На правах рукописи
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
Москва – 2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный педагогический университет»
Научный консультант: Доктор биологических наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени »
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор,
главный научный сотрудник ГНУ
«Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. »
Гогмачадзе Гулади Джемалович
доктор биологических наук, профессор,
Генеральный директор ФГУП
«Всероссийский научно-исследовательский институт Агроэкоинформ»
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. »
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 (тел./, E-mail: *****@***ru )
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ – МСХА имени . | ||
Автореферат разослан «____» ноября 2013 г. | ||
Ученый секретарь диссертационного совета |
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 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. 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 придорожного землеотвода 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 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 Pb, 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, Mn и Zn. Корнеплоды в более высоком количестве накапливают Cu, Zn, Mn, Co, Pb 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 r. rosea и Dendrobaena octaedra, 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 полосой отвода 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 r. 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.
5. Существующие полосы отвода от 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 полосы отвода 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 подсолнечника, 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 агроэкологической 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 .
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 52 научные работы, включая монографию, 51 статью, в том числе 16 – 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 – 311 страниц. Она содержит 37 таблиц, 20 рисунков, 29 приложений. Список использованной литературы включает 297 работ, 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 V-III категорий в зоны традиционного придорожного отвода (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 зон землеотвода. 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 импортозамещение 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: -Эртиль» и Эртильского филиала ГУП «Воронежинвест» (Эртильский 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.
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 сельхозтоваропроизводителей, 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 F1 (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 (10×5) учетная площадь 32 м2 (8×4). 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 281, а также «Методическими указаниями по агрохимическому обследованию почв сельскохозяйственных угодий» (1985).
Рамонская односемянная - 47 Фрейя F1
| 20-50м | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 | 21 | 24 |
10-20м | 2 | 5 | 8 | 11 | 14 | 17 | 20 | 23 | |
| 1 | 4 | 7 | 10 | 13 | 16 | 19 | 22 |
Расстояние от автодороги
5-10
0-5мавтотрасса 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 | Рамонская односемянная-47 | Удобрения + гербициды |
13-15 | Фрейя F1 | Удобрения + гербициды |
16-18 | Фрейя F1 | контроль + гербициды |
19-21 | Фрейя F1 | контроль +удобрения |
22-24 | Фрейя F1 | контроль |
ПР62А91 ПР63А83
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
Основные порталы (построено редакторами)