исследуемых черноземов на различном расстоянии от дороги до и после применения минеральных удобрений под подсолнечник (средние данные за период исследования в 2005-2011 гг.).
Исследования почвенного покрова после схода снега показали, что наибольшему загрязнению тяжелыми металлами от автотранспорта подвергается полоса шириной 0-20 м от автомагистрали. Однако превышение ПДК по содержанию в почве было отмечено только в отношении свинца. Содержание остальных исследуемых тяжелых металлов не превышало установленные для них величины ПДК.
Исследования содержания тяжелых металлов после внесения минеральных удобрений показывают (рис. 12), что удобрения достоверно повышают содержание большинства тяжелых металлов в почве агроэкосистем с подсолнечником, однако максимальное загрязнение почв особо токсичным элементом -свинцом, очевидно, является следствием выбросов автомобильного транспорта, поскольку оно несущественно зависит от вносимых удобрений. При внесении удобрений в наибольшем количестве в почву попадают такие элементы, как железо, марганец, цинк, медь, но они не превышают значений их предельно допустимого содержания в почве.
Для проведения исследований с подсолнечником были выбраны гибрид короткого срока созревания ПР62А91 и среднепоздний гибрид ПР63А83, поскольку, обладая различной скоростью развития, они должны неодинаково поглощать химические элементы. Накопление тяжелых металлов в органах обоих гибридов шло неодинаково как по сроку вегетации, так и по вариантам опыта (рис. 13 и 14). Практически по всем тяжелым металлам минимальное накопление отмечалось в соцветиях, максимальное - в надземной биомассе, анализируемой в целом.
Внесение удобрений повышает содержание тяжелых металлов во всех органах подсолнечника. Максимальное поглощение корнями цинка, меди и никеля наблюдалось в середине вегетации, а свинца и кадмия - в конце. В надземной части максимальное количество всех тяжелых металлов наблюдается в конце вегетации (рис. 13).
Сравнение с критическими уровнями тяжелых металлов (Башкин, 1999) в растениях позволяет сделать заключение, что этого уровня растения гибрида ПР62А91 не достигали практически по всем изучаемым тяжелым металлам. Этот вывод согласуется также с допустимыми количествами тяжелых металлов в почвах с учетом устойчивости к ним растений (Минеев, 1990),
Изучение содержания тяжелых металлов в фитомассе среднепозднего гибрида ПР63А83 показало, что, имея более продолжительный вегетационный период, он накапливал меньшие количества тяжелых металлов во всех органах.
Тем не менее, выявленные нами закономерности накопления тяжелых металлов в различных органах гибрида ПР62А91 подтверждаются и для гибрида
ПР63А83. Критических уровней накопления тяжелых металлов гибридом ПР63А83, также как и ПР63А83 не достигался практически по всем изучаемым элементам.
КП83 2- П83Г З- П83У1Г 4- П83У2Г
- Планки погрешностей со стандартными отклонениями
Рис. 13 . Содержание тяжелых металлов в фитомассе подсолнечника ПР63 А83, среднее за 2005- 2011гг., надземная часть (по вариантам опыта).
І-КП83 2- П83Г З- П83У1Г 4- П83У2Г
- Планки погрешностей со стандартными отклонениями
Рис. 14. Содержание тяжелых металлов в фитомассе подсолнечника ПР63 А83, среднее за 2005-2011гг., корни (по вариантам опыта).
Что касается гербицидов, то они оказывают неоднозначное влияние на накопление тяжелых металлов в растениях подсолнечника. Так, на варианте контроля с внесением гербицидов в корнях культуры незначительно повышалось содержание цинка, меди и свинца.
Анализируя динамику накопления рассмотренных выше элементов, можно заключить, что на протяжении всего периода онтогенеза подсолнечника преимущественным связыванием тяжелых металлов характеризуются надземные органы, а не корневая система культуры (см. рис. 13 и 14).
При этом максимальный уровень данных элементов в корнях чаще приурочен к середине вегетации, а минимальный - к ее концу, особенно на вариантах с двойной дозой удобрений (Высоцкая и др., 2012). Поглощение тяжелых металлов надземной фитомассой подсолнечника последовательно возрастает от начала к концу вегетации, увеличиваясь в среднем в 2- 3 раза.
Ранний гибрид ПР62А91 в течение всего вегетационного периода активно накапливает медь и цинк, причем во всех органах. Максимально интенсивно эти элементы накапливаются в надземной части, затем в соцветиях и корнях.
Применение одинарной дозы минеральных удобрений незначительно повышает аккумуляцию меди и цинка в корнях. Внесение двойной дозы минеральных удобрений повышает аккумуляцию цинка и меди в 1,2 и 1,4 раза соответственно. В надземной части влияние минеральных удобрений на активность накопления меди и цинка оказывается меньшим, чем в корнях.
Минимальные величины коэффициента биологического поглощения (Ах)| рассчитанные нами по формуле И.И.Перельмана, наблюдаются у свинца по всем фазам развития растений и во всех органах. Величины Ах > 1 наблюдаются у кадмия в надземных частях растений и для растений в целом в конце вегетации на вариантах опыта с минеральными удобрениями. Это позволяет сделать вывод о том, что внесение минеральных удобрений способствует аккумуляции кадмия в надземной части подсолнечника.
Никель и кобальт аккумулируются в надземной части подсолнечника в середине и конце вегетации на всех вариантах опыта. Внесение минеральных удобрений повышают аккумуляцию никеля и кадмия в надземной части в 1,19 и 1,27 раза соответственно. Если рассматривать растения в целом, то аккумуляция никеля возрастает от начала к окончанию вегетации по всем вариантам опыта, а кобальта только в середине и конце вегетации. Помимо коэффициента интенсивности биологического поглощения элементов, важным биогеохимическим критерием, характеризующем поведение тяжелых металлов в придорожных агроэкосисте-мах, является ряд интенсивности поглощения, который можно построить, используя вычисленные коэффициенты Ах (рис. 15).
Zn, Ах
Коэффициент биологического поглощения (А,) гп гибридом подсолнечника ПР64А83 (растение в целом) в зависимости от фаз вегетации
20 40 60 80 100
-*-Подсолнечника ПР64А83 Контроль
• Подсолнечнив ПР64А83- Гербициды
-Подсолнечника ПР64А83-один^наадозаудобренмй
-Подсолнечника ПР64АЗЗ *деоЛная доз а удобрений
Коэффициент биологического поглощения (А*) Си гибридом подсолнечника ПР64А83 (растение в целом) в зависимости от фаз вегетации
дн
20 40 60 80 100 120
— Подсолнечника ПР64А83 Контроль
— Подсолнечника ПР64А83+гербициды
- Подсолнечника ПР64А334 одинарнаядозаудобрений
- Подсолнечника ПР54А83- двойнга доз аудобрений
Cd, Ах
Коэффициент6И0Л01ИЧеСК0Т0П01Л01ЦеНИЯ (А,) Cd гибридом подсолнечника ПР64А83 (растение в целом) в зависимости от фаз вегетации
20 40 60 80 100 120
« Подсолнечника ПР64Д53 Контроль
• Подсолнечника ПР64А83+ гербициды
• Подсолнечника ПР64А83+ одинарная деза удобренш -Подсолнечника ПР64Д83-двойная доз а удобрен»?
Коэффициент биологического поглощения (Ад) РЬ гибридом подсолнечника ПР64А81 (растениев целом) в зависимости от фаз вегетации _
120
- Подсолнечника ПР54Д8Э-ге|>(жцидм
- Подсолнечника ПР64А8 3* один арная доза , добре
- Подсолнечника ПР64А83-двойнаядозагдобренш'
Zn, Ах
Коэффициент биологического поглощения (А,) гп гибридом подсолнечника ПР64А83 (растение в целом) в зависимости от фаз вегетации
Т.дн
20 40 60 80 100 120
-*-Подсолнечника ПР6*1А83 Контроль
• Подсолнечника ПР64А83-» гербициды t Подсолнечника ПР64А83«- одинарная доз а удобреши -Подсолнечника ПР64АЗЗ+ двойная доз э удобрений
Коэффициент биологического поглощения (А.) Си гибридом подсолнечника ПР62А91 (растение в целом) в зависимости от фаз вегетации
Т.дн
20 40 60 80 100
— Подсолнечника ПР62А91 Контроль
— Подсолнечника ПР62А91+гербициды
— Подсолнечника ПР62А91-одннарнаядозаудобрений
— Подсолнечника ПР52А91-двойнаядозаудобрений
О! Коэффнциентбиологическогопоглощения (А,,) Сс1 дх гибридом подсолнечника ПР62А91 (растение в целом) в зависимости от фаз вегетации
20 40 60 80 100
— Подсолнечника ПР62А91. Контроль Подсолнечника ПР62А91* гербициды
- Подсолнечника ПР62А91-одннарная дозаудобренм
—- Подсолнечника ПР62А91 -двойная до> яу до брений
РЬ,
Ах
Коэффициент биологического поглощения (А,) РЬ гибридом подгплнрчникл ПР6?АЧ1 (растениев целом) 8 зависимости от фаз
™ т,
?0
40
60
ftfl
100
- Подсолнечника ПР62А91. Контроль
- Подсолнечника ПР62А91- гербициды
- Подсолнечника ПР62А51- одинарная доз а удобрений
- Подсолнечника ПР62А91-двойная доза vAo6peHuñ
— Планки погрешностей со стандартными отклонениями
Рис. 15. Коэффициенты аккумуляции тяжелых металлов в фитомассе подсолнечника гибридов ПР63А83 и ПР62А91 (по вариантам опыта).
Согласно сделанным вычислениям, как для раннего гибрида ПР62А91, так и для среднепозднего ПР63А83 тяжелые металлы располагаются в аналогичные ряды в порядке уменьшения содержания: медь > цинк > никель > кобальт > кадмий > свинец. Растянутый срок вегетации гибрида ПР63А83 обусловил меньшую интенсивность поглощения тяжелых металлов, по сравнению с ранним гибридом ПР62А91.
Внесение минеральных удобрений способствовало усилению аккумуляции тяжелых металлов у гибрида ПР63А83 во всех органах подсолнечника. Двойная доза минеральных удобрений более существенно повышала аккумуляцию цинка и меди в корнях и надземной части по всем фазам онтогенеза гибрида. Следует отметить, что внесение гербицидов практически не оказало влияние на активность поглощения тяжелых металлов. Величины Ах на варианте контроля с внесением гербицидов были очень близки к таковым на контроле.
Таким образом, определение величин отношений содержания тяжелых металлов показало, что они накапливаются в органах подсолнечника с неодинаковой интенсивностью, причем выявленные закономерности справедливы для обоих гибридов. Как правило, интенсивность поглощения тяжелых металлов корнями, надземной массой, соцветиями и растением в целом возрастает от начала к концу вегетации, что связано с закономерностями поглощения элементов питания подсолнечником.
Пониженное по сравнению с другими частями содержание изучаемых элементов в корзинках, по-видимому, обусловлено более поздним их образованием и относительно недолгим периодом развития. Накопление тяжелых металлов в соцветиях существенно отставало (в 3-4 раза) от других частей растения.
Согласно вычисленным нами коэффициентам биологического поглощения фитомассой подсолнечника, изучаемые тяжелые металлы можно отнести к трем следующим классам: медь - к классу энергично накапливаемых элементов; цинк, никель, кобальт, кадмий - к классу сильно накапливаемых элементов и свинец - к классу слабого и среднего накопления.
Таким образом, в агроэкосистемах с посевами подсолнечника, минеральные удобрения, повышая поступление тяжелых металлов в растения, являются существенным фактором их накопление во всех органах культуры, особенно на вариантах с двойной дозой удобрений. По всем изученным тяжелым металлам минимальное накопление отмечается в соцветиях подсолнечника, максимальное - в остальной надземной биомассе. Поглощение ТМ надземной фитомассой подсолнечника последовательно возрастает от начала к концу вегетации - в среднем в 2- 3 раза.
Глава 6. Устойчивость экологического состояния и оценка экологической напряженности черноземных агроэкосистем с посевами подсолнечника в условиях повышенной антропогенной нагрузки
При возделывании сельскохозяйственных культур на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, необходимо давать оперативную оценку экологической обстановки в данных агроландшафтах. Для этих целей используется суммарный показатель устойчивости экосистемы (ПУЭ) или показатель экологической напряженности (ПЭН) (Оценка экологического риска..., 1999). Они определялись нами в качестве частных и интегральных показателей для почв и растений как базовых компонентов агроэкосистем по отношению содержания тяжелых металлов в них к величине ПДК. Считается, что экосистема начинает деградировать при величине суммарного показателя экологической напряженности > 1.
Произведенные нами расчеты суммарного показателя экологической напряженности исследуемых агроэкосистем показали, что максимально дестабилизирующими факторами в агроэкосистеме с гибридом подсолнечника ПР62А91являются тяжелые металлы медь, свинец и кобальт. Минимально дестабилизирующими факторами — цинк, кадмий и никель. А общей тенденцией изменения показателя экологической напряженности является его возрастание от начала вегетации к ее окончанию, как по отдельным органам, так и по растению в целом (табл. 7, рис. 16).
Таблица 7.
Суммарный показатель экологической напряженности исследуемой агро-экосистемы с гибридом подсолнечника ПР62А91, среднее за 2005-2011 гг.
Фаза вегетации Анализируемая часть растения
Корни Надземная часть Соцветие Растение в целом
Вариант К Кг* ЮТК 2ІМРК К Кг 1ЇМРК 21ЧРК К Кг 1>1РК 2ЫРК К Кг 1ЫРК 2№К
всходы 1,60 1,47 2,04 238 4,07 3,63 4,16 4,98 - - - - 5,67 5,10 6,19 7,36
образов, корзины 2,41 2,18 2,93 3,51 8,46 7,61 7,11 7,69 - - - - 10,96 9,21 10,15 11 ДО
созревание 2,06 2,51 3,05 2,73 9,75 9,16 11,50 12,02 2,94 2,82 3,36 3,40 14,48 1430 17,89 18,17
Среднее 2,02 2,05 2,67 2,87 7,43 6,81 7,59 8,23 2,94 2,82 3,36 3,40 10,37 8,86 11,41 12,24
* - контроль с гербицидами
Внесение удобрений однозначно повышает частные и интегральные показатели экологической напряженности данной агроэкосистемы. В корнях: в начале вегетации в - 1,23 и 1,49 раза (по вариантам опыта с одинарной и двойной
дозами минеральных удобрений, соответственно ); в середине - в 1,22 и 1,45, и в конце - в 1,48 и 1,35 раза. В надземной части: в начале вегетации - в 1,02 и 1,22; середине - 0,84 и 0,91, и в конце -1,12 и 1,23 раза. В соцветиях - в 1,14 и 1,16 раза. А в целом для растения: в начале вегетации - в 1,09 и 1,30; середине -в 0,93 и 1,02, и в конце - в 1,23 и 1,25 раза.
к
Рис. 16. Суммарный показатель экологической напряженности агроэкоси-стемы с гибридом подсолнечника ПР62А91, надземная часть.
Для элементов с повышенным уровнем транслокации в растения: таких как Сс1, Ъл, № и РЬ рассчитывается суммарный показатель загрязнения (7х). По шкале значений 7х, предложенной В.А. Касатиковым (1994), суммарная степень загрязнения растений гибрида ПР62А91 оценивается как средняя в начале вегетации, и сильная - в середине и конце. Минимальная степень суммарного загрязнения отмечена в контроле с гербицидами; максимальная - на варианте с двойной дозой минеральных удобрений.
Расчеты суммарных показателей экологической напряженности агроэко-системы с гибридом подсолнечника ПР63А83 показали (табл. 8), что они, как правило, заметно ниже, чем в случае с гибридом ПР62А91, и постепенно возрастают в последующих ротациях высокоинтенсивного севооборота (рис. 17). Тем не менее, выявленные для гибрида ПР62А91 закономерности величин ПЭН прослеживаются и для гибрида ПР63А83 (табл. 8). Различия обусловлены, прежде всего, сортовыми особенностями изучаемых гибридов, что необходимо учитывать и при их выборе для выращивания в загрязненных условиях.
Таблица 8.
Суммарный показатель экологической напряженности исследуемой агро-экосистемы с гибридом подсолнечника ПР63А83, среднее за 2005-2011 гг.
Фаза вегетации Анализируемая часть растения
Корни Надземная часть Соцветие Растение в целом
Вариант К Кг* 1МРК 2М>К К Кг 11ЧРК 2ІЧРК К Кг 11ЧРК 2ЫРК К Кг 1МРК 2ЫРК
всходы 0,95 0,97 1,60 1,98 3,59 2,94 3,50 4,79 - - - - 4,35 3,89 5,10 6,77
образов, корзины 1,85 1,68 2,61 2,88 6,78 6,20 7,02 7,82 - - - - 8,64 7,76 9,55 10,70
созреванж 2,05 1,93 2,32 2,44 8,69 8,31 10,22 11,30 2,09 1,93 2,50 2,93 13,01 12,19 15,05 16,66
Среднее 1,62 1,52 2,18 2,43 6,35 5,82 6,91 7,97 2,09 1,93 2,50 2,93 8,67 7,96 9,90 11,38
* - контроль с гербицидами
Уровень загрязнения растений данного гибрида в целом по шкале В.А. Касатикова (1994) на всех вариантах за исключением с двойной дозой минеральных удобрений оценивается как средний в начале и середине вегетации, а в конце - как сильный. На варианте с двойной дозой минеральных удобрений с середины вегетации уровень загрязнения возрастает от среднего до сильного.
Таким образом, внесение удобрений в данном случае в меньшей степени повышает накопление тяжелых металлов в агроэкосистеме с гибридом подсолнечника ПР63А83, имеющим более продолжительный вегетационный период, и проявляет меньшее дестабилизирующее воздействие на агроэкосистему в целом, чем в случае с гибридом ПР62А91.
Рис. 17. Суммарный показатель устойчивости агроэкосистемы с гибридом подсолнечника ПР63А83, среднее за 2005, 2007, 2009, 2011гг., надземная часть
С результатами анализа показателей экологической напряженности исследуемых агроэкосистем с двумя вариантами гибридов подсолнечника хорошо согласуются данные по средним значениям их урожайности по вариантам многолетнего опыта (табл. 9).
Таблица 9.
Средняя урожайность подсолнечника (ц /га) исследуемых гибридов в пересчете на стандартную влажность (за период исследований 2005- 2011 гг.)
№ Варианты опыта Урожайность Прибавка % к контролю
1 ПР62А91 Контроль 4,8 - -
2 Контроль+ гербициды 5,9 1,1 22,9
3 К60Р9оК60+ гербициды 6,6 1,8 37,5
4 М12оР|8оК.12о+ гербициды 9,1 4,3 89,6
1 ПР63А83 Контроль 5,3 - -
2 Контроль+ гербициды 7,8 2,5 47,2
3 Н60Р90К60+ гербициды 8,7 3,9 81,2
4 М]2оР]8оКш+ гербициды 9,8 5,6 104,2
Одинарная доза минеральных удобрений обеспечила повышение урожайности гибрида ПР62А91 на 38% , двойная доза - на 89%, а гибрида ПР63А83 -на 81% и 104%, соответственно. В среднем, урожайность гибрида ПР63А83 превышала таковую гибрида ПР62А91 в 1,2 - 1,3 раза - в зависимости от дозы удобрений (табл. 9). Применение гербицидов на фоне без удобрений способствовало повышению урожайности гибридов ПР62А91 и ПР63А83 (в среднем на — 22,9 - 47,2% соответственно), но существенно в меньшей мере, чем их использование совместно с удобрениями.
Таким образом, дестабилизирующее воздействие минеральных удобрений, способствующих загрязнению почв и растительности тяжелыми металлами, в данном случае компенсируется существенным повышением биологической продуктивности и урожайности исследуемых агроэкосистем.
Как показали наши исследования интенсивности биологического поглощения исследуемых тяжелых металлов подсолнечником, он обладает выраженной деконтаминационной способностью в отношении ТМ и может использоваться для частичной оптимизации состояния и функционирования агроэкосистем в условиях повышенного техногенного загрязнения и интенсивного агрогенного воздействия, повышая интегральные показатели их устойчивости к антропогенной нагрузке.
Глава 7. Экологическая и экономическая эффективность возделывания
основных технических культур в агроэкосистемах восточной части ЦЧР с повышенной антропогенной нагрузкой
Как известно, с урожаем сельскохозяйственных культур из агроэкосистем активно отчуждаются как основные элементы питания растений, так и накапливаемые в основной и побочной продукции загрязнители, в том числе тяжелые металлы. В исследуемых агроэкосистемах с сахарной свеклой основное количество накапливаемых в растении тяжелых металлов содержится в ботве, которая, как правило, после уборки корнеплодов остается в поле. Таким образом, содержащиеся в ней тяжелые металлы переходит в агроэкосистему последующей культуры севооборота. Удаление с поля растительных остатков последующей культуры, стерни подсолнечника, создается возможность удаления с ней и значительного количества тяжелых металлов, способствуя периодическому оздоровлению техногенно и агрогенно загрязняемой придорожной агроэкосистемы.
Для изучения экологической эффективности предлагаемого агроприема было проведено экспериментальное исследование выноса тяжелых металлов с урожаем подсолнечника двух исследуемых гибридов в сокращенных ротациях культур интенсивного использования (табл. 10).
Таблица 10.
Вынос тяжелых металлов с урожаем подсолнечника гибридов ПР62А91 (числитель) и ПР63А83 (знаменатель), среднее за 2005- 2011 гг.
Вариант опыта Показатель /х\ Си РЬ С(1 № Со
Контроль Содержание, мг/кг сух.м. 64,04 55,57 32,38 28,20 2,42 1,98 1,31 1,06 6.74 3.75 1,98 2,81
Вынос, г/га 440,32 435,67 220,16 221,09 16.51 15.52 9,01 8,31 46,37 29,40 13,62 22,03
Контроль + гербициды Содержание, мг/кг сух.м. 63,85 55,48 32,19 27,77 2,36 1,78 1,39 0,93 6,75 3,47 2,28 2,62
Вынос, г/га 581,12 563,68 290,56 282,14 21,29 18,08 12,62 9,31 61,29 35,25 20,70 26,62
1№К+ гербициды Содержание, мг/кг сух.м. 66,97 60,52 36,73 31,46 2,96 2,40 1,52 1,22 7,32 4Д1 2,48 334
Вынос, г/га 667,32 777,08 368,52 403,95 29,48 30,82 13,80 15,66 72,91 54,06 24.70 42,88
2ЫРК+ гербициды Содержание, мг/кг сух.м. 74,19 67,61 40,31 36,81 2.65 2,52 1,92 1,66 7.31 4,61 2,55 3,52
Вынос, г/га 1077.44 1103,39 582,40 600,74 38,58 41,13 27,95 27,09 106,43 75,23 37,13 57,45
Как правило, чем выше содержание тяжелых металлов в растениях, тем больше их вынос. Так, вынос никеля достигает 46,37-106,43 г/га, меди 220,16582,40 г/га, цинка 440,32-1077,44 г/га, свинца 16,61-38,58 г/га. Причем, удвоение дозы минеральных удобрений способствует увеличению выноса свинца с урожаем примерно на 30 % (табл. 10).Подобная закономерность наблюдается также для кадмия, никеля и кобальта. Так, удвоение дозы минерального удобрения повышает вынос кадмия почти в 2 раза, никеля — в 1,5 раза, кобальта -почти в 1,4-1,6 раза.
Вынос тяжелых металлов с урожаем, несомненно, в значительной мере определяет и динамику их содержания в почве - даже в самой загрязненной зоне, на расстоянии 0-20 м от автодороги (табл. 11).
Таблица 11.
Изменение содержания тяжелых металлов в почвах агроэкосистем с гибридами подсолнечника ПР62А91 (числитель) и ПР63А83 (знаменатель) после выноса их с урожаем, мг/кг почвы (среднее за 2005- 2011 гг.)
Вариант Zn Cu Pb Cd Ni Со
Контроль 5,05 5,05 1.07 1,07 5.62 5.63 0.86 0,88 2.06 2,08 1.60 1,59
Котроль + гербициды 4.91 4,93 1.00 1,01 5.60 5,62 0.86 0,86 2.05 2,08 1.59 1,58
1КРК+ гербициды 4.82 4,71 0.92 0,89 5.61 5,61 0.86 0,85 2.04 2,06 1.58 1,57
2№'К+ гербициды 4,41 4,39 0.71 0,69 5.59 5.60 0.84 0,84 2.00 2,04 1.57 1,55
Содержание тяжелых 5.49 1.29 5.64 0.87 2.11 1.61
металлов перед посевом 5,49 1,29 5,64 0,87 2,11 1,61
Существенное снижение содержания тяжелых металлов в почве, обусловленные их выносом с урожаями, как для гибрида ПР62А91, так и для ПР63А83, наблюдается только по цинку и меди, что обусловлено их повышенным выносом с урожаем. Так, на варианте с двойной дозой минеральных удобрений содержание цинка в почве снизилось в 1,2 - 1,25 раза, меди - в 1,8 - 1,9 раза. По остальным тяжелым металлам, выявленные изменения не столь значительны.
Внешняя утилизация нетоварной части урожая может обеспечить существенное снижение содержания в почве тяжелых металлов за сравнительно небольшой промежуток времени (2-3 ротации севооборота), таким образом значительно увеличивая экологическую роль апробированного в работе севооборота.
Таким образом, внесение повышенных доз минеральных удобрений способствует не только значительному (вплоть до двукратного) росту урожайности выращиваемых культур ( см. табл. 9), но и качественно увеличивает интенсивность поступления тяжелых металлов в растения (см. табл. 10), тем самым способствуя их более интенсивному отчуждению из почвы (табл. 11).
Глава 8. Экодиагностическая роль почвенной фауны при загрязнении почв исследуемых агроэкосистем тяжелыми металлами
При исследовании опытных агроэкосистем нами проводилось изучение крупных почвенных беспозвоночных на предмет их использования для экобио-логической диагностики загрязнения почв тяжелыми металлами.
Изучение показало, что видовой состав почвенной мазофауны характеризуется значительным разнообразием и включает различные систематические группы: в частности, люмбрициды (сем. Lumbricidae, тип Annelides), жужелицы (сем. Carabidae отр. жуков - Coleóptera), виды коротконадкрылых жуков-стафилинид (сем. Staphylinidae, отр. жуков - Coleóptera) и виды двукрылых/ мух Díptera - (преимагинальные стадии).
Особенным богатством отличается видовой состав люмбрицид - настоящих дождевых червей: взрослые особи Allolobophora г. rosea, Dendrobaena octaedro, Octolasion complanatum, O. lacteum и неполовозрелые формы данных видов.
Показатели численности и биомассы почвенных беспозвоночных были относительно низкими (в среднем 16,7 экз./м2 и 14,5 г/м2 соответственно), что, очевидно, объясняется засушливыми погодными условиями в период вегетации большинства годов проведенных исследований, вследствие чего, представители почвенной мезофауны были вынуждены опускаться в нижние почвенные горизонты, и обнаруживались в основном на глубине, превышающей 0,6 м.
Кроме люмбрицидов, большое практическое и диагностическое экологическое значение имеют хищные почвообитающих беспозвоночные, прежде всего - жужелицы (сем. Carabidae). В исследуемых агроэкосистемах нами обнаружены типичные представители лесостепной группы жужелиц Carabus excellens, С. stsheglovi, С. haeres, которые, в основном, обитают в среднеувлаж-ненных биотопах, однако в годы с особенно сухим и жарким летом их численность значительно снижалась (до 1,0 - 1,4 экз/м2).
С целью выяснения экологической эффективности предлагаемого севооборота нами были проведены исследования численности и биомассы почвенных беспозвоночных в агроэкосистемах подсолнечника, возделываемого после сахарной свеклы. Проведенные исследования показали, что данные показатели
имели тенденцию возрастания по годам (кроме 2010 и 2011 гг. с длительным периодом засухи) по мере освоения предлагаемого севооборота, что подтверждает его экологическую роль. Даже в 2011 г. исследуемые показатели существенно превосходили (в 4,2 раза у дождевых червей и 1,4 раза - у жужелиц) аналогичные показатели 2005 года с сопоставимыми засушливыми условиями.
В связи с тем, что многие группы почвенных животных могут быть эффективными биоиндикаторами загрязнения окружающей среды, нами были также проведены исследования по влиянию загрязнения почв тяжелыми металлами на накопление их в тканях почвообитающих беспозвоночных.
Известно, что к наиболее чувствительным биоиндикаторам загрязнения почв тяжелыми металлами относятся дождевые черви (Пилипенко, Смирнов, 1987; Агроэкология, 2004), поскольку они питаются, пропуская почву через кишечник, тяжелые металлы должны постепенно накапливаться в них. В наших опытах микроэлементы в тканях дождевых червей вели себя по-разному. В одних случаях их содержание значительно превышало таковое в почве, в других, наоборот, было несколько ниже почвенных показателей. При этом, в целом содержание ТМ всегда было ниже существующих ПДК (табл. 12).
Таблица 12.
Содержание тяжелых металлов в основных видах почвенных беспозвоночных, обитающих в агроценозах с подсолнечником на расстоянии 0-20 м от автодороги, среднее за 2005-2011 гг.
Исследуемые объекты Среднее содержание элементов, мг/кг
Ъп Си Со N1 са РЬ
Дождевые черви 26,62 1,19 1, 84 43,85 9,05 94,36
Жужелицы 7,67 2,31 1,46 н/о 8,06 73,83
Почва 5,49 1,29 1,61 2,11 0,87 5,64
ПДК 23 3 5 4 5 5
Так, содержание кобальта в тканях дождевых червей было в 1,2 раза выше почвенных показателей, но в 2,5 раза ниже ПДК. Цинка - в 4,8 раза выше почвенных показателей и слегка выше ПДК. Кадмия - в 10,4 раза выше почвенных показателей и почти в 2 раза выше ПДК. Никеля - в 21 раз выше почвенных показателей и в 11 раз выше ПДК. Свинца - почти в 17 раз выше почвенных показателей и в 19 раз выше ПДК. В то же время, содержание меди находилось в близких пределах от уровня ее концентрации в почве.
Характеризуя микроэлементный состав люмбрицид следует отметить, что основными видами-концентраторами кадмия, особо токсичного элемента, поступающего в почву только благодаря антропогенным источникам, были Allolobophora г. rosea и Dendrobaena octaedra. Свинец в наибольших количествах обнаружен у червей вида Allolobophora г. rosea. Т.о., основными биоиндикаторами загрязнения исследуемых агроэкосистем тяжелыми металлами могут являться дождевые черви видов Allolobophora г. rosea и Dendrobaena octaedra,
В тканях жужелиц содержание кобальта было в 1,1 раза ниже, цинка - в 1,4 раза выше, кадмия - в 9,3 раза выше, меди в 1,8 раза выше, свинца - почти в 17 раз выше почвенных показателей и в 19 раз выше ПДК, а никеля не было обнаружено вообще. Это может быть связано с тем, что жужелицы являются консументами второго порядка и поступление в них тяжелых металлов существенно отличается от дождевых червей, отличаясь более выраженной видовой дифференциацией.
В целом, являясь мощным аккумулятором ингредиентов загрязнения, почвенные беспозвоночные могут в определенной мере выполнять роль биологического барьера против ускоренного распространения биогенных токсикантов в агроэкосистемах. Поскольку их масса и численность в предлагаемом севообороте имеет тенденцию к увеличению, в обозримом будущем можно ожидать усиления их действия как биологического барьера для тяжелых металлов.
Глава 9. Эколого-экономическая эффективность возделывания районированных сортов и гибридов сахарной свеклы и подсолнечника в севооборотах с короткой ротацией
Анализ эколого-экономической эффективности возделывания сахарной свеклы в условиях высокоинтенсивных придорожных агроэкосистем показал, что на территориях, подверженных техногенному загрязнению тяжелыми металлами, наиболее целесообразно возделывать гибрид Фрейя.
Помимо более высокой урожайности (598,6 ц/га по варианту с удобрениями Ni50Pi4oKi2o), сохранения высокой сахаристости корнеплодов (16,8%) и более высокой (36,6%) рентабельностью, он обладает повышенной толерантностью к загрязнению почв тяжелыми металлами, т.е. является более экологичным, чем наиболее распространенный сорт Рамонская односемянная-47.
Определение экономической эффективности возделывания подсолнечника в предлагаемом 4-хпольном севообороте с короткой ротацией при размещении его в севообороте после сахарной свеклы показало (с учетом эффекта последействия минеральных удобрений, внесенных по предшественнику, и уборки стерни), что на загрязненных тяжелыми металлами территориях целесооб-
разно возделывать гибрид ПР63А83. Этот гибрид обладает большей фитомас-сой, накапливающей большие количества тяжелых металлов для удаления с поля (т.е. является более экологичным), более высокой (на 0,7 ц/га) средне-многолетней урожайностью и рентабельностью (на 5,3%), по сравнению с гибридом ПР62А91.
Урожайность подсолнечника в наших опытах оказалась относительно невысокой (потенциальная урожайность гибрида, по данным оригинатора, составляет до 35 ц/га) - вследствие того, что предшественник по севообороту, сахарная свекла, очень активно забирает влагу и поздно убирается. Однако его возделывание в рамках апробированного севооборота преследовало, прежде всего, экологическую цель - частичную деконтаминацию придорожных агро-экосистем с сахарной свеклой от техногенно и агрогенно поступающих в них тяжелых металлов, и с этой задачей он в достаточной степени справился (см. табл. 10 и 11).
Среднегодовой уровень рентабельности данного гибрида подсолнечника в условиях исследуемого севооборота (30,4%) позволяет с уверенностью заключить, что он способствует устойчивому поддержанию повышенной рентабельности предлагаемого севооборота, поскольку предшествующие подсолнечнику озимая пшеница и сахарная свекла идут в севообороте по наилучшим предшественникам, и средняя рентабельность последней составила 68,8%.
Высокую экологическую эффективность показал и апробированный в рамках экспериментальной части данной работы дополнительный агротехнический прием возделывания подсолнечника в условиях загрязнения почв тяжелыми металлами - уборка его стерни с поля в полосе 0-50 м от автодороги с вывозом на внешнюю утилизацию. Предлагаемый прием способствует более полному очищению агроэкосистемы от остаточных количеств тяжелых металлов в почве как базовом компоненте агроландшафта.
При строгом соблюдении технологии возделывания подсолнечника в 4-хполыюм интенсивном севообороте с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы, включая уборку и вывоз его стерни с поля, дестабилизирующее воздействие минеральных удобрений на агроэкосистемы можно в значительной мере компенсировать. Прежде всего - существенным ростом продуктивности исследуемой культуры и биомассы пожнивных остатков, частичным «разбавлением» загрязнителей в большом объеме основной продукции (в пределах как придорожной полосы, так и рабочего участка в целом) и периодической деконтаминации придорожных агроэкосистем за счет удаления из них и внешней утилизации больших объемов побочной растительной продукции.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Системный анализ возможных источников поступления тяжелых металлов (ТМ ) в почву и растительность представительных придорожных черноземных агроэкосистем с посевами сахарной свеклы и подсолнечника в восточной части Центрального Черноземного региона России (ЦЧР) показал сопоставимый вклад техногенных выбросов автотранспорта и вносимых минеральных удобрений в развитие продукционного процесса и экологическое качество почв и растительной продукции, оцениваемое по содержанию в них ТМ.
2. Исследования сезонной и многолетней динамики содержания ТМ в верхних горизонтах черноземов придорожных агроэкосистем с интенсивными технологиями выращивания основных технических культур восточной части ЦЧР показал, что внесение удобрений на фоне применения гербицидов способствовало существенному повышению урожайности районированных гибридов подсолнечника в условиях исследуемых придорожных агроэкосистем. Одинарная доза минеральных удобрений обеспечила повышение урожайности гибрида ПР62А91 на 38%, двойная доза - на 89%, а гибрида ПР63А83 - даже на 81% и 104% соответственно. В среднем, урожайность гибрида ПР63А83 превышала таковую гибрида ПР62А91 в 1,2 -1, 3 раза - в зависимости от дозы удобрений.
3. В агроэкосистемах с посевами подсолнечника, минеральные удобрения, повышая поступление тяжелых металлов в растения, являются существенным фактором их накопление во всех органах культуры, особенно на вариантах с двойной дозой удобрений. По всем изученным тяжелым металлам минимальное накопление отмечается в соцветиях подсолнечника, максимальное - в остальной надземной биомассе. Поглощение ТМ надземной фитомассой последовательно возрастает от начала к концу вегетации - в 2- 3 раза, в среднем.
4. Проведенный анализ оценки воздействия автотранспорта и областной дорожной сети на экологическое состояние базовых компонентов черноземных агроэкосистем позволил выявить ряд регионально-типологических закономерностей воздействия дорог IV категории на черноземы. Так, содержание наиболее высоких концентраций тяжелых металлов в верхних горизонтах черноземов (на глубине до 60 см) наблюдается на расстоянии до 20 м от автомобильной дороги. В этой зоне нами выявлены превышения ПДК для Сё и РЬ, при относительно незначительном превышении фоновых концентраций Ре, Ъхк и Со.
5. Максимальная скорость развития площади листовой поверхности сахарной свеклы отмечается в вариантах гибрида Фрейя с применением рекомендованных доз минеральных удобрений, при удалении от автодороги на расстояние более 20 м в сезоны оптимального и достаточного увлажнения. Менее ин-
тенсивно листовая поверхность развивалась вблизи автодороги (0-20 м), в посевах сорта Рамонская односемянная-47 и/или в засушливых условиях.
6. Внесение минеральных удобрений способствовало значительному повышению биологической продуктивности листьев и валовой урожайности корнеплодов сахарной свеклы, одновременно приводя к некоторому снижению сахаристости сорта Рамонская при сохранении повышенного уровня сахаристости корнеплодов перспективного гибрида Фрейя. Сбор сахара с 1 га свеклы Фрейе F1 превышает сорт Рамонская односемянная-47 в среднем на 20,2 ц/га.
7. Листья и корнеплоды сахарной свеклы обладают избирательной поглотительной способностью по отношению к тяжелым металлам. В листьях преимущественно аккумулируются кадмий и железо. Корнеплоды в более высоком количестве накапливают медь, цинк, марганец, кобальт, свинец и никель. Степень концентрации токсических элементов в корнеплодах сахарной свеклы в несколько раз меньше, чем в листьях.
8. Содержание подвижных форм тяжелых металлов и динамика их поступления в корнеплоды и листья сахарной свеклы существенно различается по фазам вегетации и изменяется с глубиной. Максимальное увеличение концентраций кадмия и свинца закономерно прослеживается как в листьях, так и в корнеплодах на вариантах с внесением удобрений на расстоянии до 20 м от дороги. Там же наблюдаются более высокие концентрации железа, марганца и цинка.
9. Повышенные концентрации тяжелых металлов снижают технологические качества корнеплодов сорта Рамонская односемянная-47, увеличивая содержание азота и потери сахара, снижая сахаристость и выход сахара. Повышенное содержание тяжелых металлов в почве практически не оказывает негативного влияния на нарастание листовой поверхности гибрида Фрейя. Гибрид Фрейя обладает повышенной толерантностью к содержанию тяжелых металлов в растении, и соответственно более высокими технологическими качествами.
10. Растянутый срок вегетации среднепозднего гибрида ПР63А83 обусловил меньшую интенсивность поглощения тяжелых металлов, по сравнению с ранним гибридом ПР62А91. По величине коэффициента биологического поглощения подсолнечником ТМ располагаются в ряд: Си >Zn > Ni >Со > Cd > Pb. При этом медь можно отнести к классу энергично накопляемых элементов, цинк, никель, кобальт и кадмий - к сильно, свинец - к слабо накопляемым.
11. Эффективными биоиндикаторами загрязнения тяжелыми металлами черноземов исследованных придорожных агроэкосистем могут являться дождевые черви видов Allolobophora г. rosea и Dendrobaena octaedra. Уровень накопления в них тяжелых металлов может превышать их содержание в почве до 20 и более раз.
12. Четырехпольный севооборот с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы - с уборкой и вывозом его стерни из придорожной полосы 0-50 м от автодороги обладает высокой экологической эффективностью, способствуя частичному очищению придорожной агроэкоси-стемы от техногенно и агрогенно привносимых в нее тяжелых металлов.
13. С отчуждением нетоварной биомассы подсолнечника наблюдается наиболее существенный вынос кобальта, никеля, меди и цинка. Вынос свинца значительно ниже, однако удвоение дозы удобрений способствует удвоению и выноса свинца. Подобная закономерность наблюдается также для кадмия, никеля и кобальта, значительно усиливая экологический эффект этого апробированного в работе приема деконтаминации придорожных агроэкосистем.
14. Существующие придорожные полосы дорог IV категории в восточной части ЦЧР могут быть существенно сокращены - с вовлечением в интенсивные севообороты выращивания сахарной свеклы и подсолнечника значительных дополнительных площадей плодородных и удобно расположенных черноземов. После соответствующей экспериментальной верификации эти рекомендации могут распространяться и на другие регионы с близкими исследованным придорожными агроэкосистемами.
15. Наибольшую эколого-экономическую эффективность в четырехпольном севообороте с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы на территориях, подверженных техногенному и агрогенному загрязнению тяжелыми металлами, показало возделывание гибрида сахарной свеклы Фрейя, поскольку он обладает повышенной экологической толерантностью к загрязнению почв ТМ, и гибрида подсолнечника ПР63А83, обладающего большей нетоварной биомассой, накапливающей большие количества ТМ с возможностью последующего удаления ее с поля, способствуя оптимизации экологического состояния почвенного покрова придорожных агроэкосистем.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ
На основе проведенных нами исследований мы рекомендуем производству следующее.
1. На территориях, подверженных техногенному загрязнению тяжелыми металлами, применять четырехпольный севооборот с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы.
2. Для усиления декотанаминационного эффекта использовать дополнительный агротехнический прием возделывания подсолнечника в условиях загрязнения почв тяжелыми металлами - уборку нетоварной части с поля в полосе 0-50 м от автодороги и вывозом ее на соответствующий полигон.
3. В условиях загрязнения почв тяжелыми металлами для повышения биологической продуктивности и усиления деконтаминационного эффекта в агроэкосистемах с интенсивным загрязнением тяжелыми металлами высевать гибрид сахарной свеклы Фрейя и гибрид подсолнечника ПР63А83, толерантные к почвенному загрязнению. Посевы сахарной свеклы сорта Рамонская односе-мянная-47 и гибрида подсолнечника ПР62А91 целесообразно размещать на расстоянии более 50 м от автодорог.
4. Разработанные практические приемы оптимизации экологического состояния и биологической продуктивности черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР, в условиях повышенной антропогенной нагрузки (с загрязнением почв тяжелыми металлами ) целесообразно применять при разработке экологических агротехнических приемов, проектировании корректировке адаптивно-ландшафтных систем земледелия в ЦЧР, а также практических мероприятий как по возделыванию сахарной свеклы и подсолнечника, так и по детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами.
5. Существующие размеры придорожных полос дорог IV категории могут быть существенно сокращены в восточной части ЦЧР - с вовлечением в интенсивные севообороты выращивания сахарной свеклы и подсолнечника значительных дополнительных площадей плодородных и удобно расположенных черноземов.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Монография
1. Высоцкая Е. А. Повышение продуктивности сахарной свеклы в агроэкосистемах ЦЧР с интенсивным загрязнением тяжелыми металлами / В. М. Воронин, А. А. Высоцкий, Е.А. Высоцкая: монография - Воронеж: ВГПУ, 2007,- 132 с.
Публикации в журналах, рекомендованных ВАК
2. Высоцкая Е. А. Формирование продуктивности сахарной свеклы в агроэкосистемах ЦЧР при токсическом воздействии кадмия /В. М. Воронин, А. А. Высоцкий, Е.А. Высоцкая// Сахарная свекла,- 2007,- №5.- С.29-31.
3. Высоцкая Е.А. Биологическая продуктивность гибридов сахарной свеклы в условиях техногенного загрязнения черноземов типичных ЦЧР/ Е.А. Высоцкая //Arpo XXI.-2012.-№10-12.- С.43-44.
4. Высоцкая Е.А. Влияние антропогенных токсикантов на биологическую продуктивность мезофауны чернозема выщелоченного агроценоза подсолнечника/ Е.А. Высоцкая, В.Н. Жердев// Вестник Воронежского государственного аграрного университета.-2012.-№4 (35).-С. 90-93.
5. Высоцкая Е.А. Проблемы оценки биоресурсного потенциала отдельных ландшафтов староосвоенных агропромышленных регионов/ Е.А. Высоцкая // Вестник Воронежского государственного аграрного университета.-2012.-№4
(35).-С. 94-97.
6. Высоцкая Е.А. Практические приемы повышения продуктивности аг-роценозов подсолнечника на черноземах Воронежской области/ Е.А. Высоцкая // Arpo ХХ1.-2012.-№10-12,- С. 39-40.
7. Высоцкая Е.А. Научно-методические основы оптимизации продуктивности агроценоза в условиях почвенного загрязнения / Е.А. Высоцкая // Вестник Воронежского государственного аграрного университета.-2013.-№1
(36).-С. 31-34.
8. Высоцкая Е.А. Влияние абиотических факторов на динамику накопления тяжелых металлов в компонентах агроценоза, изменение состояния продуктивности его биоресурсного потенциала и воспроизводство / Е.А. Высоцкая// Перспективы науки.- № 2(41) 2013.- С.60-63.
9. Высоцкая Е.А. Прикладные проблемы рационального использования и воспроизводства биологических ресурсов агроценозов Воронежской области / Е.А. Высоцкая// Глобальный научный потенциал.- № 2(41) 2013.- С.65-67.
10. Высоцкая Е.А. Реализация приемов рационального землепользования сельскохозяйственных предприятий растениеводческой специализации Воронежской области как основа продуктивности и воспроизводства биологических ресурсов агроценозов / Е.А. Высоцкая// Наука и бизнес: пути развития.- № 2(20) 2013,-С.41-43.
11. Высоцкая Е.А. Научное обоснование проблемы оптимизации продуктивности биологических ресурсов агроценозов Центрального Черноземья / Е.А. Высоцкая// Наука и бизнес: пути развития.- № 3(21) 2013.- С.61-64.
12. Высоцкая Е.А. Научно- методическое обоснование покомпонентного влияния почвенно-климатических условий Центрально-Черноземного региона на биоресурсный потенциал и продуктивность агроценозов с посевами сахарной свеклы и подсолнечника / Е.А. Высоцкая// Глобальный научный потенциал,-№ 3(24) 2013.- С.85-87.
13. Высоцкая Е.А. Анализ миграции тяжелых металлов в почвах и биологической продукции придорожных агроценозов Воронежской области / Е.А. Высоцкая// Перспективы науки.- № 3(42) 2013.- С.98-100.
14. Высоцкая Е.А. Концепция экологически- ориентированного управления функционированием, структурой и содержанием агроэкосистем / Е.А. Высоцкая// Наука и бизнес: пути развития.- № 7(25) 2013.- С.33-35.
15. Высоцкая Е.А. Экологические приоритеты поглощения тяжелых ме-
таллов фитомассой подсолнечника как средство управления оптимизацией биологической продуктивности и функционирования агроэкосистем ЦентральноЧерноземного района /Е.А. Высоцкая// Глобальный научный потенциал. -№7 (28)2013.- С.76-78.
Публикации в других изданиях
16. Высоцкая Е. А. Современные тенденции формирования экологической ситуации в сельскохозяйственных предприятиях свекловодческой специализации / А. А. Высоцкий // Территориальная организация общества и управления в регионах: Матер. VI Всеросс. науч.- практ. конф. Часть 2. Воронеж: ВГПУ, 2005.-4.II. - С. 61-64.
17. Высоцкая Е. А. Проблема заражения тяжелыми металлами почв сельскохозяйственных предприятий / А. А. Высоцкий // Наука и образование на службе лесного комплекса: Материалы междунар. научно- практической конференции. Т. 1. Фед. агентство по науке и инновациям, адм. Воронеж, обл.- Воронеж, гос. лесотехн. акад.- Воронеж, 2005 - С. 58-62.
18. Высоцкая Е. А. Использование сорбционных свойств сахарной свеклы для оптимизации качества почв в условиях ЦЧР /В. М. Воронин, А. А. Высоцкий// Опыт и проблемы природопользования при реализации президентских программ в Центральном Черноземье России/ ЦЧФ ФГУ «Госземкадастрсъем-ка» - ВИСХАГИ.- Воронеж: Изд-во ВГАУ.-Ч 1,2005.-С. 100-104.
19. Высоцкая Е.А. Агротехнические приемы оптимизации экологического состояния почв от тяжелых металлов свекловичных севооборотах /В. М. Воронин, А. А. Высоцкий// Опыт и проблемы природопользования при реализации президентских программ в Центральном Черноземье России/ ЦЧФ ФГУ «Гос-земкадастрсъемка»-ВИСХАГИ.Воронеж: Изд-во ВГАУ.-Ч 1, 2005.-С. 154-157.
20. Высоцкая Е.А. Научно-методические приемы воспроизводства и повышения биологического ресурса черноземов при загрязнении тяжелыми металлами на примере Эртильского района Воронежской области / Е.А. Высоц-кая//Достижения и перспективы естественных и технических наук: матер.II Междунар. науч- практ. конф. - Ставрополь: Логос, 2012 - С.148-151.
21. Высоцкая Е.А. Теоретические аспекты формирования покомпонентного состава агроценозов ЦЧР /Е.А. Высоцкая// Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания: Сб. матер. XII Молод. Междунар. Науч- практ. конф - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012 - С. 85-88.
22. Высоцкая Е.А. Особенности классификации фаунистического биоресурса агроценозов ЦЧР в условиях антропогенного прессинга /Е.А. Высоц-
кая// Инновации в науке: матер. XIV междунар. Заоч. Науч.- практ. конф. 4.1. (19 ноября 2012г.); Новосибирск: Изд. «СибАК», 2012,- С.128-131.
23. Высоцкая Е. А. Закономерности функционирования флоро - фауни-стических составляющих полевого агроценоза при интенсификации приемов антропогенного воздействия / Е. А. Высоцкая //Актуальные вопросы современной науки: сборник научных трудов. Выпуск 24 - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012.-С. 137-145.
24. Высоцкая Е.А.Теоретико-методологические подходы к изучению биологической продуктивности системы почва - агрофит при влиянии тяжелых металлов на процессы в агроценозе / Е. А. Высоцкая //Актуальные вопросы современной науки: сборник научных трудов. Выпуск 24 - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012.-С.146-154.
25. Высоцкая Е. А. Анализ влияния антропогенных факторов на свойства почв агроценоза и его биологическую продуктивность / Е.А. Высоцкая// Наука и современность- 2012: сб. матер. XIX междунар. науч. - практ. конф.: в 2-х частях. Ч.1.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012.-С. 167-171.
26. Высоцкая Е.А. Экологические проблемы антропогенного загрязнения почв агрохозяйств Центрального Черноземья / Е.А. Высоцкая// Экология, рациональное природопользование и охрана окружающей среды: сб. ст. по матер.II Всеросс. науч. практ. конф. с междунар. участ. школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых. Том I. Студенты, аспиранты и молодые ученые - Красноярск: Лф СибГТУ, 2012,- С. 24- 26.
27. Высоцкая Е.А. Современное состояние и приемы повышения продуктивности черноземов Воронежского региона / Е.А. Высоцкая// Тенденции и инновации современной науки: Матер. V междунар. науч.- практ. конф. (тезисы докладов). 20 декабря 2012г.: Сб. науч. тр. - Краснодар, 2012,- С. 52.
28. Высоцкая Е.А. Динамика продуктивности агроценозов ЦЧР с посевами сахарной свеклы на черноземах загрязненных тяжелыми металлами / Е.А. Высоцкая// Наука в XXI веке: глобальные вызовы современности: Матер. Меж-дуеар. Науч.-практ. конф. Самара Центр содействия научной интеграции, 31 декабря 2012г.: Изд-во «Самарский издательско-полиграфический техникум», 2012,- С.41-44.
29. Высоцкая Е.А. Проблема фитотоксичности почв агроценозов сельскохозяйственных предприятий Воронежской области, загрязненных тяжелыми металлами / Е.А. Высоцкая// Современное состояние естественных и технических наук: Матер. Междунар. науч.- практ. конф. (14.12.2012).- М.: Изд-во «Спутник+», 2012,-С. 179- 181.
30. Высоцкая Е.А. Практические аспекты оценки воздействия средств хи-
мизации на продуктивность почвенных ресурсов агроценозов Центрального Черноземья /Е.А. Высоцкая// Международный научно-исследовательский журнал. Екатеринбург,- 2013. -№ 1(8). 4.1.-С. 85-86.
31. Высоцкая Е.А. Использование деконтаминационных свойств культур пропашного севооборота в улучшении почвенного биоресурса агроценоза ЦЧР / Е.А. Высоцкая// Международный научно-исследовательский журнал. Екатеринбург. - 2013.-№ 1(8).Ч.1. - С. 87-88.
32. Высоцкая Е.А. Влияние динамики содержания отдельных тяжелых металлов в почве на ее продуктивность за вегитационный период свекловичного агроценоза / Е.А. Высоцкая// Приволжский научный вестник. Ижевск — 2013.-№ 1(17).-С. 27-29.
33. Высоцкая Е. А. Проблемы загрязнения черноземных почв агрохо-зяйств Воронежской области / Е.А. Высоцкая// Приволжский научный вестник. Ижевск,-2013.-№ 1(17).-С. 30-32.
34. Высоцкая Е.А. Повышение продуктивности пропашных агроценозов в условиях Центрального Черноземья / Е.А. Высоцкая// Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. Москва - 2013 - № 1(48).- С. 55-58.
35. Высоцкая Е.А. Экологические проблемы биоресурсного потенциала агроландшафтов Воронежской области / Е.А. Высоцкая// Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. Москва - 2013 - № 1 (48).- С.58-59.
36. Высоцкая Е. А. Экологически безопасные мероприятия по повышению продуктивности подсолнечника на черноземах в условиях Воронежской области / Е. А. Высоцкая // Молодой ученый. - 2013. - №1 (48).- С.428^31.
37. Высоцкая Е. А. Тенденции формирования высокой продуктивности агроценозов сельскохозяйственных предприятий свекловодческой специализации в условиях неблагоприятной экологической ситуации / Е. А. Высоцкая // Молодой ученый. - 2013. - №1 (48).-С.431-433.
38. Высоцкая Е. А. Проблемы, состояние, и биологическая продуктивность черноземных почв агроценозов Воронежской области / Е. А. Высоцкая // Перспективы и темпы научного развития: Сб. матер. 3-й междунар. науч.-практ. конф. 30-31 января 2013- Тамбов, 2013.- С. 46-48.
39. Высоцкая Е. А. Научно- практические подходы к дифференциации земель староосвоенных агропромышленных регионов с учетом качества и перспектив использования/ Е. А. Высоцкая // Проблемы современной науки: сборник научных трудов: вып. 6,- Ставрополь: Логос, 2012 - С. 16-22.
40. Высоцкая Е. А. Научные основы управления динамикой продуктивности сахарной свеклы в агроценозах Воронежского региона / Е. А. Высоцкая //
Проблемы современной науки: сборник научных трудов: вып. 6.- Ставрополь: Логос, 2012,- С.119-124.
41. Высоцкая Е. А. Тяжелые металлы в полевом агроценозе и их воздействие на продукцию растениеводства /Е.А. Высоцкая// Теория и практика современной науки: материалы VIII Международной научно-практической конференции, г. Москва, 26-27 декабря 2012 г. В 3 т.: т. II / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований». - Москва : Изд-во «Спецкнига», 2012.-С. 59-61.
42. Высоцкая Е. А. Ресурсный потенциал сортов и гибридов сахарной свеклы, возделываемых на загрязненных воронежских черноземах /Е.А. Высоцкая// Ресурсный потенциал растениеводства- основа обеспечения продовольственной безопасности: Труды Международной заочной научно-практической конференции (10 декабря 2012г.).- Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2012.- С.111-112.
43. Высоцкая Е. А. Агротехнические и мелиоративные приемы повышения биологической продуктивности почв Воронежской области / Е.А. Высоцкая// Приволжский научный вестник. Ижевск - 2013 - № 2(18).- С.51-53.
44. Высоцкая Е. А. Некоторые аспекты решения экологических проблем безопасности техногенно- загрязненных агроландшафтов /Е.А. Высоцкая// Проблемы и перспективы обеспечения комплексной безопасности личности и общества в условиях современности: Матер. I науч.- практ. конф. с междунар. участием. Выпуск I,- Воронеж: Наука- Юнипресс., 2012.- С. 75-77.
45. Высоцкая Е. А. Методы детоксикации почв агроценозов Воронежской области /Е.А. Высоцкая// Проблемы и перспективы обеспечения комплексной безопасности личности и общества в условиях современности: Матер. I науч,-практ. конф. с междунар. участием. Выпуск I,- Воронеж: Наука- Юнипресс., 2012,- С. 78-80.
46. Высоцкая Е. А. Практические подходы к регулированию качества и урожайности продукции растениеводства в агроценозах Воронежской области /Е.А. Высоцкая// Сельскохозяйственные науки и агропромышленный комплек-сина рубеже веков: сборник материалов I Междунар. науч.- практ. конф.- Новосибирск, 15 марта 2013г.: ООО агентство «СИБПРИНТ».-2013.- С.43-47.
47. Высоцкая Е. А. Практические приемы оптимизации продуктивности биологических ресурсов агроценозов ЦЧР при загрязнении тяжелыми металлами / Е.А. Высоцкая// Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы: материалы IV Международной научно- практической конференции. - Ставрополь: Логос, 2013.- С. 112-116.
48. Высоцкая Е. А. Научно- методические основы оптимизации среды обитания почвенной мезофауны агроценоза, как средство повышения его продуктивности /Е.А. Высоцкая// Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы: материалы IV Международной научно- практической конференции. - Ставрополь: Логос, 2013,- С. 116-120.
49. Высоцкая Е. А. Оценка качественного состояния почвенных ресурсов Воронежской области, как основа оптимизации аграрного производства /Е.А. Высоцкая// Глинковские чтения: Матер, междунар. Науч.- практ. конф., посвященной 100- летию факультета агрономии, агрохимии и экологии, Ч.Н, 22-24 апреля 2013г.- Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский ГАУ», 2013,- С.190-194
50. Высоцкая Е. А. Практические приемы возделывания некоторых технических культур и их продуктивность в условиях почвенного загрязнения аг-роценозов Воронежской области Е.А. Высоцкая// Глинковские чтения: Матер, междунар. Науч.- практ. конф., посвященной 100- летию факультета агрономии, агрохимии и экологии, Ч.П, 22-24 апреля 2013г.- Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский ГАУ», 2013.- С. 194- 197.
Отпечатано с готового оригинал - макета Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 2,8 Тираж 100 экз. Заказ №528
Издательство РГАУ -МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская,44 Тел.: (499)977-00-12, 977-26-90, 977-40-64
Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Высоцкая, Елена Анатольевна, Воронеж
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный педагогический университет»
На правах рукописи
05201450072
ВЫСОЦКАЯ ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО состояния и ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ЧЕРНОЗЕМНЫХ АГРОЭКОСИСТЕМ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЦЧР В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ
Специальность: 03.02.08 - экология (биологические науки)
Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук
Научный консультант:
Доктор биологических наук, профессор Васенев Иван Иванович
Воронеж- 2013
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
I ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ АГРОЭКОСИСТЕМ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ЦЧР В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ
1.1. Оптимизация экологического состояния базовых компонентов и биологической продуктивности агроценоза как части агроэкосистемы
1.2. Анатомо-физиологические особенности роста и развития сахарной свеклы и подсолнечника
18
28
1.3 Тяжелые металлы в системе почва-растение агроэкосистем 34
1.4. Экологическое влияние тяжелых металлов на базовый биотический компонент агроэкосистемы ^2
1.5. Оптимизация агроэкосистем в условиях повышенной антропогенной нагрузки 54
II ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 59
2.1. Покомпонентный анализ абиотических факторов формирования черноземных агроэкосистем восточной
части ЦЧР 59
2.2. Краткое описание объектов и методов исследования 72
III АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ АГРОЭКОСИСТЕМ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ 84
IV ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ БАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ АГРОЭКОСИСТЕМ С ПОСЕВАМИ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ
96
4.1. Источники поступления тяжелых металлов в базовые 96 компоненты агроэкосистем с посевами сахарной свеклы
4.2. Экологическая оценка тяжелых металлов в биологической продукции агроэкосистемы с посевами сахарной свеклы Ю5
4.3. Накопление тяжелых металлов и микроэлементов в фитомассе сахарной свеклы 126
4.4. Динамика нарастания сухого вещества 131
4.5. Влияние тяжелых металлов в почве на урожайность и 143 биологическую продуктивность сахарной свеклы
V ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ 151 ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ БАЗОВЫХ КОМПОНЕНТОВ АГРОЭКОСИСТЕМ С ПОСЕВАМИ ПОДСОЛНЕЧНИКА
5.1. Источники поступления тяжелых металлов в 151 агроэкосистемы с посевами подсолнечника
5.2. Содержание тяжелых металлов в фитомассе подсолнечника 158
5.3. Уровни содержания отдельных элементов в фитомассе подсолнечника по фазам вегетации 167
5.4. Интенсивность биологического поглощения тяжелых металлов фитомассой подсолнечника 175
5.5. Анализ биологических особенностей накопления тяжелых металлов в разных органах подсолнечника 184
VI ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕРНОЗЕМНЫХ АГРОЭКОСИСТЕМ С ПОСЕВАМИ ПОДСОЛНЕЧНИКА В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОЙ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ 194
6.1. Оценка экологического состояния агроэкосистем подсолнечника при загрязнении тяжелыми металлами 194
6.2. Биологическая продуктивность черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР с посевами подсолнечника в
условиях повышенной антропогенной нагрузки 207
6.3. Регулирование экологического состояния базовых компонентов агроэкосистем с посевами подсолнечника в условиях повышенной антропогенной нагрузки 211
VII ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ КУЛЬТУР В АГРОЭКОСИСТЕМАХ ЦЧР С ПОВЫШЕННОЙ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКОЙ 218
VIII ЭКОДИАГНОСТИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПОЧВЕННОЙ ФАУНЫ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ПОЧВ ИССЛЕДУЕМЫХ АГРОЭКОСИСТЕМ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ 224
IX ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ РАЙОНИРОВАННЫХ СОРТОВ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ И ПОДСОЛНЕЧНИКА В СЕВООБОРОТАХ С КОРОТКОЙ РОТАЦИЕЙ 232
ВЫВОДЫ 237
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 241
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 242
ПРИЛОЖЕНИЯ 278
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных проблем современной экологии является антропогенная деградация базовых компонентов агроэкосистем в условиях повышенной агрогенной и техногенной нагрузки («Агроэкология», 2000; 2004). Локально идущая интенсификация сельскохозяйственного производства обусловливает необходимость уточнения научно обоснованных и экспериментально подтвержденных компромиссов между экономическими интересами сельхозтоваропроизводителей и необходимостью экологически рациональной организации землепользования с минимизацией рисков деградации качества почв и загрязнения получаемой продукции (Каштанов, 1993; Кирюшин, 2000; Козловский, 2003; Васенев и др., 2010; Гогмачадзе, 2010; Добровольский и др., 2010; Черников и др., 2013).
Концепция перехода к устойчивому развитию, утвержденная указом Президента РФ от 01.04.1996 г. № 440, указывает на необходимость обеспечения такого взаимодействия общества и природных систем, при котором исключаются процессы разрушения и деградации окружающей среды. Согласно Экологической доктрине РФ (распоряжение Правительства РФ от 31.08.2002 г. № 1225), «устойчивое развитие России, высокое качество жизни и здоровья населения может быть достигнуто только при условии, если будет обеспечено сохранение надлежащего качества природных систем, несмотря на увеличение темпов экономического роста и постоянное антропогенное воздействие».
Одной из главных причин нестабильности сельскохозяйственного производства является разбалансированность взаимодействия факторов интенсификации и существующих систем земледелия с биологическим потенциалом аграрных ландшафтов. Возрастающие антропогенные нагрузки на почву и на связанные с нею компоненты агрофитоценоза усилили экологическую напряженность.
До недавнего времени в нашей стране проблема загрязнения среды, и в том числе биологических ресурсов, тяжелыми металлами замалчивалась. Теперь ограничения на публикацию таких материалов сняты. Стало известно об уровнях содержания тяжелых металлов в почвах и растениях. Росприроднадзор ежегодно публикует доклады, в которых приводит сведения о тех зонах, где содержание тяжелых металлов в почвах превышает ПДК. В окрестностях практически всех крупных городов обнаруживают очаги экологически опасного накопления тяжелых материалов в почве. Во всех международных документах, посвященных проблемам биосферы и окружающей среды, они неизменно фигурируют в качестве наиболее опасных загрязнителей.
Соответствующие службы многих государств контролируют содержание тяжелых металлов в объектах окружающей среды и продуктах питания. Разрабатываются приемы производства сельскохозяйственной продукции в условиях загрязнения, уменьшающие риск попадания токсикантов с продуктами питания в организм человека. Важность этого направления работы трудно переоценить, т. к. исключить присутствие тяжелых металлов в большинстве случаев нельзя, поэтому необходимо использовать все способы и возможности для ведения сельского хозяйства в условиях загрязнения при минимальном риске для здоровья человека.
Проблема загрязнения окружающей среды в последнее время привлекает большое внимание. Из антропогенных источников загрязняющие вещества поступают в природную среду, почвы, часть из которых поглощается сельскохозяйственными культурами, создавая опасность для здоровья человека их потребляющего, часть остается в природной среде, нарушая естественный баланс экосистем биологических ресурсов.
На современном этапе в сельскохозяйственном производстве сахарная свекла и подсолнечник являются одними из ведущих культур, имеющих большое экономическое значение. Как экономически выгодные культуры они
присутствуют в большинстве полевых севооборотов Центрально-Черноземного региона. В современных аграрных хозяйствах при их возделывании используют различные агротехнические приемы, некоторые из них негативно отражаются не только на продукции растениеводства, но и на компонентах агроэкосистем, нарушая природный баланс и здоровье человека.
Сахар находится в ряду незаменимых продовольственных продуктов, что определяет важность развития в стране свеклосахарного производства. Основным регионом по выращиванию сахарной свеклы и производству сахара является Центральное Черноземье, где значительный удельный вес занимает Воронежская область. Потенциальный урожай данной культуры в ЦЧР достаточно большой, однако он не реализуется в современных условиях свеклосеющих хозяйств.
Сахарная свекла, как и другие растения, интенсивно поглощает тяжелые металлы, таким образом, актуальным направлением исследований в с.-х. науке становится необходимость подбора сортов и гибридов сахарной свеклы, незначительно реагирующих на условие загрязнения почвенной среды агроэкосистемы тяжелыми металлами и показывающих в данных условиях хорошую продуктивность.
Подсолнечник, являясь основной масличной культурой региона, избирательно и интенсивно поглощает тяжелые металлы. Доля посевов подсолнечника в структуре посевных площадей неуклонно увеличивается, а размещение их вдоль автотрасс повышает вероятность загрязнения продукции тяжелыми металлами. Данная культура способна интенсивно аккумулировать тяжелые металлы, что сказывается как на его продуктивности, так и на качестве производимого масла.
Современные процессы интенсификации сельскохозяйственного производства предусматривают использование в системе растениеводства большого набора агрохимикатов, содержащих широкий комплекс биофильных ионов тяжелых металлов, активно поглощаемых
выращиваемыми техническими культурами и адсорбируемых почвенным поглощающим комплексом (Гуреев, 2004; Минеев, 2007; Черников и др., 2009; Гогмачадзе, 2010; Жуков, Батура, 2010).
Помимо средств химизации сельского хозяйства тяжелые металлы содержатся в выбросах промышленных предприятий и транспорта, а значительная их часть поступает в агроэкосистемы из атмосферы путем оседания.
В настоящее время в большинстве случаев рассматриваются только экономические аспекты возделывания сахарной свеклы и подсолнечника, тогда как техногенное загрязнение среды тяжелыми металлами и его влияние на продуктивность разных сортов и гибридов, а также теллерантность и деконтаминационные свойства этих культур изучены недостаточно.
В этом отношении особый интерес представляет изучение возможности использования севооборотов с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы для повышения деконтаминационных свойств агроэкосистем.
В связи с приходом в Центрально-Черноземный регион новых инвесторов и постоянно нарастающим производством наиболее рентабельных, но объемных технических культур, возникает необходимость максимального использования наиболее доступных для транспорта и обеспеченных производственной инфраструктурой земельных ресурсов, включая земли придорожных агроландшафтов. Несмотря на их относительно повышенное загрязнение, такие земли активно используются в большинстве стран Западной и Центральной Европы, поскольку имеют хорошую транспортную доступность для сельскохозяйственной техники.
В России они, как правило, выведены из активного сельскохозяйственного использования в системе основных полевых севооборотов, следствием чего является не вовлечение в хозяйственный оборот тысяч га
плодородных и удобно расположенных черноземов (Гогмачадзе, 2010).
Согласно принятым в России нормативам, придорожные полосы устанавливаются с каждой стороны полосы отвода в зависимости от категории дорог шириной: для автомобильных дорог V категории - 25м, IV и III категорий - 50 м., I-II категорий - 75 м (ФЗ- №257 от 8.11.2007, в ред.от 3.12.12). По данным Главного управления автомобильных дорог и дорожной деятельности Воронежской области (2012), протяженность дорог общего пользования на ее территории составляет 9403,7 км при площади территории Воронежской области - 52,4 тыс. квадратных километров (табл. 1).
Таблица 1 - Сравнительный анализ протяженности автомобильных дорог региона и района исследований
Территория Протяженность автодорог, км
Центрально-Черноземный регион, всего 46141,7
Воронежская область, всего 9403,7
в т.ч. федеральных 801,8
плотность дорог общего пользования Воронежской области, на тысячу квадратных километров 179,5
Эртильский район Воронежской области, всего 253,4
Исходя из вышеизложенного, становится очевидной актуальность работы, посвященной изучению приемов агротехнологической оптимизации экологического состояния техногенно загрязненных агроландшафтов с помощью сельскохозяйственных культур и повышения продуктивности биологических ресурсов сахарной свеклы и подсолнечника в условиях неблагоприятной экологической обстановки, а также обоснование возмож-
ности использования придорожных территории в сельскохозяйственном производстве.
В качестве объекта исследования были выбраны придорожные агро-экосистемы Центрально-Черноземного района, загрязненные тяжелыми металлами с посевами технических культур. Предметом исследования являлась экологическая оценка деконтаминационной активности и биологической продуктивности сорта сахарной свеклы Рамонская односемянная-47, гибрида ФрейяР1 и гибридов подсолнечника ПР62А91и ПР63А83 при регулировании экологического состояния базовых компонентов агроэкосистем ЦЧР, загрязненных тяжелыми металлами вдоль дорог IV категории.
Цель работы состоит в проведении комплексных агроэкологических исследований базовых компонентов представительных придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России (ЦЧР) в условиях повышенной антропогенной нагрузки на них от автомобильного транспорта и интенсивных технологий выращивания подсолнечника и сахарной свеклы - с оценкой воздействия на их экологическое состояние повышенной концентрации тяжелых металлов и возможности их использования в интенсивных полевых севооборотах.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Системный анализ основных экологических рисков и регионально-типологических особенностей функционирования базовых компонентов (почвы, растительность) представительных вариантов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы.
2. Исследование сезонной и многолетней динамики содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах черноземов придорожных
агроэкосистем с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы в севооборотах с короткой ротацией культур.
3. Оценка воздействия автотранспорта и областной дорожной сети на экологическое состояние черноземов придорожных агроэкосистем восточной части ЦЧР и выращиваемых на них районированных сортов сахарной свеклы и подсолнечника.
4. Биологическая диагностика экологического состояния черноземов с изучением аборигенных видов почвенных беспозвоночных на предмет содержания в них тяжёлых металлов в условиях различного уровня антропогенной нагрузки в условиях исследуемых агроэкосистем.
5. Анализ лимитирующих факторов биологической продуктивности и устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами районированных сортов сахарной свеклы и подсолнечника в условиях придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземья.
6. Уточнение рационального размера придорожной полосы в условиях представительных вариантов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы.
7. Оценка эколого-биологической и экономической эффективности возделывания основных технических культур ЦЧР (подсолнечника и сахарной свеклы) в придорожных черноземных агроэкосистемах с повышенной антропогенной нагрузкой на них от автотранспорта и интенсивных агротехнологий.
Научная новизна работы состоит в проведении системного анализа основных экологических рисков и регионально-типологических особенностей функционирования базовых компонентов придорожных черноземных агроэкосистем с разработкой модели минимизации рисков при
использовании интенсивных технологий выращивания подсолнечника и сахарной свеклы. Комплексный анализ ресурсного экологического потенциала и биологической продуктивности базовых компонентов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки позволил выявить основные закономерности разнонаправленной сезонной динамики подвижных форм тяжелых металлов в верхних почвенных горизонтах и их содержания в различных частях выращиваемых растений.
В зоне 0-20 м от автодороги менее интенсивно развивалась листовая поверхность сахарной св
-
Высоцкая, Елена Анатольевна
-
доктора биологических наук
-
Воронеж, 2013
-
ВАК 03.02.08
- Антропогенная динамика и биодиагностика экологического состояния черноземов ЦЧР
- Трансформация азота и функционирование агроэкосистем в звене севооборота на серой лесной почве лесостепи Предбайкалья
- Оценка экологического состояния серой лесной почвы в агроэкосистемах в зависимости от приемов основной обработки почвы
- Экологическая оценка влияния интенсивной сельскохозяйственной деятельности на состояние агроэкосистем в условиях лесостепной зоны Центрально-Чернозёмного района
- Антропогенная нагрузка на фитоценозы в агроэкосистемах пригородной зоны
