Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1 Значение и происхождение термина «аллелопатия» 10
1.2. Современное состояние проблемы химического взаимодействия растений 11
1.3. Физиолого-биохимическая роль растительных выделений 13
2. Условия проведения исследований 23
2.1. Общая характеристика климатических условий 23
2.2. Почвенный покров 25
2.3. Фитоклимат исследуемых агроценозов в Ботаническом саду РГУ 29
3. Материал и методика проведения исследований 30
4. Основы создания луговых агроэкосистем устойчивого продуктивного долголетия 38
4.1. Аллелопатнческие свойства кормовых луговых растений, входящих в состав изучаемых агроценозов 38
4.2. Фенольные соединения в почве агроценозов разной структуры 49
4.3. Аллелопатическое взаимовлияние растений и продуктивность исследуемых агроценозов 55
5. Конкурентные взаимоотношения растений в оптимизированных луговых травосмесях в газонных агроенозах 62
6. Фитоценотический способ борьбы с сегеталыюй растительностью на примере Ambrosia artemisiifolia L 74
6.1. Устойчивость афоценозов мозаичной структуры посева к внедрению неофита Ambrosia artemisiifolia L 74
6.2. Аллелопатическая активность амброзии и луговых культур 81
6.3. Влияние изучаемых культур на Ambrosia artemisiifolia L 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
Практические рекомендации 98
ВЫВОДЫ 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 101
- Значение и происхождение термина «аллелопатия»
- Общая характеристика климатических условий
- Материал и методика проведения исследований
- Аллелопатнческие свойства кормовых луговых растений, входящих в состав изучаемых агроценозов
- Конкурентные взаимоотношения растений в оптимизированных луговых травосмесях в газонных агроенозах
Введение к работе
Актуальность проблемы. Анализ многочисленной литературы и опыта сельскохозяйственной практики по созданию «уплотненных» и «смешанных» посевов кормовых культур сенокосно-пастбищного режима показывает что посевы проводятся как правило эмпирически без достаточного научного обоснования и не базируются на знаниях о принципах структуры и функционирования луговых естественных сообществ. В то же время законы их организации являются базой научно обоснованной системы, для использования их при конструировании оптимизированных кормовых высокопродуктивных агроценозов.
В результате сельскохозяйственного производства и использования природных ресурсов, в настоящее время происходит быстрое увеличение загрязняющих и разрушающих воздействий на агро- и природные экосистемы и ускоренный рост затрат на единицу сельскохозяйственной продукции (Миркин, 1991; Ивченко, 1982) В такой обстановке, когда в значительной мере изменяется не только первичная биопродуктивность, но и преобразуется среда обитания всех живых компонентов природных и искусственных ценозов, очевидной становится необходимость научного обоснования малоэнергоёмких управляющих воздействий на агро- и природные экосистемы, а также более полного использования в них экологического потенциала в климатических условиях региона (Жученко,1993).
Решению этой актуальной задачи экологии и кормопроизводства, может способствовать конструирование и создание смешанных злаково-бобовых агроценозов, состоящих из ценных многолетних трав, в которых сочетаются свойства естественных луговых ценозов (пластичность и саморегуляция продукционно-деструкционных процессов) и высокая продуктивность искусственных ценозов без применения традиционных приемов интенсификации сельскохозяйственного производства (внесения больших доз минеральных удобрений, ядохимикатов и д.р.) (Номоконов, Сидоренко, Коваленко, Поломарчук, 1976; ПелипенкоД982)
Что касается газонных фитоценозов, то их значение, как неотъемлемого элемента благоустройства городов и населенных пунктов, непрерывно возрастает. Газоны не только увеличивают декоративность зеленых устройств, но и выполняют огромную санитарно-гигиеническую роль, оздоровляя окружающую среду. Многие сорта растений рекомендованных для пастбищных и сенокосно-пастбищных типов агроценозов, являются также и отличными газонообразователями. Однако при создании устойчиводолголетних газонных фитоценозов нужно обращать внимание не только на набор видов входящих в него, но и на структуру посева (Сидоренко, Сдобин, Сурова, 2000).
В настоящее время появилась необходимость необходимость обобщения научного и производственного опыта по возделыванию травосмесей для создания высокопродуктивных и устойчивых искусственных кормовых угодий. Раскрытие механизмов структурно-функциональной организации конструируемых кормовых агроценозов позволит определить экосистемы, которые способны в условиях Нижнего Дона обеспечить не только высокий выход хозяйственно ценной кормовой фитомассы, но и экологическую безопасность этого района (Биогеоценозы в пойме Нижнего Дона, 1978).
С 2003 - 2005 гг. нами проводились исследования аллелопатического влияния злаковых и бобовых компонентов мозаичного лугового агроценоза на амброзию полыннолистную, с целью выявления степени ингибирования амброзии различными злаковыми и бобовыми культурами. Амброзия полынполистная {Ambrosia artemisilfolia L.) - карантинный сорняк из семейства астровых (Asteraceae), который СІ914 г. активно распространяется в Ростовской области. В результате многолетних комплексных исследований, удалось найти форму конструирования малоэнергоемких, экологически безопасных и экономически рентабельных агроценозов сложной
7 горизонтальной структуры, длительного срока пользования (более 20 лет), сопровождающуюся эффектом регулирования численности сегетальной растительности в них (Номоконов,1982; Номоконов, Сидоренко, Коваленко,
Поломарчук, 1976; Сидоренко, Сурова, 2001). Большое значение в стабильности и устойчивости культурных агроценозов к внедрению сегетальной растительности (в частности к внедрению неофита Ambrosia artemisiifolia L.) имеет такое их свойство, как фитоценотическая замкнутость.
Работа является частью комплексных биогеоценотических исследований природных и искусственных лугов Низовий Дона (Сидоренко, Сурова,
Бердюкова 1992).
Научная новизна. Исследованы особенности аллелопатических свойств растительных доминант в оптимизированных высокопродуктивных луговых агроцеиозах в условиях Нижнего Дона. Также разработаны научно-практические рекомендации по подбору физиологически совместимых растительных доминант с целью повышения их урожайности, продуктивного долголетия и фитоценотической замкнутости.
Большое значение имеют данные, полученные по аллелопатическим свойствам амброзии полыннолистной, о возможности ингибирования ее роста и развития некоторыми луговыми культурами. Это свидетельствует о повышении экологической стабильности в конструируемых агроцеиозах.
Практическая ценность работы. Полученные экспериментальные данные по физиологической совместимости или несовместимости разных видов и сортов кормовых растений, позволяют при залужений культурных сенокосов и пастбищ в районах Нижнего Дона научно обоснованно подбирать компоненты в смешанные агроценозы таким образом, чтобы на ранних стадиях развития, исключить неблагоприятные аллелопатические взаимовлияния растений между собой. С другой стороны, эти данные помогут конструировать такие кормовые агроценозы, в которых благоприятные физиолого-биохимические взаимодействия фототрофов (через растительные выделения) будут способствовать оптимизации
8 ассимиляционной деятельности и повышению продуктивности сообщества, а так же продлению срока его пользования.
Выявленные закономерности по содержанию фенольных веществ, вызывающих аллелопатическое почвоутомление, могут быть использованы при планировании и создании искусственных сообществ высокопродуктивных и стабильных, в течение длительного периода пользования. Отличительной особенностью, этих искусственных сообществ, является быстрое достижение ими хозяйственно-эффективного и экологически безопасного состояния.
Кроме того, результаты исследования могут быть использованы для борьбы с сегетальной растительностью, в частности амброзией полыннолистной, путем создания луговых устойчивых травосмесей и газонных фитоценозов, приближенных по своей структуре к естественным луговым сообществам. В результате подбора в состав мозаичных фитоценозов многолетних трав с высоким аллелопатическим потенциалом, а так же путем совершенствования их горизонтальной структуры посева, создаётся неблагоприятный режим для роста и развития амброзии.
Цели и задачи исследований. Целью работы, являлось исследование эколого-ценотической оптимизации сообитаний злаковых и бобовых компонентов в искусственных ценозах, а также научное обоснование подбора аллелопатически совместимых растительных доминант в оптимизированных агроценозах, с целью повышения их фитоценотической замкнутости (экологофитоценотической «упругости»), урожайности и продуктивного долголетия.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
Исследовать особенности физиолого-биохимического взаимовлияния через растительные выделения доминант искусственных луговых ценозов.
Изучить динамику накопления суммы фенольных соединений в почве агроценозов разной горизонтальной структуры и видового состава в течении вегетационного периода.
3. Подобрать видовой состав аллелопатически совместимых групп растений среди злаковых и бобовых компонентов, перспективных для конструирования сенокосно-пастбищных и газонных фитоценозов.
Выявить оптимальный агроботанический состав конструируемых агроценозов.
Исследовать аллелопатическую активность амброзии полыннолистной.
Изучить влияние луговых растений на рост и развитие амброзии полыннолистной.
Разработать практические рекомендации по подбору физиологически совместимых растительных доминант с целью повышения урожайности, продуктивного долголетия и фитоценотической замкнутости в агроценозах.
Значение и происхождение термина «аллелопатия»
Химическое взаимодействие растений рассматривается шире, чем просто влияние совместно произрастающих высших растений. Под аллелопатией понимается круговорот, обмен, метаболизм (в широком смысле) физиологически активного вещества, свободно мигрирующего в экосистеме между организмами, населяющими ее, и косными элементами, образующими субстрат экосистемы. Метаболизм свободного активного вещества в экосистеме включает цепь последовательных превращений с момента его зарождения в организме растения-донора и выделения в среду, до момента поглощения акцептором. В аллелопатии участвует бесконечное множество органических веществ и в каждом конкретном случае действует целый набор соединений, из которых одни являются активными, а другие усиливают или, наоборот, снижают их биологическое действие.
Первоначальное определение аллелопатии дал Г. Молиш в 1937 году звучит оно дословно так: «Описанное удивительное явление влияния одного растения на другое, которое играет и будет играть значительную роль в физиологии растений, заслуживает быть закрепленным особым кратким выражением. Я предлагаю для этого слово - аллелопатия». Самое существенное в явлениях аллелопатии то, что ее эффект зависит от химического соединения, выделяемого аллелопатическим агентом в среду. Этим аплелопатия отличается от конкуренции - при которой происходит полное или частичное изъятие из среды некоторого фактора, необходимого другому растению в том же местообитании.
В 1957 г. Г. Грюммер (1957) предложил термины для обозначения химических ингибиторов, участвующих в явлениях аллелопатии. При создании этой терминологии, он учитывал как тип растения, продуцирующего ингибитор, так и тип растения, испытывающего действие ингибитора. Широко распространенным термином антибиотик он рекомендовал называть ингибиторы, продуцируемые микроорганизмами и действующие на микроорганизмы, а термин фитонцид — использовать для обозначения ингибиторов, продуцируемых высшими растениями и действующих на микроорганизмы. Для соединений, выделяемых микроорганизмами и вредных для высших растений, он предложил термин Гоймана - маразмины. Так же, ввел термин котиш для химических ингибиторов, образуемых высшими растениями и действующих на высшие растения. Большая часть экологических исследований в области аллелопатии связана с фитонцидами и колітами.
Общая характеристика климатических условий
Город Ростов-на-Дону расположен в пределах континентальной Европейской области умеренного климатического пояса. Однако климат в городе зависит не только от общих физикогеографических условий, но и размера городской площади, планировки и густоты застройки, высоты зданий, расположения промышленных объектов (Приваленко, Безуглова,2003).
Важнейшими климатообразующими факторами, определяющими в том числе и климат г. Ростова-на-Дону, являются радиационный режим (приход и расход солнечной радиации), атмосферная циркуляция, характер подстилающей поверхности, зависящий от географического положения города.
Поступление суммарной солнечной радиации при средних условиях облачности закономерно возрастает с декабря по июль, при этом максимальные значения наблюдаются в июле 713 МДж/м , минимальные-в декабре - 89 МДж/м . Среднегодовое значение суммарной солнечной радиации составляет 4858 МДж/м , Эффективное излучение города, характеризующее потери тепла за счет длинноволнового излучения, в среднем за год составляет 1747 МДж/м .
В течение года барический режим города и окрестностей определяет антициклонная циркуляция: отроги антициклонов (50%), с центрами над Казахстаном или Западной Сибирью, антициклоны и гребни (46%), смещающиеся с севера и северо-запада, и антициклоны (4 %), смещающиеся с юго-запада или юга в основном в теплый период. Существенное влияние в течение года также оказывает циклоническая деятельность: атлантические, черноморские, северо - западные, южные циклоны.
Материал и методика проведения исследований
Исследования эколого-ценотической оптимизации сообитания злаковых и бобовых компонентов в искусственных ценозах и особенностей их структурно-функциональной организации проводились в период с 2002-по 2005 г.г.
Объектами исследований были агроценозы, созданные мозаичным (АЦМ), полосным (АЦП) и сплошным (АЦС) способами посева в 1987 году на опытном участке Ботанического сада Ростовского государственного университета (РГУ). Для посева агроценозов применялись одинаковые предпосевные агротехнические мероприятия. В состав посевных смесей входили одинаковые виды и сорта злаковых и бобовых растений с одинаковой общей нормой высева 36 кг/га, но различающиеся по соотношению компонентов в конструируемых агроценозах по ширине засеваемых полос и по расстоянию между бороздками.
Для посева агроценозов применялись одинаковые предпосевные агротехнические мероприятия. В состав посевных смесей входили одинаковые виды и сорта злаковых и бобовых растений с одинаковой общей нормой высева 36 кг/га, но различающиеся по соотношению компонентов в конструируемых агроценозах по ширине засеваемых полос и по расстоянию между бороздами.
В состав «мозаичного» шестивидового агроценоза входили люцерна синегибридная (Medicago sativa L.), лядвенец рогатый (Lotus cornicalatus L.), клевер луговой (TrifoUum pratense L.\ овсяница луговая {Festuca pratensis Hads.), кострец безостый (Bromopsis inermis (Leyss) Holub), ежа сборная (Dae ty lis glomerata L.). Агроценоз засевался с образованием чередующихся квадратных элементов мозаики - парцелл размером 2x2 м . В парцеллы включались виды растений, аллелопатически совместимые друг с другом, что было установлено ранее лабораторными исследованиями, сотрудниками Ботанического сада. В перпендикулярных направлениях в «мозаичном» агроценозе (АЦМ-j) чередовались полосы, засеянные смесями семян: (I) ежа + овсяница + кострец и овсяница, а также (2) люцерна + клевер и лядвенец + клевер. Элементов мозаики получилось четыре: клевер + люцерна + кострец + ежа + овсяница - основная парцелла 1 (ОП), клевер + лядвенец + кострец + ежа + овсяница - основная парцелла 2 (ОП2), клевер + люцерна + овсяница вспомогательная парцелла 1 (ВП]), клевер + лядвенец + овсяница вспомогательная парцелла 2 (ВП2).
Аллелопатнческие свойства кормовых луговых растений, входящих в состав изучаемых агроценозов
Аллело пати чес кая активность злаковых и бобовых растительных доминант в АЦС, АЦМ, АЦП исследовалась в течение вегетационного периода их роста и развития с 2002- по2005гг., совместно с сотрудниками Ботанического сада РГУ
В результате проведения экспериментальных исследований по выявлению физиолого-биохимической совместимости (или несовместимости) друг с другом кормовых растений, перспективных для конструирования устойчивых травосмесей высокого продуктивного долголетия было установлено, что при совместном произрастании разных видов злаково-бобовых растений, могут проявляться как стимулирующее влияние физиологически активных веществ, так и отрицательные -токсические эффекты. Исследованиями установлено, что концентрация колинов в почве под опытными агроценозами в 1-й год исследований в начале вегетации: была наименьшей в мозаичном агроценозе АЦМ (11 УЕК), наибольшей в сплошном агроценозе АЦС (20 УЕК), промежуточной в полосном агроценозе АЦП (16 УЕК). К концу четвёртого года исследований наблюдалось увеличение количества содержания водорастворимых колинов в вытяжках под всеми исследуемыми агроценозами, например ( 42 УЕК в АЦП, 33 УЕК в АЦМ и 109 УЕК в АЦС). Изучение динамики накопления физиологически активных веществ в почве, под исследуемыми агроценозами показало, что наибольшее их накопление отмечено в почве под АЦС (табл.1, рис.3).
Конкурентные взаимоотношения растений в оптимизированных луговых травосмесях в газонных агроенозах
Значение газонных фитоценозов, как неотъемлемого элемента благоустройства городов и населенных пунктов непрерывно возрастает. Газоны не только увеличивают декоративность зеленых устройств, но и выполняют огромную санитарно-гигиеническую роль, оздоровляют окружающую среду. Однако газоны как правило создаются из видов недолговечных и слабо приспособленных к условиям эксплуатации. Высоко декоративные виды, формирующие газонные покрытия с длительностью функциональной способности 10—15 лет и более, высеваются пока в недостаточном количестве. При внедрении видов со сроком эксплуатации в среднем 10 лет можно сократить потребность семян только на переделку газонов в 3,3 раза (Скрипчинский, 1982). Сейчас технология производства семян трав практически одинакова независимо от последующего их использования на газонах или на культурных лугах. Многие сорта пастбищного и даже сенокосно-пастбищного назначения являются также отличными газонообразователями. Например, известные газонные сорта мятлика лугового {Роа pratensis L.) сортов Merion и Fylking характеризуются как типичные пастбищные, а сорта Delta и Primo - как сенокосно-пастбищные злаки. На устойчивость и долголетие газонных фитоценозов влияет не только набор видов, но и горизонтальная структура посева (Сидоренко, Сдобин, Сурова, 2000). В Ботаническом саду Ростовского государственного университета ведутся комплексные исследования эколого—ценотических основ оптимизации газонных фитоценозов для городов Нижнего Дона.
Важнейшим направлением этих исследований является изучение конкурентных взаимоотношений растений в газонных луговых культурфитоценозах, как факторов их оптимизации (Сидоренко, Комарова и др.,2003). В экосистемах между ценообразующими растениями происходит конкуренция за многие факторы, которых не хватает для полного удовлетворения потребностей фототрофов, но при конкуренции, как отмечает К.А. Куркин (1988), может проявляться специфичность. По мнению некоторых авторов (Миркин, 1991) на первых этапах развития агроценоза более обострённой является конкуренция за почвенные факторы (воду и элементы питания), а на последующих этапах при смыкании растительного порога - за свет. Такого же мнения придерживаются и некоторые зарубежные экологи считая эту закономерность всеобщим законом и в сукцессиях от пионерных группировок до устойчивых фито ценозов.
Похожие диссертации на Аллелопатические свойства растительных доминант в оптимизированных высокопродуктивных луговых агроценозах Нижнего Дона
