Введение к работе
Актуальность темы исследований. Из 221,1 млн га сельскохозяйственных (с -х) угодий РФ природные кормовые угодья (ПКУ) занимают 90,9 млн га, в т. ч пастбища - 67,4 млн. га, из которых эрозион-но-опасных 20,1, дефляционно-опасных - 25,6, солонцовых и солонцов - 17,6, заболоченных и переувлажненных- 12,8 % Из сенокосов 12,6 % подвержено водной и ветровой эрозией, 19,7 % засолено, 31,5 % заболочено и переувлажнено Более 50 % ПКУ нуждаются в первичном обследовании или корректировке, они являются экологически ранимой нишей в биоэкосистеме, где в первую очередь страдает - почва, за счет продуктов "цивилизации" - отходы производства, свалки, стоки, отвалы, карьеры и пр Увеличение антропогенной нагрузки вызывает усиление деградации свойств почвы и угодий. Нерегулируемый подземный сток, например, при создании водохранилищ, способствует заболачиванию почв (лесная зона) или засолению (степная зона), усиливается степень эрозии почв в лесной зоне и дефляции - в сухостепной Агроген-ное воздействие из-за нерационального применения удобрений, средств защиты растений, обработки почвы, орошения, осушения и др часто приводит к потере основного свойства почв - плодородия Отсутствие почвозащитных мероприятий или (и) даже неиспользование с -х угодий приводит к резкому ухудшению их культуртехнического состояния, за-лесению, закустариванию, закочкариванию (в лесной зоне), усилению эрозии (в лесостепи) и опустыниванию - в сухой степи В связи с реформированием Гипрозем(ов) и ограничением материальных ресурсов в настоящее время наземными методами не представляется возможность решить назревшие проблемы, такие как учет и оценка состояния, картографирование, классификация и мониторинг, поэтому в работе отводится достаточно много внимания аэро-и космическим методам, позволяющим решать многие задачи с единовременным охватом больших площадей с-х угодий Наряду с дистанционной оценкой состояния почв и растительности возникает необходимость изучать ПКУ и их изменения при антропогенном воздействии агрофизическими, агрохимическими и лизиметрическими методами для выявления изменений в ГОЖ и его реакции на факторы интенсификации (орошение, удобрение, использование и др), а также реакции травостоев на потребление элементов питания, потери их с вымыванием и для получения сбалансированных по питательности кормов. В связи с вышеизложенным можно считать, что изучение агроэкосистемы "почва - растения - инфильтра-
ционный сток" комплексом современных эколого-защитных способов в настоящее время актуально и своевременно
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научных исследований ВНИИ кормов им В. РВильямса, ГНТП 0 5104 и ОЦ041
Цель исследований. Теоретическое обоснование и разработка научных основ оптимизации состояния почвенно-растительного покрова природных кормовых угодий (ПКУ) при их использовании и агроген-ном воздействии Для достижения цели были определены задачи исследований'
разработать теоретические и научно-практические принципы комплексного изучения и оценки состояния почв и растительности ПКУ с использованием современных методов исследований;
разработать методологические основы изучения почвенно-растительного покрова ПКУ с использованием аэро- и космической информации,
установить связь между спектральными характеристиками почв и растительности ПКУ в различных диапазонах электромагнитного спектра,
разработать методологически-новые принципы и основы агроэколо-гической классификации почв и растительности ПКУ,
изучить возможность комплексного районирования и картографирования растительности и почвы ПКУ на основе традиционных методов и новых средств дистанционного зондирования земной поверхности,
установить изменения агрофизических и агрохимических свойств почв ПКУ при их агрогенной интенсификации,
изучить и установить лизиметрическими методами влияние интенсификации на урожайность и продуктивность трав, потребление растениями биогенных элементов и их потери с инфильтрационным стоком в агроэкосистеме "почва - растения - инфильтрационный сток" для предотвращения загрязнения грунтовых вод и окружающей среды
Научная новизна исследований.
В результате 35-летних исследований дано научное обоснование направлению развития природной биосистемы "почва — растительность
- техногенез" при разных режимах использования и антропогенном
воздействии,
- на основе теоретических разработок по воздействию электромагнит
ного излучения (светового излучения Солнца) на поверхностные объекты
(растительность и др) и верхние слои почвы дано обоснование и выявле-
ны закономерности по отражению и поглощению светового потока в системе "растительность - почва" В зависимости от характера листовой поверхности растений, содержания хлорофилла, типологического состава растительного и почвенного покрова найдены закономерности их спектральных характеристик в различных диапазонах электромагнитного спектра, по комплексу (многофакторности) которых формируется "спектральный образ" почвенно-растительного покрова природных кормовых угодий, являющийся основой для их дешифрирования
на основе комплексного изучения почв и растительности ПКУ установлена тесная типологическая связь между почвенным и растительным покровом и их свойствами;
на основе использования аэро- и космической информации разработаны методики изучения, картографирования, классификации и мониторинга ПКУ, с учетом сложного комплекса связей в изучаемых агро-ландшафтах,
выделены по космической информации масштаба 1 1000000 типы эрозионного расчленения европейской части РФ,
разработаны принципы и критерии агроэкологической классификации ПКУ с учетом зональных особенностей почвообразования, внутри-ландшафтной приуроченности почвенно-растительного покрова и антропогенного воздействия на агроэкосистему,
выявлены критерии, определяющие изменение свойств почвы ПКУ под влиянием антропогенного воздействия,
установлены закономерности и особенности формирования свойств почв, потребления и потерь питательных элементов растений, качества инфильтрата при интенсификации лугового кормопроизводства,
разработаны методологические принципы и практические рекомендации по улучшению, рациональному использованию почв и растительности ПКУ и экологической безопасности окружающей среды.
Основные защищаемые положения.
Воздействие электромагнитного излучения на биоэкосистему «почва - растительность» определяет ее свойства и является функцией поглощения, отражения и пропускания падающей энергии
Дифференциация почвы и растительности естественных (природных) кормовых угодий по спектральным характеристикам в различных диапазонах электромагнитного спектра позволяет на новом методологическом уровне создавать высокоточные карты почвенно-растительного покрова в динамике, оценивать их состояние и проводить мониторинговые исследования в масштабе природных зон и горных поясов.
Разработанная на новых принципах и критериях агроэкологическая классификация почв и растительности естественных кормовых угодий и ресурсов на основе ландшафтно-экологической приуроченности и антропогенного воздействия
Установленные закономерности и особенности свойств почв и растительности по размерам потребления, потерь питательных элементов и загрязнению грунтовых вод при интенсификации почв луговых фито-ценозов
Мониторинговые исследования и экологические аспекты на основе использования оперативной информации дистанционными и лизиметрическими методами
Практическое значение результатов исследований заключается в следующем разработаны методики по оценке состояния, картографированию и мониторингу природных кормовых угодий с использованием аэро- и космической информации по комплексу связей в агроландшаф-тах (почва, рельеф, растительность, условия увлажнения), которые внедрены в системе Гипроземов страны и их филиалов, предложены формулы и уравнения по определению ряда агрофизических характеристик почвы (водопрочность, водопроницаемость, структурообразование, твердость) под многолетними травами, усовершенствованы агрохимические методы анализа почв (гидролизуемый азот, гумус), впервые на основе теоретических предпосьшок и их подтверждении полевыми и лизиметрическими опытами выявлены действие и последействие экскрементов крупного рогатого скота на содержание нитратов в инфильтрате, калия и нитратов в пастбищной траве, типологический состав травостоя, впервые установлена экологическая напряженность при воздействии экскрементов животных на окружающую среду, разработаны научно-обоснованные мероприятия по сохранению и оптимизации свойств почвы и растительности под влиянием факторов интенсификации Основные результаты исследований включены в рекомендации, практические руководства, книги, опубликованные в 1983, 1984, 1987, 1988,1989,1990, 1991,1998,1999, 2002, 2005, 2006, 2007 годы
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ученых и специалистов по кормопроизводству и повышению эффективности использования природных кормовых угодий (Москва, 1974, 1975), Всероссийской конференции "Окультуривание почв Нечерноземной зоны в условиях ускоренной интенсификации сельского хозяйства" (Ленинград, 1977), Всесоюзном совещании-семинаре "Обмен опытом работы по гидроме-
тобеспечению отгонного животноводства" (Махачкала, 1980), Республиканском совещании "Изучение природных ресурсов Калмыкии с использованием аэрокосмических и геофизических методов исследования" (Элиста, 1980), спецгруппе ВДНХ СССР (по инициативе МСХ СССР, МИИЗ, ВИСХАГИ) "Дистанционное зондирование, учет и картографирование сельскохозяйственных угодий (Москва, ВДНХ СССР, 1984), Всесоюзной научной конференции "Почвы речных долин и дельт, их рациональное использование и охрана" (Москва, МГУ, 1984), VII делегатском съезде Всесоюзного общества почвоведов (Ташкент, 1985), Всесоюзной конференции "Космические методы изучения биосферы" (Москва, Звенигород, 1988), I Всесоюзной конференции "Аэрокосмические методы в почвоведении" (Москва, 1989), VIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), Всесоюзной научной конференции "Проблемы интенсификации лугопастбищного хозяйства (1989), Республиканском семинаре "Улучшение горных лугов" (Черкесск-Учкекен, 1990), Международной конференции почвоведов (Астрахань -Соленое Займище, 1994), Международном семинаре "Современные проблемы и перспективы луговодства на пойменных лугах, польдерах и освоенных болотах" (Новгород, 1996), Всероссийской научно-практической конференции "Горные и склоновые земли России Пути предотвращения деградации и восстановления их плодородия" (Владикавказ, 1998), III Международной конференции "Устойчивое развитие горных территорий" (Владикавказ, 1998), Международной научно-практической конференции "Проблема воздействия движителей на почву и эффективные направления ее решения" (Москва, 1998), Всероссийской научно-практической конференции "Защитное лесоразведение и мелиорация земель в степных и лесостепных районов России" (Волгоград, 1998), I Всероссийской конференции "Лизиметрические исследования почв" (Москва, МГУ, 1998), Всероссийском симпозиуме "Лизиметрические исследования в агрохимии, почвоведении, мелиорации и агроэкологии" (Москва, ВНИПТИХИМ, 1999), III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000), Всероссийском координационном совещании учреждений Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами (Москва, ВИУА, 2001), П Международной научно-практической конференции "Машинные технологии дифференцированного применения удобрений и мелиорантов" (Рязань, 2001), I Международной конференции "Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии (Луга, Ленинград обл , 2001), Международной научно-практической конференции "Зем-
ледельческая механика в растениеводстве" (Москва, ВИМ, 2001), Международной конференции "Экологические проблемы мелиорации" (Москва, ВНИИГИМ, 2002), симпозиуме "Перспективные агрохимические технологии повышения качества кормов" (Москва, ВНИПТИ-ХИМ, 2002), Всероссийской конференции "Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации (Москва, МГУ, 2003), IV съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004), VI Международном симпозиуме "Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования" (Пущино Моск. обл, 2005), Объединенном заседании факультета почвоведения, агрохимии и экологии ТСХА, посвященном 140-летию со дня рождения академика Д Н Прянишникова (Москва, 2005), научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития отрасли кормопроизводства в Северо-Восточном регионе европейской части России (Кострома, 2006)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 98 работ, в том числе 4 книги (в соавторстве), 15 методических рекомендаций и указаний, 5 практических руководств, 1 учебное пособие (в соавторстве), 49 статей и докладов в научных журналах, сборниках и материалах конференций, 23 тезиса, получен 1 патент на изобретение
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, предложений производству, изложена на 337 страницах компьютерного текста, включает список литературы из 560 наименований, в том числе 142 на иностранных языках, 36 рисунков, 32 таблицы, 74 приложения