Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оценка экологического состояния серой лесной почвы в агроэкосистемах в зависимости от приемов основной обработки почвы

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Оценка экологического состояния серой лесной почвы в агроэкосистемах в зависимости от приемов основной обработки почвы"

и-5 г;

2983 Л Об'- Й

/

На правах рукописи

Зинченко Владимир Сергеевич

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРИЕМОВ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

Специальность 03.02.08 — экология (биология) 03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владимир-2011 , л/.)' ? '1 л

Работа выполнена на кафедре почвоведения в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Мазиров Михаил Арнольдович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Гончаров Владимир Михайлович

доктор биологических наук, профессор Надежкина Елена Валентиновна

Ведущее предприятие: Государственное научное учреждение

Всероссийский научно - исследовательский

институт органических удобрений

Россельхозакадемии

(ГНУ ВНИИОУ Россельхозакадемии )

Защита диссертации состоится 9 декабря 2011 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.025.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, факультет химии и экологии, диссертационный совет ДМ 212.025.07.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, можно присылать по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, кафедра экологии.

Автореферат разослан М/М^Ж^УИИ года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Мищенко Н.В.

^дарственная библиотека 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экологические функции почвы очень динамичны и обладают высокой степенью изменчивости свойств и состава, что делает эту важнейшую для биосферных процессов субстанцию чрезвычайно чувствительной к влиянию хозяйственной деятельности человека. Негативные изменения свойств почвы, являющиеся последствиями сельскохозяйственной деятельности, послужили основанием перехода к модели устойчивого развития и возникновению новой парадигмы природопользования - экологизации земледелия.

Создание современной методологии оптимизации агроэкосистем на ландшафтной и экологической основе (Кирюшин, 2000) требует глубокого агроэкологического анализа состояния параметров плодородия и продуктивности почв конкретной региональной территории, в каждой зоне, районе, хозяйстве.

Почвенный покров Опольной зоны Владимирской области представлен в основном серыми лесными почвами (220 тыс. га), которые отличаются высоким плодородием и обеспечивают получение 70% всей сельскохозяйственной продукции в области. Вовлечение серых лесных почв в сельскохозяйственное производство, сопровождающееся сменой растительности, мелиорацией, внесением минеральных удобрений, многократными механическими обработками, часто приводит к негативным, иногда необратимым явлениям и в целом к изменению естественных процессов почвообразования.

В процессе хозяйственного воздействия человека агрофизические свойства почвы существенно меняются. Для снижения этих неблагоприятных тенденций необходимы новые подходы к природоохранной обработке почвы и природоохранной агротехнике (Милащенко, 2000; Каштанов, 2008; Мель-цаев, 2009; Мазиров, 2010). Это будет способствовать значительному сокращению процессов эрозии, расхода топлива на производство урожая и загрязнению окружающей среды.

Изучение состояния серых лесных почв Владимирского ополья, как природных компонентов, их изменения под влиянием различных приемов обработки, требует комплексного исследования их состава и свойств, степень изученности которых неодинакова. Это обстоятельство и послужило основанием для проведения данного исследования, результаты которых представлены в нашей работе.

Цель и задачи исследований. Целью данной работы является изучение влияния агрогенной нагрузки (приемов основной обработки) в агроэко-системах на экологическое состояние серой лесной почвы.

Задачи исследований:

з

I. Дать агроэкологическую оценку влияния приемов основной обработки серых лесных почв на регулирование ее агрофизических свойств.

2. Выявить зависимость миграции нитратного азота от приемов основной обработки почвы.

3. Исследовать экологическое состояние серых лесных почв по биологическим показателям в зависимости от степени антропогенной нагрузки.

4. Оценить влияние приемов основной обработки почвы на накопление тяжелых металлов (свинца и кадмия) в пахотном слое серой лесной почвы.

5. Выявить эффективность и продуктивность агроэкосистем в зависимости от приемов основной обработки серых лесных почв.

Научная новизна. В условиях Владимирского ополья впервые проведены исследования по изучению влияния агрогенной нагрузки (приемов основной обработки) на экологическое состояние агроэкосистем серой лесной почвы. Дана агроэкологическая оценка антропогенного влияния приемов основной обработки серых лесных почв на ее структуру и гранулометрический состав, плотность сложения и водный режим.

Показано, что применение глубоких обработок на 20-22 и 28-30 см способствует вымыванию нитратного азота из корнеобитаемого слоя зерновых культур. Выявлены количественные параметры изменения биологических свойств серых лесных почв под влиянием приемов основной обработки. Установлено, что агроэкосистемы с ежегодной безотвальной обработкой на 6-8 и 20-22 см обуславливают меньшую эмиссию N2О из серой лесной почвы, чем ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см.

Определено, что длительное применение ежегодной отвальной вспашки на 20-22 см способствует увеличению содержания в почве валовых форм свинца и кадмия по сравнению с его фоновым содержанием.

Установлено, что применение в агроэкосистемах приемов безотвальной обработки на 6-8 и 20-22 см, вместо отвальной вспашки на 20-22 см, обеспечивает снижение расхода дизельного топлива на производство 1 центнера зерна на 32 и 14 %, потребность рабочего времени на 25, 12% соответственно.

Практическая значимость работы. Полученные результаты позволяют дать практические рекомендации по использованию приемов основной обработки серых лесных почв под озимую рожь с учетом оптимизации эколого- биологического состояния агроэкосистем.

Материалы исследований вошли в региональные рекомендации по освоению адаптивно - ландшафтных систем земледелия во Владимирской области и учебное пособие. Результаты исследований по экологической оценке состояния серой лесной почвы агроэкосистем используются в учебном процессе факультета химии и экологии ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Нанобиотехнологии в сельском хозяйстве», г.Москва, 2008; Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и диверсификация как новый этап развития идей А.И.Бараева о почвозащитном земледелии», Республика Казахстан, Шор-танды, 2008; Conference information themes & contents author index. Ege University Faculty of Agriculture Department of Agricultural Machinery 35100 Bornova-izmir, Turkey, 2009; Международной научно-практической конференции «Эрозия почв: проблемы и пути повышения эффективности растениеводства», г. Ульяновск, 2009; Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии обработки почвы в адаптивном земледелии», г. Москва, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе в изданиях ВАК РФ - 3, одно методическое руководство.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 161 странице машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов и практических рекомендаций. Экспериментальный материал представлен в 10 таблицах, 25 рисунках и 12 приложениях. Список используемой литературы состоит из 244 наименований, в том числе 21 зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ НА ПОЧВУ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ АГРОЭКОСИСТЕМ

В главе 1 представлены основные понятия о влиянии антропогенных факторов (приемы основной обработки) на формирование агрозкосистем. Описано управление экологическим состоянием агрозкосистем по средствам приемов основной обработки. Отмечено влияние приемов обработки на биологические, агрохимические и водно-физические свойства почв в агроэкосистемах.

ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились в Опольной зоне Владимирской области. Погодные условия в годы исследований (2008-2010 гг.) отражали климатические особенности региона. Формирование агроценозонов в севообороте (овес с подсевом клевера-клевер 1-го года-клевер 2-го года-озимая рожь-яровая пшеница-ячмень) проводили с использованием приемов основной обработки почвы: 1-ежегодная мелкая безотвальная обработка на 6-8 см; 2-ежегодная безотвальная обработка на 20-22 см; 3-ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см; 4-ярусная вспашка на 28-30 см через четыре года, в остальные годы отвальная вспашка на 20-22 см; 5-ярусная вспашка на 28-30 см

через четыре года, в остальные годы мелкая безотвальная обработка на 6-8 см. В период исследования в опыте возделывался клевер красный (Trifolium pretense L.) сорта Марс и озимая рожъ (Seeale cereale L.) сорта Память Кондратенко. Повторность опыта 4-х кратная, площадь делянки 360 м2. Опыт заложен в 1986 году в ГНУ Владимирский НИИСХ. Для контроля был выбран участок залежи (более 30 лет не обрабатывался). Почва - серая лесная среднесуглинистая, пахотный слой характеризуется следующими агрохимическими показателями: содержание гумуса 2,5 %, подвижных форм Р205 и К20 - 15 и 13,8 мг/100г почвы соответственно, рНС0Л = 5,8.

Исследования проводились с использованием следующих методик: плотность сложения почвы - методом цилиндров по С.И. Долгову (1986); влажность почвы до глубины 1 метр по ГОСТу 28268 - 89; структура почвы - по И.И. Савинову (1986), водопрочность почвенных агрегатов - по И.М. Бакшееву (1969); гранулометрический и микроагрегатный состав почвы - по H.A. Качинскому (1983); нитратный азот в слое почвы 0-200 см по ГОСТ 26483 - 85 - ГОСТ 26490 - 85; разложение клетчатки аппликационным методом по М.С. Востровой и А.Н. Петровой (1961); активность каталазы

газометрическим методом (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1990); кумулятивную эмиссию N20 методом закрытых камер (Бучкина, 2008); анализ проб воздуха при помощи газового хроматографа с детектором электронного захвата для измерения концентрации С02 и N20 в пробах воздуха (1974); определение содержания органического углерода в почве по ГОСТу 26213 - 91; определение валового содержания кадмия и свинца по ПНД 16.1 : 2.2 : 2.3. 36 - 02. Экономическая оценка рассчитывалась по методике А.Т. Волощука и др. (2003). Результаты исследований анализировали математическими методами статистического и дисперсионного анализа (Доспехов, 1985), с применением программ Statistic.

ГЛАВА 3. АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ НА РЕГУЛИРОВАНИЕ АГРОФИЗИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ

3.1. Влияние приемов основной обработки на структуру почвы

Наблюдения проводились в зернотравяном севообороте, где изучаемые варианты основной обработки применяются в течение 25 лет. Видимо этого срока достаточно, чтобы выявить достоверное антропогенное влияние приемов основной обработки почвы на формирование агроэкосистем.

Для характеристики длительного применения приемов основной обработки на структуру почвы использовали коэффициенты структурности. Длительное антропогенное воздействие не привело к увеличению пылеватой фракции (0,5-0,9%) в агроэкосистемах. Наиболее высокое ее содержание

отмечено на участке залежи и при ежегодной безотвальной обработке на 6-8 см - 0, 9% (НСР05=0,2%).

Процесс формирования мегаструктуры наиболее выражен в агроэко-системе с ежегодной мелкой безотвальной обработкой на 6-8 см. Ее значения составили - 64,1%. На залежном участке - 40,6% ( НСР 05 =7,5%).

Благоприятные условия для формирования водопрочных агрегатов, в сравнении с залежным участком (87,7%), складывались в почве, обрабатываемой ежегодно безотвально на 6-8 см (79,4%) или при чередовании ее с ярусной вспашкой на 28-30 см (76,6%) (HCP0s=3,l%). Избыточно высокая водопрочность отмечается и на варианте с ежегодной безотвальной обработкой на 20-22 см - 76,6%. На остальных вариантах этот показатель был в пределах от 72,0 до 72,1% .

Антропогенное влияние, механических обработок серых лесных почв приводит к снижению макроструктуры и увеличению мегаструктуры, ухудшению условий формирования водопрочных агрегатов. Наиболее благоприятные условия для формирования водопрочной структуры складываются при ежегодном безотвальном рыхлении на 6-8 см.

3.2. Влияние приемов основной обработки на гранулометрический

состав почвы

Основным почвообрабатывающим орудием в Опольной зоне, является отвальный плуг. Применение его приводит к формированию уплотненного слоя ниже глубины обработки - плужной подошвы. По утверждению ряда исследователей этот слой формируется по различным причинам. Наиболее объективной, как утверждают П.А. Костычев, А.И. Соколовский (1971), Н.П. Чижикова (1998), A.A. Гольева (2008), Н.С. Матюк (2010), является вымывание органических и минералорганических коллоидов из обработанного отвально рыхлого слоя. В не обработанном нижележащем горизонте они задерживаются, формируя уплотненный слой почвы. Проведение гранулометрического и микроагрегатного анализов, изучаемых агроценозов, позволяет рассмотреть показатели микроагрегированности серой лесной почвы и их потенциальную способность к микроагрегированию. Определение гранулометрического состава серой лесной почвы позволило рассчитать коэффициент полидисперсности (рис.1).

Для залежи коэффициент полидисперсности возрастает от 11% на глубине 0-10 см до 43,1% на глубине одного метра. На варианте с ежегодной мелкой обработкой на 6-8 см представлено аналогичное плавное распределение по профилю коэффициента полидисперсности (рис. 1а,б). В почвах с ежегодной отвальной вспашкой на 20-22 см на глубине 30-40 см, то есть под плужной подошвой, наблюдается минимальное значение этого коэффициента (рис. 1в). На варианте с периодической ярусной вспашкой на 28-30 см

снижение значений этого показателя также отмечается под плужной подошвой на глубине 40-60 см.

0 20 40 60 6.% Ц 20 40 60 6.%

а - залежь; б - ежегодная мелкая безотвальная обработка на 6-8 срл; в - ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см; г - периодическая ярусная вспашка на 28-30 см Рисунок 1. Изменение коэффициента полидисперсности по профилю почвы

Снижение коэффициента полидисперсности свидетельствует, что на глубине ниже плужной подошвы формируется слой более грубодисперсной почвы.

Наблюдения за «фактором структурности» (Кс) (рис. 2), характеризуют водоустойчивость микроагрегатов и потенциальную способность почвы к оструктуриванию. На залежи и на варианте с ежегодной мелкой обработкой на 6-8 см, снижение этого показателя отмечается только в верхних слоях. Отвальная вспашка на 20-22 см обеспечивает уменьшение значений фактора структурности в слоях 30-40 см, 40-60 и 60-80 см, а периодическая ярусная вспашка на 28-30 см в слое почвы 40-60 и 60-80 см (рис. 2в,г)

° . ц4|° 6,° У К' °/° 0 40 60 80 100 К.%

а - залежь; б - ежегодная мелкая безотвальная обработка на 6-8 см; в - ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см; г - периодическая ярусная вспашка на 28-30 см Рисунок 2. Изменение фактора структурности по профилю почвы

Таким образом, активность преобразования микроагрегированности почвы зависит от типа антропогенного воздействия. Ежегодная безотвальная обработка почвы на 6-8 см в сравнении с залежью не оказала влияния на микроагрегированность почвы, что не привело к формированию плужной подошвы. Активное агрогенное воздействие на почву в результате ежегодной отвальной вспашки на 20-22 см вызывает изменение микроагрегированности почвы и образования плужной подошвы в слое 20-30 см.

3.3. Влияние приемов основной обработки на плотность сложения почвы

Оптимальная величина объемной массы для озимой ржи, возделываемой на тяжелом и среднем суглинке, составляют соответственно,

как 1,15-1,40 г/см3 и 1,25-1,40 г/см3 (Королев, 1970). Перед обработкой под озимую рожь в агроэкосистемах (в слое почвы 0-3 0см) плотность сложения находилась в интервале от 1,36 до 1,54 г/см3. Проведение основной обработки на 20-22 и 28-30 формировала излишне рыхлый пахотный слой для возделывания озимой ржи - 1,01-1,13 г/см3. Оптимальные показатели складывались в агросистеме с ежегодной мелкой безотвальной обработкой на 6-8 см -1,21 г/см3. После сева наиболее рыхлая почва формировалась в агросистемах с обработкой на 28-30 см - 1,16-1,19 г/см3. На остальных вариантах она был в оптимальном интервале плотности сложения - 1,32-1,38 г/см3 (НСР05=0,08 г/см3). К возобновлению вегетации озимой ржи весной в агросистемах с ярусной вспашкой на 28-30 см почва уплотнялась и достигала - 1,29-1,30 г/см3. На остальных вариантах наблюдалось разуплотнение почвы до 1,301,34 г/см3 (НСРо5=0,07 г/см3). К фазе колошения происходило дальнейшее увеличение объемной массы во всех агросистемах до уровня 1,30-1,36 г/см3 (НСРм =0,09 г/см3). К уборке плотность сложения почвы, продолжала увеличиваться и достигала максимального предела оптимального интервала на вариантах с ярусной вспашкой - 1,40 г/см3. В оптимальном интервале она была на вариантах с безотвальным рыхлением и отвальной вспашкой на 2022 см - 1,37 г/см3. При безотвальной обработке на 6-8 см объемная масса в пахотном слое превышала оптимальный уровень, но находилась у максимального предела этой величины -1,41 г/см3 (НСР05=0,06 г/см3).

Обработка на 6-8 см, вместо безотвального рыхления и отвальной вспашки на 20-22 см и ярусной вспашки на 28-30 см, формирует оптимальную плотность сложения серой лесной почвы. Отвальная вспашка на 20-22 см и ярусная вспашка на 28-30 см к посеву озимой ржи обуславливает избыточно рыхлый пахотный слой (1,01 -1,06 г/см3).

3.4. Влияние приемов основной обработки на водный режим почвы

В агроэкосистемах в годы исследований в ноябре запасы продуктивной влаги в метровом слое были на одном уровне и составили - 149,5-162,7 мм (Рф <РТ). К возобновлению вегетации озимой ржи они колебались от 182,7 до 209,9 мм. Высокие запасы продуктивной влаги отмечались на вариантах, обработанных на 20-22 и 28-30 см - 198,4-209,9 мм (НСР03=13,3 мм). К формированию репродуктивных органов растений запасы продуктивной влаги в агроэкосистемах составляли - 134,7-149,3 мм (Рф <РТ). В период полной спелости запасы влаги соответствовали - 85,1-114,3 мм. Наиболее высокие показатели отмечались в агроэкосистемах с периодической ярусной вспашкой на 28-30 см - 112,6-114,3 мм. При безотвальном рыхлении на 6-8 и 20-22 см, отвальной вспашки на 20-22 см они составили соответственно 85,1; 90,2 и 91,9 мм (НСР05=21,3 мм).

В условиях периодически промывного водного режима к ноябрю и к возобновлению вегетации озимой ржи запасы продуктивной влаги в метровом слое не зависели от глубины рыхления, приема основной обработки и были на уровне соответственно как - 149,5-162,7 мм и 182,7-209,9 мм.

3.5. Миграция нитратного азота в зависимости от приемов основной

обработки почвы

Наблюдения за формированием фонда минерального азота и миграцией неиспользованных нитратов за пределы корнеобитаемого слоя почвы выявили определенные закономерности. Ежегодная безотвальная обработка на 6-8 см под зерновые культуры в течение четырех лет, приводит к накоплению нитратного азота на глубине 100-130 см до значений 1,0-1,9 мг/100 г почвы (рис. За).

мг/100 г почвы

мг/100 г почвы

а: 1 - безотвальная обработка в течение четырех лет на 6-8 см; 2 - этот же вариант, после двух лет возделывания многолетних трав (клевер); б: 1 - безотвальная обработка на 20-22 см в течение четырех лет; 2 - этот же вариант

после двух лет возделывания на нем многолетних трав (клевер) Рисунок 3. Распределение нитратного азота в двухметровом слое серой лесной почвы при безотвальных обработках

В остальных слоях количество нитратов было на уровне 0,1-0,5 мг/100 г почвы. Возделывание клевера красного в течении двух лет способствовало использованию, накопленных нитратов из слоя 100-130 см.

Применение ежегодной безотвальной обработки на 20-22 см привело к увеличению содержания нитратов в слое 150-160 см до значений 1,9 мг/100 г почвы (рис.Зб). Возделывание клевера красного способствовало

использованию мигрированного нитратного азота в профиле почвы. Однако в слоях 160-170 и 190-200 см наблюдается его накопление до 0,45-0,48 мг/100 г почвы. Видимо корневая система клевера не достигла этой глубины.

Применение ежегодной отвальной вспашки на 20-22 см приводит к концентрации нитратного азота в слоях почвы 30-40, 50-60, 70-80 см и более глубоких - 150-160 и 170-180 см (рис. 4а).

мг/100 гпочш мг/100 г почвы

0 1 2 3 4 о 1 2 3 4

а: 1 -отвальная вспашка в течение четырех лет на 20-22 см; 2 - этот же вариант, после двухлетнего возделывания многолетних трав (клевер); б: 1 - периодическая ярусная вспашка на 28-30 см с безотвальной обработкой на 6-8 см; 2 - этот же вариант после двухлетнего возделывания многолетних трав (клевер) Рисунок 4. Распределение нитратного азота в двухметровом слое серой лесной почвы при отвальных обработках

Здесь содержание нитратного азота колебалось от 0,9 до 4,0 мг/100 г почвы. После возделывания многолетних трав его запасы выравнивались до значений 0,05-0,2 мг/100 г почвы. Однако в слоях 170-180 и 180-190 см содержание нитратного азота оставалось на уровне 0,31- 0,42 мг/100 г почвы. Периодическая ярусная вспашка на 28-30 см в сочетании с безотвальной обработкой на 6-8 см приводит к концентрации нитратного азота в слоях 7080, 110-120, 150-160, 170-180 и 180-190 см (рис. 46). После возделывания клевера красного содержание нитратного азота в подпахотных слоях почвы снижалось до 0,05-0,21 мг/100 г почвы, Однако на глубине 180-190 и 190-200 см его содержание определялось значениями 0,36 - 0,49 мг/100 г почвы, что лимитируется глубиной проникновения корневой системы клевера.

Ежегодная безотвальная обработка и отвальная вспашка на 20-22 см приводит к миграции и накоплению нитратного азота соответственно на

глубине 150-160 и 170-180 см. Возделывание клевера позволяет рационально использовать нитратный азот из корнеобитаемого слоя. В нижележащих слоях он остается не использован.

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕРЫХ

ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПО БИОЛОГИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ 4.1. Содержание органического углерода в серой лесной почве в зависимости от приема основной обработки

Значение и функции соединений углерода определяются многообразием образуемых им соединений и их особой ролью в процессах почвообразования и плодородия почв. Мы использовали этот показатель для характеристики изучаемых агросистем.

В среднем за период вегетации (2008г.) на залежном участке в слое 030 см содержание органического С соответствовало - 25,8+1,1 г С на кг почвы. В агроэкосистемах он был на одном уровне от 31,8+2,1 до 32,5+1,4 г С на кг почвы (НСР05 = 3,12 г С на кг почвы).

В сезонной динамике отмечается тенденция снижения органического С от начала вегетации к середине. На залежи этот показатель в мае в слое 0-20 и 0-30 см соответственно составил 27,4+0,5 и 27,2+0,7 г С на кг почвы, к июлю он снижался до значений 25,5+0,4 и 25,1+0,4 г С на кг почвы. В агроэкосистемах в мае в слое 0-20 и 0-30 см содержание органического С колебалось соответственно от 33,4+0,6 до 34,3+0,3 (НСР05 = 1,36 г С на кг почвы) и 31,1 + 1,0 - 33,4+0,5 г С на кг почвы (НСР05= 1,18 г С на кг почвы). Низкое содержание органического С в слое 0-30 см в этот период отмечено па варианте с ярусной вспашкой на 28-30 см - 31,1 г С на кг почвы (НСР05=1,18 г С на кг почвы). К июлю этот показатель в агроэкосистемах снижался соответственно до уровня - 31,8+0,3 - 33,5+0,6 в слое 0-20 см (НСРо5=1,18 г С на кг почвы) и 30,5+0,8 - 31,5+0,5 г С на кг почвы в слое 030 см (НСР05=1,11 г С на кг почвы). После осенней основной обработки происходило увеличение содержания органического С. В слое 0-20 см по агроэкосистемам этот показатель определялся значениями 34,1+0,6 г С на кг почвы (НСР0з=1,29 г С на кг почвы). Видимо, это связано с активизацией биогенных процессов в почве за счет дополнительных источников органических веществ, поступающих в почву в виде растительных остатков. С глубиной происходит снижение органического вещества во всех агроэкосистемах.

Содержание органического углерода в агроэкосистемах выше, чем на участке залежи и не зависит от приема и глубины основной обработки серых лесных почв. Содержание органического углерода в агроэкосистемах снижается от начала вегетации к середине и возрастает к концу вегетационного периода.

4.2. Влияние приемов основной обработки на микробиологическую активность серой лесной почвы

Биологическая активность почвы агроэкосистем оценивается по величине продуцирования углекислого газа микробиологическим комплексом серой лесной почвы. Выделение углекислого газа из почвы, характеризует стадии круговорота углерода и служит показателем темпов разложения органического вещества, интенсивности биогенных процессов в почве и отражает уровень ее плодородия.

На участке залежи было установлено максимальное дыхание микроорганизмов. Средние показатели на залежи в течение вегетационного периода определились значениями эмиссии С - СОг - 3,0 мг С02 за час из кг почвы (рис. 5).

I 2 3 4 5

' май ^ июль ^ сентябрь

1- залежь; 2 - ежегодная безотвальная на 6-8 см; 3 - ежегодная безотвальная на 20-22 см; 4 -ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см; 5 - периодическая ярусная вспашка на 28-30 см Рисунок 5. Сезонная эмиссия С- СОг из слоя 0-30 см серой лесной почвы

В агросистемах повышенной эмиссионной способностью выделяются почвы с мелкой обработкой. На ежегодной мелкой обработке эмиссия С- СОг составила 2,6 мг СОг за час из кг почвы. В них наблюдается большая интенсивность протекания биохимических процессов, связанных с минерализацией органического вещества, по сравнению с глубокими обработками почвы. На ежегодной отвальной вспашке на 20-22 см продуцирование углекислого газа составило 1,97 мг СО2 за час из кг почвы, что является самым низким показателем в рамках изучаемых агроэкосистем, на ежегодной глубокой безотвальной - 2,12 мг СО2 за час из кг почвы. На периодической ярусной вспашке на 28-30 см к середине вегетации этот показатель определялся 2,27 мг С02 за час из кг почвы. Однако после проведения осенней безотвальной обработки на 6-8 см он увеличивался и достигал

значений - 2,77 мг СОг за час из кг почвы, что было на уровне ежегодной мелкой обработки. В наших исследованиях динамика выделения С02 из почвы зависела от приемов основной обработки почвы, а также от периода вегетации озимой ржи. Наблюдается тенденция увеличения эмиссии углекислоты в период колошения растений, что может быть связано с ростом корневой системы озимой ржи и нарастания процессов дыхания почвы за счет повышения активности ризосферной микрофлоры.

4.3. Влияние приемов обработки на целлюлозоразлагающую активность почвы

В результате механических обработок изменяются не только физические свойства почвы, но происходит перераспределение органического материала в обрабатываемых слоях. Это определяет микробиологическую активность целлюлозоразлагающей микрофлоры.

Более активно разложение льняного полотна наблюдалось в агросистемах с ежегодной отвальной на 20-22см и периодической ярусной вспашкой на 28-30 см. Разложение клетчатки в слое 0- 30 см этих агросистем соответственно было 31,8 и 37,9% (рис. 6).

1 2 3 4 5

И 0-10см ЕЗ 10-20см И 20-30СМ 0 О-ЗОсм 1 - залежь; 2- ежегодная безотвальная на 6-8 см; 3 - ежегодная безотвальная на 20-22 см; 4 - ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см; 5 - периодическая ярусная вспашка на 2830 см.

Рисунок 6. Степень минерализации целлюлозы в зависимости от приема основной обработки почвы

Это обусловлено высокой аэрацией и низкой плотностью сложения почвы, наличием достаточного количества растительных остатков. Все это способствовало увеличению пула микроорганизмов - целлюлозолитиков.

Высокая степень минерализации целлюлозы в слое 0-20 см отмечалась и на участке залежи. Основной причиной активности целлюлозоразлагающей микрофлоры, вероятно можно считать, обильное развитие в слое 0-20 см корневой системы растений, выделения корнями специфических биологически активных веществ, концентрацией органических остатков. Ежегодное повторение и наложение этих процессов обусловило формирование микробного пула с высокой активностью целлюлозоразрушающей микрофлорой, обеспеченной энергетическим материалом. В слое 20-30 см минерализационная активность залежи резко снижается до слабой - 18,1%. В агроэкосистемах, обработанных безотвально интенсивность минерализации целлюлозы в слое О-ЗОсм достоверно ниже и определяяется значениями 22,4 и 15,1% (НСР05= 7,4%) и соответствует слабой интенсивности минерализации. Самая низкая интенсивность разложения клетчатки отмечается в пахотном слое, обработанном безотвально на 20-22 см.

Таким образом, по интенсивности минерализации целлюлозы агроэкосистемы с безотвальными обработками уступают почве залежи и агрофонам, обработанным отвально.

4.4. Ферментативная активность каталазы в зависимости от приема основной обработки почвы

В своих исследованиях мы учитывали активность окислительно-восстановительного фермента каталазы, участвующего в биогенезе гумму-совых веществ. Значения активности каталазы используют для предварительной оценки биологической активности почвы и уровня ее плодородия. Наблюдения показали, что в агроэкосистемах и на залежном участке, активность фермента с глубиной снижается не зависимо от приема и глубины основной обработки почвы.

Наибольшее выделение кислорода отмечалось в почве залежи, что указывает на активность почвенной биоты и ферментов в естественных биоценозах, Особенно увеличение катализа окислительно-восстановительных процессов наблюдалось в верхнем 0-10 см слое почвы - 4,0 мл 02/1г почвы в минуту.

Динамика средних значений активности каталазы в агроэкосистемах в слое 0-10 см была в пределах 2,5-3,3 мл 02/1г почвы в минуту (коэффициент вариации и=Э,74%, НСРо5=0,7%Хрис.7). Достоверное снижение ферментативной активности каталазы отмечено при ежегодной безотвальной обработке на 20-22 см. В слое 0-30 см этот показатель был на уровне - 2,4 мл Ог/1 г почвы в минуту (и=3,74%).

Применение ежегодной безотвальной обработке на 6-8 см увеличивало окислительно-восстановительные процессы в почве. Наиболее активны в этом отношении слои 0-10 и 10-20 см.

5 4.5

£ 4

i 3,5

5 3

8« с

£ 2 S V5 i 1

0,5 0

1 2 3 4 5

Ш 0-1 Осм ЕЗ 10-20СМ ^ 20-30см В- О-ЗОсм 1 - залежь; 2- ежегодная безотвальная на 6-8 см; 3 - ежегодная безотвальная на 20-22 см; 4 - ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см; 5 - периодическая ярусная вспашка на 2830 см.

Рисунок 7. Активность каталазы в зависимости от приема обработки серых

лесных почв

Ферментативная активность в этой агросистеме в слое 0-30 см определялась значением - 3,2 мл 02/1г почвы в минуту, что достоверно выше, чем в агроэкосистемах с ежегодной безотвальной обработкой и отвальной вспашкой на 20-22 см, периодической ярусной вспашкой на 28-30 см (НСР05=0,3%).

Вариация значений активности каталазы, в рамках изучаемых агроэкосистем по слоям почвы не велика. Это свидетельствует о том, что во всех агроэкосистемах окислительно-восстановительные процессы биогенеза гумусовых веществ, протекают равномерно.

4.5. Эмиссия закиси азота в зависимости от приемов основной обработки почвы

Количество, выделяемого N20 показывает уровень биологической активности почвы, экологическую направленность биохимических процессов, протекающих при сельскохозяйственном использовании земель.

Изучение эмиссии азота из почвы показало, что внесение минеральных удобрений привело к достоверно большим (р<0,001) потерям N в виде N20. Максимальное выделение N20 с внесением удобрений отмечено из агроэкосистем с ежегодной отвальной вспашкой на 20-22 см (708+127 мг N20- Nm'2) и периодической ярусной вспашкой на 28-30 см (710+120 мг N20 - N м"2) (рис.8). По убыванию располагаются - агроэкосистема с ежегодной безотвальной обработкой на 6-8 см (462 мг N20 - N м"2) и с ежегодной безотвальной обработкой на 20-22 см (228 мг N20 - N м'2). Кумулятивный поток N20 с поверхности почвы без внесения азота достоверно больше (р<0,05) в

агроэкосистеме с отвальной вспашкой на 20-22 см (140+27 мг Ы20 - N м'2), а наименьший при ежегодной безотвальной обработке на глубину 6-8 см (38,7+3 мг Ы20 - Ым-2).

юоо 800

з 600 г

Я

I 400

200

0

I 2 3

I I - с удобрением; К■:■:I - без удобрений 1 - ежегодная безотвальная на 6-8 см; 2 - ежегодная безотвальная на 20-22 см; 3 - ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см

Рисунок 8. Кумулятивная эмиссия Ы20 из серой лесной почвы в зависимости от агрогенной нагрузки

Эмиссионный фактор (процент потери азота в виде закиси от количества внесенного азота с удобрениями) не превысил критических значений 1,25% (.1РСС) ни в одной из ахроэкосистем. В агроэкосистеме с ежегодной отвальной вспашкой на 20-22 см этот показатель составил 0,66%, при периодической ярусной вспашке на 28-30см - 0,68%, ежегодной безотвальной на 6-8 см и 20-22 см - 0,54% и 0,27% соответственно. Таким образом, ежегодные безотвальные обработки на глубину 6-8 см и 20-22 см привели к меньшей эмиссии N20 из серой лесной почвы, чем ежегодная отвальная вспашка на глубину 20-22 см. Они являются оптимальными с агроэко-логической точки зрения.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ АГРОЭКОСИСТЕМ НА СОДЕРЖАНИЕ В ПОЧВЕ СВИНЦА И КАДМИЯ

Применение ежегодной безотвальной обработки на 6-8 см в течении 25 лет обусловило в слое 0-10 и 10-20 см содержание валовых форм свинца на уровне залежного участка - 9,4+0,94 и 6,4+0,64 мг/кг почвы (НСРо5=1,87 и 1,49 мг/кг почвы). Содержание валового кадмия в слое 0-10 см увеличилось на 0,13 мг/кг почвы (НСР0з=0,24 мг/кг почвы). В слое 10-20 см его содержание оставалось на уровне участка залежи - 1,26+0,13 мг/кг (НСР05=0,27 мг/кг почвы).

Увеличение содержания свинца и кадмия наблюдается в агроэкосистеме с ежегодной отвальной вспашкой на 20-22 см. Содержание свинца в слое 0-10 см оставалось на уровне участка залежи - 10,4+1,04 мг/кг (НСРо5=1,87 мг/кг почвы), а в слое 10-20 см этот показатель увеличивался до 8,9+0,89 мг/кг почвы (НСР05=1,49 мг/кг почвы). Концентрация кадмия в слое 0-10 см возрастала до 1,39+0,14 мг/кг почвы (НСР05—0,24 мг/кг почвы). В слое 10-20 см отмечается тенденция к накоплению этого элемента до 1,33+0,14 мг/кг почвы (НСР05=0,27 мг/кг почвы).

Таким образом, длительное применение ежегодной отвальной вспашки на 20-22 см, в результате сжигания дизельного топлива, обуславливает тенденцию увеличение содержания в серой лесной почве валовых форм свинца и кадмия (до 9,7+0,96 и 1,36+0,14 мг/кг) по сравнению с залежью (7,8 +0,78 и 1,14+0,12). Применение ежегодного безотвального рыхления на 6-8 см, за счет уменьшения количества используемого топлива, не приводит к накоплению тяжелых металлов в слое почвы 0-20 см. В целом уровень содержания свинца и кадмия в изучаемых агроэкосистемах не превышает ПДК этих элементов в серой лесной почве.

ГЛАВА 6. ПРОДУКТИВНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОЭКОСИСТЕМ

Изучаемые агроэкосистемы предназначены для производства сельскохозяйственной продукции - выращивания зерна озимой ржи. Сравнительная оценка продуктивности, изучаемых агроэкосистем показывает, что наиболее высокий урожай зерна озимой ржи был получен в агроэкосистемах с безотвальной обработкой на глубину 6-8 и 20-22 см.

В среднем за 2007 и 2008 годы он составил 59,3 и 58,3 ц/га соответственно. В агроэкосистемах с отвальной вспашкой на 20-22 см и ярусной вспашкой на 28-30 см продуктивность озимой ржи варьировала от 55,8 до 56,8 ц/га.

Расчет экономической эффективности производства зерна озимой ржи показывает, что при безотвальной обработке на 6-8 и 20-22 см расход дизел-ного топлива на один центнер зерна снижается, в сравнении с отвальной вспашкой, на 32 и 14 % соответственно. Применение ярусной вспашки на 28-30 см приводит к увеличению расхода топлива на 4% в сравнении с отвальной вспашкой.

Важнейшим экономическим показателем в производстве сельскохозяйственной продукции является и сокращение затрат рабочего времени на производство 1 центнера зерна. В агроэкосистемах с безотвальной обработкой на 6-8 и 20-22 см в сравнении со вспашкой на 20-22 см потребность рабочего времени на производство 1 центнера зерна озимой ржи снижается на 25 и 12 % соответственно.

Таким образом, применение приемов безотвальной обработки на 6-8 и 20-22 см вместо отвальной вспашки на 20-22 см обеспечивает уменьшение расхода дизельного топлива на производство 1 центнера зерна на 32 и 14 %, а потребность рабочего времени на 25, 12 % соответственно.

ВЫВОДЫ

1. Антропогенное влияние, обусловленное ежегодными основными обработками, приводит к ухудшению агрофизических свойств серой лесной почвы. Это выражается в ухудшении условий формирования водопрочных агрегатов, снижении микроагрегированности почвы, изменении коэффициента полидисперсности и плотности сложения почвы. Близкие к оптимальным агрофизические показатели формируются в агроэкосистемах при использовании безотвального рыхления почвы на глубину б-8см.

2. Применение под зерновые культуры безотвальных обработок на 6-8, 2022 см обуславливают накопление неиспользованного нитратного азота в корнеобитаемом слое преимущественно на глубине 100-160см. При использовании отвальной вспашки на 20-22 см происходит более интенсивное вымывание нитратного азота и накопление его на глубине 60-80 и 160-180 см. Возделывание клевера красного позволяет использовать мигрированный нитратный азот из почвы до глубины 160 - 170 см.

3. Высокий уровень биологической активности по интенсивности продуцирования С-СОг отмечается на участке залежи и в агросистеме с ежегодной безотвальной обработкой на 6-8см. Ферментативная активность каталазы (3,2 мл 02/1г почвы в минуту) также достоверно выше в почве этой агроэкосистемы. По интенсивности минерализации целлюлозы агроэкосистемы с безотвальными обработками уступают почве залежи и агрофонам, обработанным отвально.

4. Ежегодные безотвальные обработки на 6-8 см и 20-22 см приводят к меньшей эмиссии из серой лесной почвы, чем ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см. Они являются оптимальными с агроэкологической точки зрения. Эмиссионный фактор (процент потери азота в виде закиси от количества внесенного азота с удобрениями) не превысил критических значений 1,25% (.1РСС) ни в одной из агроэкосистем.

5. Длительное применение ежегодной отвальной вспашки на 20-22 см, в результате сжигания дизельного топлива, обуславливает увеличение содержания в серой лесной почве валовых форм свинца и кадмия (до 9,7+0,96 и 1,36+0,14 мг/кг) по сравнению с залежью (7,8 +0,78 и 1,14+ 0,12). Использование ежегодного безотвального рыхления на 6-8 см, за счет

уменьшения количества топлива, не приводит к накоплению тяжелых металлов в слое почвы 0-20 см. В целом уровень содержания свинца и кадмия в изучаемых агроэкосистемах не превышает ПДК этих элементов в серой лесной почве.

6. Использование безотвальной обработки на 6-8см уменьшает расход дизельного топлива на производство 1 центнера зерна на 32 %, (по сравнению с отвальной вспашкой), не снижая продуктивности возделываемой культуры. Применение этого приема позволяет оптимизировать эколого-биологическое состояние агроэкосистем в Опольной зоне за счет снижения антропогенного воздействия на педосферу.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

С целью сокращения уровня агрогенного воздействия и биологизации приемов основной обработки серой лесной почвы, при возделывании озимой ржи, отвальную вспашку на 20-22 см целесообразно заменить на мелкую безотвальную обработку на 6-8 см.

Материалы исследований могут быть использованы для подготовки специалистов почвенно - экологического и земледельческого профиля в вузах ЦНЗ в соответствующих разделах курсов агроэкологии, почвоведения, земледелия, а также для разработки научных рекомендаций производству в целях сохранения и повышения плодородия серой лесной почвы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Зинченко, B.C. Антропогенное преобразование серой лесной почвы/

B.C. Зинченко, З.М. Петрова. Агрохимический весник.-2009.-№1- С.36-37.

2. Зинченко, С.И. Влияние обработки на агрогенное преобразование серых лесных почв/ С.И. Зинченко, З.М. Петрова, B.C. Зинченко. Земледе-лие.-2010,- №1. С.20-21.

3. Зинченко, М.К. Влияние приемов основной обработки почв на биологическую активность серых лесных почв Владимирского ополья/ М.К. Зинченко, Н.П. Бучкина, Е.Я. Рижая, C.B. Павлик, B.C. Зинченко. Земледе-лие.-2011,- № 8. С.25-27.

4. Зинченко, С.И. Приемы основной обработки серых лестных почв/

C.И. Зинченко, B.C. Зинченко. Сб. докладов: Международная научно-практическая конференция Республика Казахстан.-«Ресурсосбережение и дивер-

сификация как новый этап развития идей А.И.Бараева о почвозащитном земледелии» Шортанды, 2008.- С.72-77.

5. Зинченко, B.C. Влияние приемов обработки серых лесных почв на развитие корневой системы озимой ржи/ В.С.Зинченко,

A.А.Безменко//Сборник докладов: Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии для земледелия и животноводства Владимирского ополья» Владимирский НИИСХ.-Суздаль, 2008,- С.77-81.

6. Зинченко, B.C. Оптимальная плотность серых лесных почв/ B.C. Зинченко, А.А.Безменко, Д.А. Талеева. Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса//Иваново:ФГУ ИГСХА, 2009.- Том 1.- С. 47-50.

7. Зинченко, B.C. Влияние техногенеза в агросистеме на запасы продуктивной влаги/ B.C. Зинченко, А.А.Безменко, Д.А.Талеева. Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса// Иваново: ФГУ ИГСХА, 2009,- Том 1.- С.47-50.

8. Шеин, Е.В. Полевые методы агрофизического исследования почвенного покрова/ Е.В. Шеин, С.И. Зинченко, М.В. Банников, А.И. Позняков,

B.C. Зинченко. Методическое руководство.- Владимир, 2009.- 68с.

9. Зинченко, B.C. Агрогенное влияние на водный режим серых лестных почв в условиях их неоднородности/ B.C. Зинченко, А.А.Безменко, Д.А.Талеева. Материалы:Межднародной научно-практической «Эрозия почв: проблемы и пути повышения эффективности растениеводства» Ульяновский НИИСХ.-Ульяновск, 2009,- С. 115-117.

10. Зинченко, С.И. Влияние приемов обработки на структурно-функциональные свойства серых лесных почв/ С.И. Зинченко, B.C. Зинченко. Сборник: Материалы докладов на международной научно-практической конференции «Нанобиотехнологии в сельском хозяйстве». Доклады ТСХА. М,2009,-Вып. 281,- С.37-39.

11. Мазиров, М.А. Влияние системы основной обработки серых лесных почв под озимую рожь на ее продуктивность/ М.А. Мазиров, B.C. Зинченко, А.А. Безменко. Сборник докладов: Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии обработки почвы в адаптивном земледелии» РГАУ-МСХА.-М.,2010.- С.325-330.

12. Buchkina, N.P. N20 emission from loam gey soil under different tillade in Vladimir redion on Russia / N.P. Buchkina, E.Y.Rizhiya, S.V. Pavlik, B.S.Zinchenko, S.I. Zinchenko. Conference ege University Facylty of Agriculture Department of Agricultural Vachinery 35100 Bomova - izmir/ Turkey . June 15 -19. 2009. - T. 6. - 003 - 1 - 6.

2010013877

Подписано в печать 01.11.2011 Печать лазерная цифровая, тираж 100 экз.

Издательство ВООО ВОИ 600017, г. Владимир, ул. Мира, 34-а Тел. (4922) 53-37-52, 53-28-02 -mail: rost@vtsnet.ru, pismarosta@yandex.

2010013877

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Зинченко, Владимир Сергеевич, Владимир

61 12-3/637

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования « Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

На правах рукописи

м -

Зинченко Владимир Сергеевич

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРИЕМОВ ОСНОВНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЧВЫ

Специальность 03.02.08 - экология (биология) 03.02.13 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Мазиров Михаил Арнольдович

Владимир 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ НА ПОЧВУ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ АГРОЭКОСИСТЕМ

1.1 Состояние почвенного покрова по показателям плодородия

1.2 Особенности формирования агроэкосистем

1.3 Управление экологическим состоянием агроэкосистем по средствам приемов основной обработки почвы

1.4 Влияние приемов обработки на биологические свойства почвы

1.5 Оптимизация использования и накопления почвенной влаги в агроэкосистемах

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТ, УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Абиотические и эдафические особенности района исследований

2.1.1 Климат

2.1.2 Почвы

2.1.3 Погодные условия в период проведения исследований

2.2 Методика исследований

ГЛАВА 3 АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ НА

5 10

10

15

24

33

44

47 47

47

48 50

54 57

РЕГУЛИРОВАНИЕ АГРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

3.1 Влияние приемов основной обработки на структуру почвы

3.2 Влияние приемов основной обработки на гранулометрический состав почвы

3.3 Влияние приемов основной обработки на плотность сложения почвы

3.4 Влияние приемов основной обработки на водный режим почвы

3.5 Миграция нитратного азота в зависимости от приемов основной обработки почвы

ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПО БИОЛОГИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

4.1 Содержание органического углерода в серой лесной почве в зависимости от приема основной обработки

4.2 Влияние приемов основной обработки на микробиологическую активность серой лесной почвы

4.3 Влияние приемов обработки на целлюлозоразлагающую активность почвы

4.4 Ферментативная активность каталазы в зависимости от приема основной обработки почвы

4.5 Эмиссия закиси азота в зависимости от

62

75

81

86

92

92

95

100

103

приема основной обработки почвы ГЛАВА 5 ВЛИЯНИЕ АГРОЭКОСИСТЕМ НА СО- 110

ДЕРЖАНИЕ В ПОЧВЕ СВИНЦА И КАДМИЯ

ГЛАВА 6 ПРОДУКТИВНОСТЬ И ЭФФЕКТИВ- 115

НОСТЬ АГРОЭКОСИСТЕМ

ВЫВОДЫ 117

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119

ПРИЛОЖЕНИЯ 143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В ряду экологических факторов, влияющих на экологическое состояние почвы в агроэкосистеме, существенное действие оказывают приемы основной обработки почвы. Воздействие их на серую лесную почву недостаточно изучено.

Вместе с тем, рассмотрение агроэкосистем как промежуточного звена между природными экосистемами - городскими и промышленными системами, обеспечиваемыми энергией за счет топлива, как отмечает Ю.П. Одум (1987), позволяет наметить пути решения современных проблем сельского хозяйства. Усиление индустриализации агроэкосистем уже привело, с одной стороны, ко всевозрастающему потреблению энергии, а с другой - к таким последствиям, как химическое загрязнение среды и эрозия почвы. Для снижения этих неблагоприятных тенденций, как отмечает Н.М. Милащенко (2000) необходимы новые формы природоохранной обработки почвы и применение к земле управление агроэкосистемами.

Обработка почвы изменяет условия существования микробоценоза, способствует активному снабжению культурных растений элементами минеральной пищи, за счет активизации разложения органического вещества почвы. В результате возрастающей техногенной нагрузки на почву, в ней изменяется активность и направленность протекания биохимических процессов, влияющих на эмиссию в атмосферу парниковых газов (С02 и N20); значительно ухудшаются воднофизические свойства: уплотняется поверхностный слой, ухудшается водопроницаемость. Это служит основой для разработки системы элементов минимизации обработки почвы.

По мере того, как нежелательные тенденции становятся все более очевидными, растет интерес к природоохранной агротехнике [17]. Новые приемы основной обработки почвы и углубление наших знаний о процессах, протекающих в агроценозах, несомненно будут способствовать значительному

сокращению процессов эрозии и расхода дизельного топлива на производство урожая.

Механические и химические нарушения в агроэкосистемах оказывают влияние на биотические и абиотические компоненты подсистем разложения органического вещества и растительных остатков, что в конечном итоге, накладывается на фенологические циклы возделывания растений. Воздействие различных приемов основной обработки почвы на ее биоту не всегда до конца понятно [6]. Исследования в агроэкосистемах минимальных приемов обработки, могут дать более обнадеживающие результаты для идентификации положительных взаимодействий в почве.

Недостаточность исследований о действии антропогенных нагрузок на серые лесные почвы, посредством проведения приемов основной обработки почвы, вызывает необходимость всестороннего изучения этих вопросов.

Целью исследований явилось изучение влияния агрогенной нагрузки (приемов основной обработки) в агроэкосистемах на экологическое состояние серой лесной почвы.

В задачи исследований входило:

1. Дать агроэкологическую оценку влияния приемов основной обработки серых лесных почв на регулирование ее агрофизических свойств.

2. Выявить зависимость миграции нитратного азота от приемов основной обработки почвы.

3. Исследовать экологическое состояние серых лесных почв по биологическим показателям в зависимости от степени антропогенной нагрузки.

4. Оценить влияние приемов основной обработки почвы на накопление тяжелых металлов (свинца и кадмия) в пахотном слое серой лесной почвы.

5. Выявить эффективность и продуктивность агроэкосистем в зависимости от приемов основной обработки серых лесных почв.

Научная новизна. В условиях Владимирского ополья впервые проведены исследования по изучению влияния агрогенной нагрузки ( приемы основной обработки) на экологическое состояние агроэкосистем серой лесной почвы. Дана агроэкологическая оценка антропогенного влияния приемов основной обработки серых лесных почв на ее структуру и гранулометрический состав, плотность сложения и водный режим.

Показано, что применение глубоких обработок на глубину 20-22 и 28-30 см способствует вымыванию нитратного азота из корнеобитаемого слоя зерновых культур.

Выявлено, что содержание органического углерода, не зависимо от приема и глубины основной обработки серых лесных почв, снижается от начала вегетации культур к середине и возрастает к концу вегетационного периода. Содержание органического углерода в агроэкосистемах выше, чем на участках залежи и не зависит от приема основной обработки почв.

Установлено, что наиболее высокий уровень биологической активности отмечается на участке залежи и агроэкосистеме с ежегодной безотвальной обработкой на глубину 6-8 см.

Выяснено, что агрофоны с ежегодной безотвальной обработкой на глубину 6-8 и 20-22 см обуславливают меньшую эмиссию N20 из серой лесной почвы, чем ежегодная отвальная вспашка на 20-22 см. Эти обработки являются оптимальными с агроэкологической точки зрения.

Определено, что длительное применение ежегодной отвальной обработки на 20-22 см способствует увеличению содержания в почве валовых форм свинца и кадмия по сравнению с фоновым его содержанием в районе проведения исследований. Уровень содержания свинца и кадмия в изучаемых агроэкосистемах не превышает ПДК этих элементов в почве.

Установлено, что применение в агроэкосистемах приемов безотвальной обработки на глубину 6-8 и 20-22 см, вместо отвальной

вспашки на глубину 20-22 см, обеспечивает при одинаковом уровне продуктивности возделываемых культур, снижение расхода дизельного топлива на производство 1 центнера зерна на 32 и 14%, потребность рабочего времени на 25, 12% соответственно.

Практическая значимость работы. Полученные результаты позволяют дать практические рекомендации по использованию приемов основной обработки серых лесных почв под озимую рожь с учетом оптимизации эколого - биологического состояния агроэкосистем.

Показано, что для формирования запасов продуктивной влаги и оптимальной плотности сложения серых лесных почв под озимую рожь целесообразно использовать безотвальную обработку на глубину 6-8 см вместо отвальной вспашки на глубину 20-22 см. Применение мелкой безотвальной обработки обуславливает снижение потерь нитратного азота в сравнении с глубокими обработками.

Экспериментально обоснована эффективность безотвальной обработки на глубину 6-8 см в сравнении с глубокими приемами обработки в регулировании и поддержании плодородия серых лесных почв.

Доказана целесообразность применения в качестве приема основной обработки серых лесных почв под озимую рожь безотвальной обработки на глубину 6-8 см вместо отвальной вспашки на 20-22 см. Показано, что применение мелкой безотвальной обработки вместо отвальной вспашки снижает количество выбросов загрязняющих почву.

Определено, что применение безотвальной обработки на глубину 68 см вместо отвальной вспашки на 20-22 см приводит к снижению затрат труда (чел. - час) на 1 га и центнер зерна.

Материалы исследований вошли в региональные рекомендации по освоению адаптивно - ландшафтных систем земледелия во Владимирской области и учебное пособие. Результаты исследований по экологической

оценке состояния серой лесной почвы агроэкосистем используются в учебном процессе факультета химии и экологии ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет».

ГЛАВА 1. АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ НА ПОЧВУ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ АГРОЭКОСИСТЕМ 1.1 Состояние почвенного покрова по показателям плодородия

Обеспечение людей продуктами питания остается важнейшей задачей постоянно растущего населения Земли. И хотя производство продовольствия в мире непрерывно увеличивается, эта проблема остаётся острой во многих странах.

Сельскохозяйственная деятельность человека - древнейшая форма использования природных ресурсов. В своём стремлении взять от этих ресурсов как можно больше, для обеспечения растущих потребностей общества человек, в процессе сельскохозяйственного производства, всё энергичнее вторгается в сложившееся тысячелетиями экологическое равновесие в природе. XXI век знаменателен резким ускорением и усилением такого вторжения: стремительное увеличение площадей распаханных территорий, перевыпас, изменяющие экологические условия существования биоты, возрастающие объёмы применения химических средств в растениеводстве (удобрения, пестициды, обработка почвы). В результате получили развитие процессы деградации почвенного и растительного покровов, загрязнения воздуха, почвы, водоёмов, опустынивания, сокращения биологического разнообразия на Земле. Человек в своей хозяйственной деятельности вышел на глобальный уровень воздействия на биосферу [14].

В различных регионах земного шара условия для жизни людей складываются неодинаково, поскольку исторически сформировавшиеся почвенно - климатические зоны и высотные пояса обладают различными возможностями для производства биологической продукции. Получение необходимого количества продовольствия зависит от сложившихся почвенно -климатических и погодных условий, технологий производства продуктов питания и принятых в каждой стране социально - экономической и политической системы их распределения. Природные условия конкретных

территорий в форме ресурсов солнечной энергии, тепла, влаги, земельных угодий составляют первооснову процесса формирования органического вещества, часть из которого люди используют в виде продуктов питания [6].

Общая площадь континентов нашей планеты составляет 14,8 млрд. га, из которых пахотными землями и многолетними насаждениями (плодовые, масличные, ягодные и другие культуры) занято 1,5 млрд. га (примерно 11 %). Сенокосы и пастбища занимают около 3 млрд. га (22,3 %), леса - немногим более 4 млрд. га (или почти 30 %), прочие земли, неудобные для освоения (болота, голые пески, ледники, скалы) - 4,9 млрд. га (36,6%) [103].

Россия обладает громадным потенциалом земельных ресурсов (1709,8 млн. га), в котором сосредоточено 11% сельскохозяйственных угодий мира [5,103]. Земельный фонд страны по размерам и качеству является стратегическим преимуществом. Площадь сельскохозяйственных угодий -197,6 млн. га, в том числе пашни 120,8 млн. га.

Показателем, характеризующим устойчивость агроландшафта к влиянию антропогенных факторов, является распаханность территории землепользования. При его уровне в 80% - состояние агроландшафта характеризуется как сильно разрушающееся, при 50% - порого-устойчивое [181]. В России этот показатель составляет 61% [25]. Это несколько превышает порог устойчивости и дальнейшее влияние антропогенных факторов на агроэкосистему может вывести ее из устойчивого состояния.

В России более 50 млн. га сельскохозяйственных угодий (в том числе свыше 35 млн. га пашни) подвержены водной и ветровой эрозии. Это приводит не только к потере гумуса почвы, но и к образованию оврагов, интенсивность роста которых составляет 80-100 тыс. га/год.

По данным Росгидромета, в целом по России в почвах 5-ти километровых зон промышленных центров превышены критические уровни содержания тяжелых металлов в пахотных почвах от 2 до 5 раз, при выращивании сельскохозяйственных культур и до 30 раз при производстве кормов [43]. Идет

снижение плодородия земель: вынос питательных веществ с урожаем, который находится почти на уровне естественного плодородия почв, в 4 раза превышает их внесение с удобрениями, резко возрастает количество земель подверженных водной и ветровой эрозии [178].

Негативная агроэкологическая обстановка усугубляется высокой степенью распаханности и малой лесистостью сельскохозяйственных земель. Вследствие водной эрозии 10% пашни потеряло 30-60% плодородия, 25% пашни - от 10 до 30%. В течение 20 века запасы гумуса в черноземах уменьшились почти в 2 раза. Запасы гумуса в пахотных почвах России уменьшаются ежегодно на 0,3-0,7% от общих запасов в слое 25-30 см. Ежегодная убыль гумуса на пашне составляет в пределах 600 кг/га, а содержание его в пахотных почвах за последние 100 лет снизилось на 30-40% [197].

В связи с этим важнейшей задачей остается совершенствование систем стабилизации и воспроизводства плодородия почвы и предотвращения всех видов ее деградации. В России сегодня процесс снижения плодородия почв, ухудшения состояния земель, предназначенных для ведения сельского хозяйства, приобретает фатальный характер. Почвенный покров подвержен деградации и загрязнению, теряет устойчивость к антропогенезу, способность к воспроизводству плодородия. Вынос основных элементов питания с урожаем сельскохозяйственных культур превышает их поступление в почву с минеральными и органическими удобрениями и биологическим азотом. Около 70 млн. га пахотных земель имеют повышенную кислотность, 56 млн. га -низкое содержание гумуса, более 25 млн. га - низкое содержание подвижного фосфора и около 12 млн. га - низкое содержание подвижного калия. Площади техногенно нарушенных земель за последние годы увеличиваются со скоростью около 100 тыс. га в год [6,85,165].

Вопрос сохранения земельных ресурсов серых лесных почв, как основного средства производства является важнейшей задачей и в Опольной

зоне Владимирской области. Использование земли должно быть направлено на сохранение, поддержание и воспроизводство плодородия почв. Почва является центральным звеном природной среды. От ее плодородия и экологической безопасности зависит в конечном итоге здоровье человека.

Земельно-почвенные ресурсы Владимирской области характеризуются крайне неблагоприятным состоянием. В результате нерационального сельскохозяйственного использования снижается их качество, что вызвано потерями гумуса и питательных веществ, подкислением почвенной среды, антропогенным загрязнением, нарушениями почвенного покрова в результате эрозии. Меняются свойства почвы, состав веществ в ней, снижается способность минерализовать органические остатки из-за уменьшения видового состава и численности микроорганизмов. Эти и другие признаки деградации почв усугубляются с каждым годом [104].

К 2006 году, по сравнению с 1990 годом, в районах области удельный вес близких к нейтральным и нейтральных почв пашни уменьшился на 4-12%, а в среднем по области на 6%. Содержание обменного калия в пахотных почвах на 2004 год соответствовало среднему уровню и составляло 110 мг/кг почвы. В 2004 году 44% пахотных почв имели очень низкое и низкое соде