Введение к работе
Актуальность темы. Устойчивость и стабильность экосистемы регулируется внутренними механизмами, что сказывается на продуктивности фитоценозов. Более объективную оценку существующим экосистемам могут дать комплексные геоботанические, экологические исследования особенностей фитоценотической приуроченности популяций и выявление разнообразия жизненных форм как механизмов устойчивости к воздействию различных факторов внешней среды. Такой подход является одним из составляющих современного экологического прогнозирования развития ландшафтных систем (Беккер А.А. и др., 1989; Исаченко А.Г., 1980; Уразаев и др., 2000; Черников В.А. и др., 2000).
В процессе естественного отбора сформировались виды и их сообщества, обладающие высокой экологической устойчивостью. Сохранение разнообразия растительных сообществ является необходимым условием достижения экологической безопасности. Во всем мире уделяется особое внимание сохранению in situ и ex situ местообитаний культурных растений и их дикорастущих родичей. Дикие родичи культурных растений (ДРКР) вместе с культурными растениями составляют основное богатство растительных ресурсов каждой страны, которое необходимо сохранять для последующих поколений (Вавилов, 1931, 1965; Дикие сородичи..., 1975; Коровина, 1980, 1985; Охрана дикорастущих..., 1985; Природный генофонд..., 1986; Брежнев и др., 1971, 1980).
В условиях биологизации земледелия важное экологическое значение имеют бобовые растения, способные фиксировать биологический азот за счет симбиотического аппарата. Они не требуют затрат на азотные удобрения, улучшают физические свойства почвы, накапливают большое количество органических остатков и являются источником кормового белка. При ограниченных материально-технических ресурсах актуальным становится наиболее полное использование биологического потенциала дикорастущих бобовых растений, адаптированных к конкретным природно-климатическим условиям. В связи с этим необходимо проведение экологических, ботанических, фитоценологических и популяционных исследований, которые позволят учесть генетические ресурсы и определить оптимальные экологические условия сохранения исследуемых видов.
Системный экологический анализ результатов полевых исследований последних лет и обобщение накопленных литературных, гербарных и геоботанических материалов дают возможность более полно выявить разнообразие растительных сообществ, в которых произрастают дикорастущие виды бобовых, выявить их экологическую пластичность и изучить особенности родового и видового разнообразия, получить сведения о распространении и состоянии популяций хозяйственно-ценных растений (кормовых, сидеральных, медоносных, декоративных и редких видов).
До настоящего времени не выделены экотипы, не достаточно сведений о разнообразии экотопов, осваиваемых видами сем. Fabaceae. Не затронута исследователями и не освещена в литературе изменчивость дикорастущих видов сем. Fabaceae, особенности варьирования морфологических и репродуктивных признаков, их кормовая и семенная продуктивность. Особый интерес представляют виды, находящиеся в Новгородской области на границах своих ареалов, в частности, популяция Medicago falcata L.
Цель исследований: экологическая оценка и выявление биоресурсного потенциала основных видов сем. Fabaceae в естественных условиях Новгородской области, анализ состояния популяций хозяйственно-ценных видов для сельскохозяйственного использования и сохранения их генофонда.
Задачи исследований: 1. Привести эколого-географическую характеристику растительности Новгородской области и установить долевое участие в ней представителей сем. Fabaceae.
2. Выявить эколого-ландшафтные особенности произрастания видов бобовых растений.
3. Провести системный анализ сем. Fabaceae на уровне экотипа, изучить фотосинтетическую деятельность их травостоев и оценить репродуктивный потенциал. Установить связи прироста урожая биомассы растений и агроэкологических условий их произрастания.
4. Провести анализ экотипических различий видового состава бобовых растений по срокам и продолжительности цветения и оценить возможности использования их в качестве медоносов.
5. Дать агроэкологическую оценку условий произрастания популяции Medicago falcata как перспективного растения для использования в сельскохозяйственном производстве.
6. Провести экологическую оценку адаптационного потенциала растений Astragalus cicer L., Onobrychis arenaria (Kit.) DC. и видов Medicago для последующего возделывания в условиях Новгородской области.
7. Оценить развитие бобово-ризобиального аппарата и надземной биомассы у различных видов бобовых в условиях культуры.
8. Изучить динамику содержания основных веществ определяющих питательную ценность изучаемых видов бобовых.
9. Провести агроэкологическую оценку биоресурсного потенциала различных видов бобовых с целью дальнейшего их использования.
Научная новизна работы. Проведена инвентаризация и эколого -географическая оценка дикорастущих бобовых растений на уровне родов, видов и экологических групп и определено их долевое участие в естественных фитоценозах. Дан анализ таксономического состава и региональных особенностей распределения дикорастущих родичей культурных растений (ДРКР) по Новгородской и Псковской областям.
Выявлены ресурсозначимые виды Astragalus cicer, Onobrychis arenaria и Medicago falcata, перспективные для дальнейшего использования в условиях Новгородской области.
Установлены ландшафтно-экологические особенности формирования надземной и подземной биомассы дикорастущих бобовых растений, определены количественные и качественные параметры морфологических и хозяйственных признаков. Созданы агроэкологические модели использования бобовых растений.
Показан характер варьирования и корреляционных связей элементов кормовой и семенной продуктивности, определяющий уровень стабильности важных признаков изучаемых популяций.
Особое внимание уделено изучению ценопопуляций Medicago falcata как перспективной сельскохозяйственной культуры.
Определена динамика цветения бобовых растений, которая обеспечивает возможность непрерывного медосбора.
Предложена и экспериментально обоснована стратегия интродукции для некоторых видов бобовых растений с учетом наиболее полного сохранения их природного генофонда.
На основании литературных, гербарных данных (1886-2008гг.) и собственных исследований создана база данных ресурсозначимых видов сем. Fabaceae для Новгородской области.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Региональные закономерности распространения и таксономическая принадлежность видов сем. Fabaceae на территории Новгородской области.
2. Агроэкологическая оценка основных ресурсозначимых видов бобовых растений в условия ландшафтов Новгородской области.
3. Эколого-популяционный анализ состояния Medicago falcata на основе численности и возрастного состава.
4. Адаптивные особенности Astragalus cicer, Onobrychis arenaria и видов Medicago и влияние агроэкологических условий на их рост и развитие.
5. Агроэкологическая оценка сохранения ресурсного потенциала видов сем. Fabaceae и растительных сообществ, в связи с влиянием антропогенных факторов на условия их произрастания.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Проведение эколого-флористических исследований на региональном уровне дает возможность реализовать основные положения государственной Стратегии сохранения редких и находящихся под угрозой исчезновения видов (2004) и Экологической доктрины Российской Федерации (2002), поскольку основная практическая деятельность ведется в рамках административных территорий. Сведения о дикорастущих бобовых растениях и их биологии могут быть использованы для разработки мер охраны природных местообитаний или режима хозяйственного использования. Результаты анализа морфологических признаков и экологической приуроченности выявленных экотипов бобовых с ценными признаками послужили теоретической базой для обоснования рациональных методов сохранения их ресурсного потенциала.
Результаты по изучению корреляционной и факторной структурам варьирования признаков в популяциях позволили выявить основные информационные показатели по признакам кормовой и семенной продуктивности.
Флористические исследования стали базовыми для подготовки Красной книги и организации комплексной работы особо охраняемых природных территорий Новгородской области. Пополнен гербарный фонд кафедр: растениеводства, биологии и биологической химии ИСХПР НовГУ им. Ярослава Мудрого, ботаники Санкт-Петербургского государственного университета, а также гербариев Ботанического института РАН им. В.Л. Комарова, Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова. Созданная информационно-поисковая система и компьютерная база данных используется при работе с гербарием на кафедрах растениеводства, биологии и биологической химии ИСХПР НовГУ им. Ярослава Мудрого.
Образцы редких видов Astragalus arenarius L., A. glycyphyllus L., A. danicus Retz., Anthyllis macrocephala Wend., Lathyrus vernus ( L.) Bernh. переданы в отдел кормовых культур Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова, а виды Medicago varia Martyn., M. falcata, Melilotus albus Medic., M. officinalis (L.) Pall. и Lotus corniculatus L. проходят производственное испытание на полях Новгородской области. По инициативе и непосредственном участии автора произведена закладка коллекционного питомника, а в СПК «Коммунар» Чудовского района Новгородской области заложены семенные посевы Medicago falcata и Lotus corniculatus на площади 50 га.
Результаты исследований представлены в монографии «Дикие и одичавшие многолетние бобовые растения Новгородской области», методических указаниях: к учебной практике по растениеводству для агрономических и биологических специальностей, «Селекция и семеноводство полевых культур», «Технология растениеводства». В учебных пособиях «Биологические основы сельского хозяйства», «Селекция и семеноводство», которые используются в учебном процессе при преподавании курсов «Селекция и семеноводство полевых культур», «Частная генетика и селекция полевых культур», «Биологические основы сельского хозяйства» и «Технология производства продукции растениеводства».
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях: Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого (1997...2011 гг.); «Научно-методические, организационные и инновационные аспекты семеноводства с/х культур в Северо-Западном регионе РФ» (Санкт-Петербург, 1999); «Эколого-экономические принципы эффективного использования мелиорируемых земель» (Белорус. гос. с.-х. акад., Горки, 2005), «Биологизация интенсификационных процессов – перспективное направление в земледелии и растениеводстве на Северо-Западе РФ» (СПб-Пушкин, 2001); «Генетические ресурсы культурных растений» (С-Петербург, 2001); Научные чтения «Белые ночи» (С.-Петербург, 2002); «Эффективность использования природных ресурсов» (В. Новгород, 2003); «Разнообразие, функционирование, продуктивность и охрана биосистем в Новгородской области» (В. Новгород 2003); «Актуальные проблемы современной науки» – 4-ая межд. конф. Молодых ученых и студентов ( Самара, 2003); «International Annual Meetings of the American Society of Agronomy» (Seattle, Washington, 2004); «Международной конференции молодых ботаников» ( С-Петербург, 2006); «Актуальные проблемы современной науки» – 9-ая межд. конф. (Самара, 2008); «Проблемы эволюции и систематики культурных растений» ( С-Петербург, 2009); Полевой сезон-2012: Исследования и природоохранные действия на особо охраняемых природных территориях Новгородской области (Национальный парк «Валдайский», 2012).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 90 научных работ, из них 18 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, монография, 26 статей в материалах Международных и Всероссийских научных конференций , 4 в иностранных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 376 страницах текста, состоит из введения, обзора литературы, материала и методик исследований, результатов собственных исследований и их обсуждения, выводов и рекомендаций для производства, списка использованной литературы и приложений. Работа иллюстрирована 63 таблицами, 46 рисунками. Содержит 22 приложения. Библиографический список использованной литературы включает 500 наименований, в том числе 126 на иностранных языках.
