Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПРИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ 8
1.1. Антропогенное влияние на агроландшафты 8
1.2. Плодородие и деградация земель сельскохозяйственного назначения 11
1.3. Загрязнение почв тяжелыми металлами и радионуклидами 20
1.4. Устойчивость агроэкосистем во времени и пространстве 26
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 31
2.1. Характеристика района исследования 31
2.2. Объекты и условия проведения исследований 34
2.3. Методика проведения исследований и объем выполненных работ 43
ГЛАВА 3. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ПУТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПЛОДОРОДИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ АРХАНГЕЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ. 54
3.1. Состояние плодородия почв агроландшафтов Архангельской области (по данным агрохимического мониторинга реперных участков) 54
3.1.1. Структура земель сельскохозяйственного назначения в Архангельской области 54
3.1.2. Состояние земель сельскохозяйственного назначения в агроэкономи-ческих районах Архангельской области 55
3.1.3. Загрязнение почв тяжелыми металлами и радионуклидами 63
3.1.4. Качество продукции сельскохозяйственного производства 72
3.2. Элементы плодородия почв различных видов сельскохозяйственных угодий на примере Приморского района Архангельской области 76
3.2.1 Развитие и урожайность сельскохозяйственных культур 76
3.2.2. Состояние плодородия почв различных видов сельскохозяйственных угодий в Архангельской области 82
3.2.3. Основные показатели плодородия почв и их значения при различном уровне урожайности сельскохозяйственных культур 92
3.2.4. Соотношение между компонентами органического вещества почвы при различном использовании сельскохозяйственных угодий 98
3.2.5. Экологическое обоснование повышения плодородия пойменных почв в условиях Архангельской области 104
3.3. Влияние применения удобрений в системе севооборота на показатели плодородия почв пашни 108
3.3.1. Агрохимические показатели почвы 109
3.3.2. Агрофизические показатели почв 111
3.3.3. Микробиологическая активность почвы 112
3.3.4. Энергопотенциал органического вещества дерново-подзолистой почвы 123
3.3.5. Экологическое значение показателей потенциального и эффективного плодородия пашни 126
ВЫВОДЫ 131
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 133
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 134
ПРИЛОЖЕНИЕ 155
- Плодородие и деградация земель сельскохозяйственного назначения
- Характеристика района исследования
- Состояние земель сельскохозяйственного назначения в агроэкономи-ческих районах Архангельской области
Введение к работе
Актуальность исследований. Сохранение плодородия почв является стратегической задачей для оптимизации и устойчивого развития как растениеводства, так и животноводства. При агроэкологической оценке плодородие почвы рассматривается не только с точки зрения источника питания растений, но и сохранения экологических функций ландшафта. Антропогенная нагрузка влияет на показатели почвенного плодородия сельскохозяйственных угодий: содержание и состав органического вещества почвы, содержание питательных веществ, кислотность почвенного раствора, плотность сложения и т.д. Определение этих показателей при различном сельскохозяйственном использовании позволит контролировать состояние почвенного плодородия в условиях Архангельской области.
В настоящее время в Архангельской области в связи со снижением уровня ведения земледелия в почве накапливается органическое вещество, которое представляет собой сложную систему, поэтому важно изучить изменение содержания его компонентов и их влияние на плодородие и устойчивость почв к деградации.
Пашня в наибольшей степени подвергается антропогенному воздействию, которое направлено в первую очередь на увеличение урожайности сельскохозяйственных культур. Происходящее при этом изменение показателей почвенного плодородия и, прежде всего, микробиологической активности почвы определяет уровень устойчивости почвы как компонента биосферы.
Цель и задачи исследований. Цель работы - провести агроэкологиче-скую оценку сельскохозяйственных угодий Архангельской области, и предложить приемы повышения плодородия почв.
Задачи исследований:
оценить современное агроэкологическое состояние почв сельскохозяйственного назначения Архангельской области;
сравнить основные элементы плодородия почв целины, пашни, пастбищ и сенокосов;
оценить состояние органического вещества почв различных видов сельскохозяйственных угодий;
изучить влияние антропогенных факторов на показатели плодородия почв пашни.
Научная новизна. Впервые проведена сравнительная оценка основных показателей почвенного плодородия и энергетического состояния органического вещества пойменной почвы на различных участках сельскохозяйственного пользования. Определены показатели, характеризующие агроэкологическое состояние почв сельскохозяйственного назначения в условиях Архангельской области (количество лабильных гумусовых веществ, плотность сложения, структура почвы, содержание биомассы почвенных микроорганизмов, интенсивность дыхания и целлюлозоразлагающая активность почвы). В условиях Архангельской области установлено положительное влияние применения органических и минеральных удобрений на микробиологическую активность почвы пашни: в среднем микробиологическая активность при внесении минеральных удобрений увеличилась на 7 % (последействие не отмечено), а при совместном применении органических и минеральных удобрений до 30 % (при последействии в среднем на 17 %). Исследования показали, что различный тип почвы, вид сельскохозяйственного использования, внесение удобрений и возделываемая культура не влияют на соотношение между компонентами органического вещества почвы: углерод гумуса составляет 95-97 %, негумифицированное органическое вещество - 3-5 %.
Практическая значимость. С учетом сельскохозяйственного использования участков проведена оценка агроэкологического состояния почв агро-ландшафтов за период с 1985-2005 гг. (по данным агрохимического мониторинга реперных участков в Архангельской области). Выявленные показатели, характеризующие агроэкологическое состояние сельскохозяйственных угодий
(пашни, сенокоса, пастбища) могут быть использованы для разработки критериев и параметров допустимых антропогенных нагрузок на компоненты агро-ландшафтов в условиях Архангельской области. Установлено положительное влияние применения органических и минеральных удобрений на урожайность картофеля (прибавка урожая составила 25 %). В ходе исследований доказано, что для сохранения плодородия и устойчивости органического вещества почвы следует вводить в севообороты однолетние травы.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации доложены на Ученых Советах ГНУ АРХНИИСХ (2003, 2004, 2006, 2007 гг.). Основные положения и результаты исследований были представлены на молодежной международной конференции «Экология 2003» (Архангельск, 2003); VII Сибир-цевских чтениях (Архангельск, 2005); Всероссийской конференция с международным участием «Академическая наука и ее роль в развитии производительных сил в северных регионах России» (Архангельск, 2006); Научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов (Санкт-Петербург, 2007); XI Перфильевских научных чтениях «Биоразнообразие, охрана и рациональное использование растительных ресурсов Севера» (Архангельск, 2007); Международной молодежной конференции «Экология 2007» (Архангельск, 2007); Молодежной научной конференции «Экологические проблемы Севера» (Архангельск, 2008); 42-й Международной научной конференции ВНИИА «Агрохимические технологии, приемы и способы увеличение объемов производства высококачественной сельскохозяйственной продукции» (Москва, 2008); Всероссийской конференции с международным участием «Северные территории России: проблемы и перспективы развития» (Архангельск, 2008). По материалам исследования опубликовано 16 работ, в т.ч. две в журналах из списка ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 154 страницах машинописного текста, включает введение, 3 главы и предложения
7 производству. Содержит 51 таблицу, 12 рисунков, приложение. Список литературы состоит из 203 отечественных и 15 зарубежных источников.
Автор выражает благодарность д.с-х.н. О.Д. Кононову за поддержку и общее руководство. Особая признательность д.с-х.н., профессору Е.Н. Наквасиной и к.с-х.н., доценту СВ. Любовой за консультации и оказание всесторонней помощи и поддержку при написании диссертации, к.эк.н. Л.А. Поповой за содействие в проведении исследований, научному сотруднику И.М. Варпахович за помощь в сборе полевого материала и начальнику отдела ФГУП САС «Архангельская» Н.А. Бурикову за предоставленную информацию.
Основные положения, выносимые на защиту:
сравнительная оценка показателей почвенного плодородия различных видов сельскохозяйственных угодий;
особенности соотношения компонентов органического вещества и энергетические характеристики почв сельскохозяйственного использования;
микробиологическая активность почвы пашни при применении органических и минеральных удобрений в условиях Архангельской области.
Плодородие и деградация земель сельскохозяйственного назначения
Исследования проблемы плодородия почв имеют длительную историю, однако ее актуальность становится более острой и злободневной (Лыков, 2002). Продуктивность и устойчивость функционирования агроценоза во многом определяется уровнем плодородия почвы (Якименко, 2008). Формирование плодородия почвы происходит в условиях действия определенных факторов почвообразования в процессе развития экосистемы. Одновременно характер и особенности развития экосистемы определяются уровнем плодородия (Володин, 2000). В.И. Вернадский (1978) рассматривал плодородие как специфическое свойство биосферы, и придавал большое значение изменчивому экономическому фактору. М.А. Глазовская (1999) связывала плодородие почвы с ее способностью обеспечивать растения необходимыми элементами питания. С.А. Алиев (1980) отмечает, что только почвенно-экологический анализ протекающих в почве биологических, физических и химических процессов позволяет создавать оптимальные условия, обеспечивающие повышение продуктивности сельскохозяйственных культур и как следствие плодородие почвы.
Анализируя определения плодородия почвы можно сделать вывод, что в одних делается акцент на способность почвы обеспечивать растения элементами питания, в других плодородие рассматривается как уровень урожайности сельскохозяйственных культур. Понятие плодородия охватывает агрономические и экологические свойства почвы. При агроэкологической оценке земель плодородие почвы рассматривается не только как удовлетворение потребности растений в условиях жизни, но и сохранение экологических функций ландшафта.
Б.А. Никитин (1985) выделяет три типа плодородия: естественное (характерно для девственных биогеоценозов), искусственное (наблюдается в теплицах и гидропонике) и смешанное (присуще всем сельскохозяйственным и многим лесным угодьям). И.И. Карманов (1980) отмечает, что в настоящее время более правильно говорить не о природном (естественном), а о потенциальном плодородии. По мнению В.Г. Сычева (2000) плодородие почв характеризуется тремя основными группами факторов: агрохимическими, агрофизическими и биологическими, которые в свою очередь в процессе сельскохозяйственного использования подвергаются деградации.
Плодородие охватывает все агрономические и экологические характеристики почвы. Трактовка плодородия почвы с позиций оценки производительных функций должна быть приведена в соответствие с экологическими требованиями. Плодородие почвы должно соотноситься с определенными ее функциями: производительной, экологической (Кирюшин, 2007). Почва как система находится в постоянном обмене энергией и веществом с окружающей средой и обладает совокупностью свойств, следовательно, почвенное плодородие динамично.
Плодородие почв в Архангельской области ограничено биоклиматическими условиями. Лимитирующими факторами являются термические ресурсы, прогрессирующее переувлажнение и заболачивание сельхозугодий, их высокая кислотность. Ведение земледелия в этих условиях должно осуществляться с учетом биоклиматического потенциала, который воздействует на почву, растительность и, в конечном счете, обуславливает экономическую эффективность производства (Экологизация производства..., 1994). При отступлении от научно-обоснованных систем земледелия начинается деградация почвенного покрова.
В литературе встречаются различные определения деградации. В "Толковом словаре по почвоведению" (1975) деградация в широком смысле трактуется как совокупность процессов, ухудшающих плодородие почвы. В более узком -как процессы разрушения структуры и потеря обменных оснований, а иногда и вымывание ила в черноземах. По мнению В.Г. Мамонтова, Н.П. Панова (2004), деградация обусловлена человеческой деятельностью и приводит к устойчивому ухудшению свойств и режимов почвы, которое выражается в ослаблении экологических и производительных функций. Механизмы, определяющие деградацию почв при их сельскохозяйственном использовании, обусловлены изменением соотношения и интенсивности элементарных почвенных процессов, а также специфическими антропогенными процессами, отличающимися от природных (Кирюшин, 1998). В наиболее яркой форме деградация почв проявляется при экстенсивном использовании сельскохозяйственных угодий (Панов, Мамонтов, 2001).
Характеристика района исследования
Архангельская область расположена на северной окраине Русской равнины (площадь 308,6 тыс. км"). Территория области имеет плоский равнинный рельеф, сильно заболочена. Основные водораздельные плато и отдельные возвышенности редко превышают 200-300 м над уровнем моря, что при большой пологости склонов не нарушает общего равнинного характера поверхности.
Водный режим рек в целом характеризуется следующими основными чертами: высоким весенним половодьем, летней меженью, лишь изредка прерываемой дождевыми паводками, осенним паводком. На весну приходится около 60 % годового стока, па лето - 10-20 %, на осень - около 20 % и на зиму - 5-10 % (Агроклиматические ресурсы..., 1971).
Почвенный покров области пестрый, что обусловливается, прежде всего, значительной протяженностью территории области с севера на юг и с запада на восток. В зависимости от биоклиматических условий, рельефа, характера поч-вообразующих пород, глубины и состава грунтовых вод в области выделяется несколько разновидностей почв (тундровые, подзолистые, иллювиальные, дерново-карбонатные, болотные, аллювиальные).
По своему географическому положению территория области сосредоточена в трёх природно-климатических зонах: полярной, лесотундровой и таёжной. Каждая из названных зон существенно отличается по своим агроклиматическим ресурсам, обеспечивающим естественные условия специализации и размещения сельскохозяйственного производства на её территории. Растительный покров территории изменяется с севера на юг, создавая ландшафтные зоны тундры, лесотундры и тайги.
В зоне тундры господствуют особые типы низкорослых кустарников и кустарничков. Из кустарников особенно характерны ивы, из кустарничков - голубика, брусника, вероника, багульник. Из травянистых встречаются различные виды осок, селезёночник, хвощ полевой, пушица узколистная, овсяница и др.
В зоне лесотундры преобладает тундрово-болотная растительность с небольшими островками низкорослого редкостойного елового леса.
Лесотундра постепенно переходит в подзону северной тайги, для которой характерны большая заболоченность (особенно на водоразделах) и отсутствие широколиственных пород; в древостое господствуют ельники. Юг области входит в подзону средней тайги с преобладанием хвойных (еловых и сосновых) лесов с примесью мелколистных пород; на востоке примешиваются сибирские формы (пихта, лиственница).
Основная часть территории области покрыта лесами, которые представляют собой формации хвойных пород бореальной структуры (Бабич и др., 1999). Земли лесного фонда составляют 64 % от общей площади области, земли сельскохозяйственного назначения — 1,5 %. На водоразделах сельскохозяйственные почвы представлены в основном дерново-подзолистыми (44,3 %), а по речным долинам и дельтам рек - аллювиальными почвами (38,7 %) (Варфоломеев, Цымбалюк, 2005).
Агроклиматические ресурсы, определяющие природные зоны территории области, представляют собой группу наиболее устойчивых, внешних по отношению к производству факторов, влияющих на специализацию и размещение сельского хозяйства, на возможности эффективного возделывания тех или иных сельскохозяйственных культур (Забродин, 1999).
Сельскохозяйственная характеристика климата территории области, включающая в себя оценку ресурсов солнечной радиации, термических ресурсов, условий влагообеспеченности и других условий, даёт основания для рационального развития и размещения сельскохозяйственного производства, более обоснованной оценки её ресурсного потенциала (таблица 2.1).
Состояние земель сельскохозяйственного назначения в агроэкономи-ческих районах Архангельской области
В ходе исследований за 25-летний период проведена оценка состояния земель сельскохозяйственного использования. Динамика изменения агрохимических показателей на почвах пашни, сенокосов и пастбищ представлена в таблицах 3.3 и 3.4.
В агроэконолшческом районе находится пять реперных участков, из них на пашне расположены № 04, 06, 23; на пастбище № 02, 03. По сравнению с 1981-1985 годами в пахотных почвах произошло увеличение содержания органического вещества с 1,78 до 2,39%, кислотность почв не изменилась (рНсол =5,8), значительно уменьшилось содержание нитратного азота (на 76 %). Содержание подвижного фосфора по сравнению с 90 годами XX века уменьшилось на 20 % и составило 256 мг/кг, что связано с сокращением количества внесенных удобрений и закреплением фосфатов почвами, содержание подвижного калия, напротив, увеличилось на 40 % (до 142 мг/кг), что может быть связано с пополнением из необменных форм.
На почвах пастбищ за последние 15 лет также наметилась тенденция к увеличению содержания органического вещества (с 2,41 до 4,45 %), при этом кислотность почв осталась стабильной (рНсОЛ=6,3). Гидролитическая кислотность за этот период изменялась в значительных пределах с 2,2 до 1,5 мг-экв./100г. Содержание нитратного азота резко сократилось, подвижного фосфора постепенно уменьшается (до 250 мг/кг). Содержание подвижного калия по годам носит скачкообразный характер, что может быть связаны с интенсивностью зоогенной нагрузки.
Если сравнить состояние плодородия почв на пашне и пастбище в данном агроэкономическом районе, то почвы пастбища в настоящее время имеют наиболее высокие показатели по содержанию органического вещества, оптимальной кислотности и практически не уступают пашне по содержанию питательных веществ, что может быть связано с естественным внесением органических удобрений при выпасе скота.
