Содержание к диссертации
Введение
Экологические аспекты изучения влияния антропогенной нагрузки на фитоценозы в агроэкосистемах
Экологические вопросы химизации земледелия и окружающая природная среда 9
Особенности формирования и функционирования агрофитоценоза 18
Условия и методика исследований
Краткая характеристика почвенно-климатических условий зоны южной лесостепи Западной Сибири и места исследования 25
Введение к работе
Актуальность исследования. Взаимодействие человека с окружающей природной средой вызвало множество отрицательных последствий, что диктует необходимость последовательного формирования равновесного природопользования. Только при этом условии может быть достигнут разумный баланс во взаимодействии человека и природы, обеспечено грамотное использование естественного базиса развития производительных сил (Черников В.А., Алексахин Р.М., Голубев А.В. и др., 2000). В настоящее время перед сельским хозяйством, в связи с ростом населения, стоит задача резкого увеличения производства продуктов питания, повышения урожайности сельскохозяйственных культур, на основе интенсификации земледелия. Для решения продовольственной проблемы необходимо повысить эффективность интенсификации земледелия, усилить ее воздействие на плодородие почв и урожайность культур при сохранении экологического равновесия в природных системах (Кирюшин В.И., 1996). В сфере сельского хозяйства первичное структурное звено - агроэкосистемы. Естественно, что без знания структуры и функционирования агроэкосистем на балансово-вещественно-энергетическом уровне нельзя предпринимать какие-либо меры по управлению ими: они могут оказаться несостоятельными и даже вредными. Снижение урожайности - это уже конечная фаза реакции агроэкосистемы на имеющиеся возмущения, которой предшествуют изменения других параметров, таких, как активность микробного сообщества, сбалансированность биогеохимических циклов элементов, уровень плодородия почвы. Применяемые экологически верные интенсивные технологии должны вписываться в биогеохимический круговорот и создавать устойчивые агробиогеоценозы (Черников В.А., Алексахин Р.М., Голубев А.В. и др., 2000). Контроль над названными параметрами позволяет выявить скрытые формы нарушений устойчивости и достаточно оперативно поддерживать стабильность агроэкосистемы, т. е. сохранять заданные характеристики параметров в течение определенного промежутка времени. Поиск и разработка экологически безопасных технологий выращивания сельскохозяйственных культур особенно актуальны, поскольку они соответствуют принципам рационального природопользования.
Зерно твердой пшеницы - необходимое сырье для производства макаронных изделий, достоинствами которых является высокая питательность и калорийность, простота и быстрота приготовления, возможность длительного хранения без ухудшения цвета, вкуса и питательных свойств. Культура твердой пшеницы менее пластичная, чем мягкая, более требовательная к плодородию почвы. Получение низких урожаев связано с нарушением технологии ее возделывания и применением научных данных, накопленных при изучении мягкой пшеницы, что требует необходимых уточнений. Более объективную оценку могут дать комплексные эколого-физиологические, эколого-токсикологические и почвенно-агрохимические исследования с применением методов системного анализа.
Цель исследований - установить эколого-биологические закономерности формирования агрофитоценоза посевов твердой пшеницы в зависимости от применяемых интенсивных технологий выращивания в южной лесостепи Омской области.
Задачи исследований:
1) изучить влияние применяемых средств химизации и различных систем основной обработки почвы на экологическое состояние выщелоченного чернозема (агрофизические свойства, динамику биогенных (NPK) элементов, водный режим, микробиологическую активность, содержание тяжелых металлов) в экосистеме пшеничного поля;
2) дать экологическую оценку конкурентным взаимоотношениям между растениями твердой пшеницы и сорным компонентом, а так же фитопатологическому состоянию агрофитоценоза при применении средств комплексной химизации и различных систем основной обработки почвы;
3) установить влияние применяемых систем обработки почвы, средств химизации на продуктивность, качественный состав конечной продукции, содержание ТМ, остатков пестицидов, радионуклидов в зерне, функциональное состояние семенного материала.
Научная новизна. Впервые изучено влияние и установлена взаимосвязь ацидофицирующей активности проростков твердой пшеницы с продуктивностью культуры при систематическом применении средств химизации. По результатам экологической оценки установлено, что рациональная интенсификация традиционных систем земледелия обеспечивает высокий уровень стабильности агрофитоценоза посевов твердой пшеницы, предотвращает снижение плодородия выщелоченного чернозема, повышает урожайность и качество зерна культуры при сохранении экологического равновесия в данной системе. Определены особенности регулирования сорного компонента и фитопатологического состояния агрофитоценоза на ресурсосберегающих обработках почвы при рациональном применение средств химизации. Установлено, что длительное (с 1987 г.) систематическое комплексное применение средств интенсификации при выращивании твердой пшеницы по содержанию ТМ не превышает параметры контрольного варианта и существенно ниже ПДК как в почве, так и в конечной продукции (зерне).
Теоретическая и практическая значимость работы. Проведенные комплексные исследования подтверждают, что применение ресурсосберегающих технологий возделывания твердой пшеницы, на основе чередования приемов основной обработки почвы в севообороте, как с комплексным использованием средств интенсификации, так и отдельно взятых ее составляющих, способствует повышению продуктивности культуры, более рациональному использованию почвенно-климатических ресурсов региона и воспроизводству основных элементов плодородия. Данное заключение основано на обобщении полученных в 2003-2005 гг. результатов по изучению длительной (с 1987 г.) антропогенной нагрузки на верхний слой выщелоченного чернозема и агрофитоценоз посевов твердой пшеницы. Применение почвоохранной комбинированной системы основной обработки почвы в сочетании с комплексной химизацией позволяет получать урожай зерна на уровне, а в некоторые годы выше, чем по ежегодной вспашке, при значительном энерго- и ресурсосбережении. Соблюдение рекомендаций, разработанных на основе проведенных комплексных экологических исследований, позволит получать устойчивые урожаи зерна твердой пшеницы высокого качества, обеспечить воспроизводство почвенного плодородия и сохранить агроландшафт от загрязнения и деградации.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) состояние основных элементов почвенного плодородия, динамика содержания питательных элементов (NPK), тяжелых металлов и микробиологической активности при применении средств комплексной химизации в сочетании с комбинированной системой обработки почвы в агрофитоценозе посевов твердой пшеницы;
2) влияние средств химизации на регуляцию конкурентных отношений между культурными растениями и сорняками, развития болезней в посевах твердой пшеницы;
3) влияние средств химизации (разного уровня воздействия) и систем обработки почвы на урожайность, качество зерна, накопление тяжелых металлов, остатков пестицидов, радионуклидов, взаимосвязь ацидофицирующей активности корневой системы проростов с продуктивностью формирующихся из них растений твердой пшеницы.
Апробация работы.
Результаты исследований доложены на международной научно-практической конференции «Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона» в ОмГПУ (Омск, 2006 г.); международной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования в Казахстане и сопредельных территориях» (Павлодар, 2006 г.); VI всероссийской научно-практической конференции «Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание» (Пенза, 2006 г.); 10-ой Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущено, 2006 г.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано восемь научных работ, общим объемом 1,24 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 155 страницах и состоит из введения, обзора литературы, пяти глав, выводов, предложений производству, содержит 21 таблицу, 17 рисунков и 23 приложения. Библиографический список включает 146 отечественных и 9 зарубежных источников.
Экологические вопросы химизации земледелия и окружающая природная средаa
«Экологизация» сельскохозяйственного производства - объективно обусловленная необходимость целенаправленного перехода от сугубо технократической политики к грамотному соединению достижений научно-технического прогресса с принципами природо сообразности при организации и осуществлении различных видов производственной деятельности в сфере агропромышленного комплекса. В понятие интенсификации необходимо включать и природную составляющую (Герасимова А.Н., 2003; Дмитриева Е.А., 1990; Каштанов А.Н., 1993; Кирюшин В.И., 1996; Миркин Б.М., Наумова Л.Г., 2005; Пыхтин И.Г., 1993).
Специалист любой сферы деятельности должен понимать смысл современных проблем взаимодействия общества и природы, разбираться в причинной обусловленности возможных негативных воздействий тех или иных производств на окружающую природную среду, уметь квалифицированно оценивать характер, направленность и последствия влияния конкретной хозяйственной деятельности на природу, увязывая решение производственных задач с соблюдением природоохранных требований, уметь планировать и организовывать природоохранную работу, вырабатывать и принимать научно обоснованные решения по вопросам охраны природы.
От экологической грамотности специалистов сельского хозяйства зависят защита окружающей среды от прямого загрязнения и разрушения, снижение ресурсо-, материале- и энергоемкости сельскохозяйственного производства, внедрение малоотходных технологических систем и процессов, минимизация потерь сельскохозяйственной продукции, внедрение природосообразных систем ведения земледелия, животноводства, оптимизация ландшафта сельскохозяйственных районов, производство экологически чистой продукции. Принципиально важно придать экологическую направленность сельскохозяйственным технологиям с учетом дальнейших путей развития научно-технического прогресса, особенностей специализации и концентрации по природно-хозяйственным зонам.
Между тем заменить силы природы человеческим трудом невозможно. И в индустрии, и в земледелии человек может только пользоваться действием сил природы, если он познал механизм их действия. И не случайно результатом процесса интенсификации сельского хозяйства стали существенные негативные воздействия на природные комплексы и их компоненты, отрицательные изменения в состоянии окружающей природной среды.
Конец XX века ознаменовался глобальным экологическим кризисом в биосфере. Наряду с промышленностью и атомной энергетикой, в чашу экологических проблем внес свой вклад и кризис в сельском хозяйстве (Каштанов А.Н., 1993; Кирюшин В.И., 1996; Миркин Б.М., Наумова Л.Г., 2005; Одум, 1987; Реймерс, 1990; Яблоков, 1990; Минеев В.Г., 1990; Небел, 1993). Экологическая несостоятельность интенсивных технологий явилась предпосылкой для зарождения агроэкологии. Из имеющейся литературы по этой теме можно выделить 4 основных блока экологических проблем: деградация агроресурсов, экологический дисбаланс функциональных связей в агроэкосистемах, энергетический кризис и ухудшение качества сельскохозяйственной продукции.
Агроэкология - это комплексная научная дисциплина, изучающая взаимодействие человека с окружающей средой в процессе сельскохозяйственного производства, влияние сельского хозяйства на природные комплексы и их компоненты, взаимодействие между компонентами агроэкосистем и специфику круговорота в них веществ, перенос энергии, характер функционирования агроэкосистем в условиях техногенных нагрузок (Черников В.А., Алексахин P.M., Голубев А.В. и др., 2000; Марков М.В., 1983; Миркин Б.М., Злобин Ю.А., 1990).
В настоящее время 64 страны не обеспечивают себя продовольствием, 500 млн. человек голодают, около 1 млрд. жителей планеты хронически недоедают, 35 тыс. человек ежедневно умирают от голода (Черников В.А., Алексахин P.M., Голубев А.В. и др.). Функционирование агропромышленного комплекса определяется в первую очередь состоянием и перспективами самообеспеченности земельными ресурсами. Параллельно с ростом народонаселения происходит и будет довольно быстрыми темпами продолжаться снижение площади сельскохозяйственных угодий (и, прежде всего пашни) в расчете на каждого землянина (табл. 1) (Черников В. А., Алексахин P.M., Голубев А.В. и др., 2000).
Метеорологические условия в годы проведения исследования link2 27 Объект исследований, схема опыта и методика проведения исследований 30 Влияние длительной антропогенной нагрузки на экологическое состояние выщелоченного чернозема в экосистеме пшеничного ПОЛЯ Плотность сложения почвы и агрегатный состав 37 Динамика продуктивной влаги в почве и водопотребление твердой пшеницы 44 Динамика содержания питательных элементов (NPK) в почве 49 Показатели микробиологической активности почвы 56 Содержание тяжелых металлов в почве 61 Влияние длительного воздействия агроприемов на формирование агрофитоцеыоза посевов твердой пшеницы Регуляция конкурентных отношений культурных и сорных растений в посевах твердой пшеницы 65 4.2. title3 Развитие листостеблевых заболеваний и поражений корневыми гнилями растений твердой пшеницы title3 75 4.3. Особенности формирования биологической продуктивности твердой пшеницы 83 4.4. Структура урожая и качественный состав конечной продукции (зерна) 89 4.5. Содержание тяжелых металлов в конечной продукции (зерне) 100 Глава 5. Влияние средств интенсивных технологий выращивания твердой пшеницы на функциональное состояние семенного материала 5.1. title4 Влияние применения средств химизации на взаимосвязь ацидофицирующей активности корневой системы проростков с продуктивностью формирующихся из них растений твердой пшеницы title4 107 Выводы 114 Предложения производству 116 Библиографический список 117 Приложения 132 class2 Краткая характеристика почвенно-климатических условий зоны южной лесостепи Западной Сибири и места исследования class2 link2 Метеорологические условия в годы проведения исследования
Агропромышленный комплекс Западной Сибири по объемам производства основных видов сельскохозяйственной продукции занимает одно из ведущих мест в России. Восемь хозяйств Омской области входят в число «100 крупнейших производителей сельскохозяйственной продукции России». Площадь пашни в лесостепных районах Западной Сибири занимает около 10 млн. га или 51,3%. Юлшая часть лесостепной зоны занимает свыше 4,4 млн. га пашни или 22,8%. Зона проходит узкой полосой от Урала, через южную часть Тюменской области, охватывает южно-лесостепные районы в Омской области и Южно-Барабинскую зону Новосибирской области и включает приобскую зону Алтайского края и основную (64%) часть пашни Кемеровской области (Юшкевич, 2001).
Почвенный покров пахотных земель зоны представлен в основном черноземами выщелочеш-шми и обыкновенными. Встречаются небольшими контурами разные типы солонцов, лугов о-черноземньге и серые лесные почвы. Опыты проводили на выщелоченном черноземе, разновидность которого широко распространена в южной лесостепи Западной Сибири (Панфилов В.П., 1976). Описание почвы опытного участка приводится по материалам почвенного обследования, проведенного в 1968 г. кафедрой почвоведения Омского СХИ им. СМ. Кирова и Омской зональной агрохимической лабораторией (Мищенко, Прудникова, 1971). Почвообразующие породы представлены палево-бурыми тяжелыми суглинками и глинами, содержат карбонаты в пределах от 9 до 12% (С02). Грунтовые воды расположены на глубине 4,2 - 6,0 м, горизонтальное движение в них не наблюдается.
Опытный участок представляет собой микрорельефную равнину, около 15% территории занято лесополосами. Выщелоченные черноземы в ОПХ «Омское» в пашне занимают 34,3%, характеризуются сравнительно глубоким залеганием карбонатов кальция, глубина вскипания составляет в среднем 80-90 см (Мищенко, Прудникова, 1971).
Приведенный разрез, где располагается опытный участок, типичен для данной территории. Гранулометрический состав почвы изменяется по профилю: от среднесупшнистого до тяжелосуглинистого. С увеличением глубины содержание гумуса по горизонтам уменьшается, в его составе преобладают гуминовые кислоты. Гумус слабо міщерализован. Содержание валового фосфора в почве недостаточно: 13,5-17,6 мг/100 г почвы. Подвижного фосфора (по Чирикову) - до 8% от валовых запасов. Место его концентрации -гумусовые горизонты (табл.4), 58,3-81,2 мг КгО на 100 г почвы (по Масловой), рН солевой вытяжки близка к нейтральной. Почва опытного участка богата обменным калием, содержание которого достигает 58,3 -81,2 мг К20 на 100 г почвы (по Масловой), рН солевой вытяжки близка к нейтральной.
Развитие листостеблевых заболеваний и поражений корневыми гнилями растений твердой пшеницы
В гетеротрофном блоке агрофитоценоза немало организмов, снижающих жизненное состояние культурных растений, а значит и их урожай. Это насекомые-фитофаги, патогенные грибы, многие микроорганизмы. Между автотрофним и гетеротрофным блоками в агрофитоценозах существуют прямые трофические и косвенные средообразующие связи.
Новые интенсивные технологии возделывания зерновых культур в отличие от традиционных характеризуются высокой эффективностью воздействия на многие виды болезней, вредителей и сорняков. Вследствие их применения уменьшился ущерб, наносимый наиболее распространенными фитопатогенны-ми организмами, но существенно увеличилась опасность заболеваний (фузари-оз, септориоз и др.) (Воронин К.Е., Шапиро В.А., Пукинская Г.А., 1988; Чулки-наВ.А., 1985; Тарарико А.Г., 1990). Поэтому требуется детальный анализ фито-санитарного состояния посевов зерновых культур и внесение корректировок в систему агротехнических, химических и других мероприятий с целью разработки оптимальных систем защиты растений от комплекса вредных организмов (Политыко П.М. и др., 1996). Недобор урожая пшеницы от корневых гнилей в Сибири составляет 7-23% (ЧулкинаВ.А., 1985).
Эффективность минимализации обработки почвы в борьбе с корневой гнилью возрастает при внесении минеральных удобрений, введении в севооборот пара, а таюке при борьбе с сорняками, особенно щетинником (Чулкина В. А. и др., 1987).
Исследования, проведенные А.Н. Власенко (1994) в южной лесостепи Западной Сибири показали, что в начале освоения стационара минимализация обработки приводит к некоторому увеличению пораженности растений пшеницы корневыми гнилями, а в последующие годы происходит стабилизация по распространению и развитию корневых гнилей по всем системам обработки почвы и уровням удобренности начиная от вспашки через все ступени минимали-зации вплоть до нулевой обработіси.
Из литературных источников известно, что сохранение пожнивных остатков при плоскорезных и минимальных обработках способствует интенсивному размножению антагонистов вредителей и болезней, выполняющих фито-санитарную роль (Стейнфорт, 1983). К высоким концентрациям минеральных удобрений, а также к пестицидам растения филогенетически не подготовлены, поэтому эти факторы могут рассматриваться как стрессовые в интенсивных технологиях возделывания (Милащенко Н.Э., 1978, Петербургский А.В., 1981; Пруцков Ф.М., 1990).
Среди агротехнических приемов обработка почвы является одним из важнейших факторов, оказывающих значительное влияние на фитосанитарное состояние полей (Попов П.Ф., 2000; Сидоров А.А., 2001; Gllis J.P., 1994). Глубокая вспашка, проводимая под посев злаковых на глубину 20-22 см, снижает запас возбудителей бурой ржавчины, мучнистой росы, корневых гнилей. Кроме того, вспашка способствует заделке в более глубокие слои почвы растительных остатков зерновых культур, зараженных мучнистой росой, бурой ржавчиной, септориозом и другими болезнями. Достаточно широко распространенная плоскорезная обработки почвы с позиций защиты растений имеет много негативных последствий, проявляющихся в накоплении вредных организмов и увеличении засоренности (Ершов В.Л., 2001; Милащенко Н.З., 1971;ПалецкаяГ.Я., 1988; ШикулаН.К, Назаренко Г.В., 1990)
Воздупшо-капелъные иііфекции поражают надземную часть растений: мучнистая роса (возбудитель - сумчатый гриб Erysiphe graminis), септориоз (возбудители - несовершенные грибы Septoria tritici, Septoria graminu), бурая ржавчина (возбудитель - двудомный гриб Puccinia recondita).
Влияние применения средств химизации на взаимосвязь ацидофицирующей активности корневой системы проростков с продуктивностью формирующихся из них растений твердой пшеницы
Способ распределения элементов минерального питания в почве оказывает значительное влияние на ростовую функцию и развитие растений. В зависимости от напряженности (силы) воздействия очага на часть корневой системы растений может иметь место активация их роста и развития или, наоборот, ингибирование (Ермохин Ю.И., 1991). Поскольку с работой Н+ - насосов связано поступление в клетку практически всех питательных веществ, ацидофицирую-щая активность корней может служить одним из косвенных показателей продуктивности растений. Именно на этом принципе в лаборатории биофизики звенигородской биостанции МГУ был разработан «Способ экспресс - диагностики потенциальной продуктивности растений» (Воробьев Л.Н., 1988), позволяющий в лабораторных условия прогнозировать урожайность различных сортов пшеницы.
Важная роль в повышении продуктивности и экологической устойчивости агроценозов принадлежит динамике формирования фотосиитетического аппарата, его физиологической и энергетической активности в течение всей вегетации и, особенно при воздействии неблагоприятных факторов внешней среды (Жученко А А., 1990).
Метод рН-теста основан на исследовании ацидофицирующей активности корневой системы проростков, связанной с работой трансмембранных протонных насосов. Основу протонных насосов составляют иммобилизированные в мембранах клеток молекулы фермента АТФ-азы, использующие энергию АТФ для переноса ионов калия внутрь клетки, а протонов - наружу. В результате этого на мембране создается хемоосмотический потенциал, используемый клеткой для поглощения из внешней среды неорганических ионов, Сахаров, органических кислот и других молекул (Трапезников В.К., Иванов И.И., Тадьвин-скаяНГ, 1999).
На начальном этапе развития растения наиболее интенсивно поглощают ионы калия. Это поглощение осуществляется благодаря работе протонных насосов растения, создающих электрохимический градиент на границе с раствором. При поглощении иона КГ" растения выделяют в среду ион водорода Н+. Этот процесс начинается непосредственно с момента набухания семени, особенно интенсивно в первые часы после замачивании (Трапезников В.К., Иванов И.И., Тальвинская Н.Г., 1999; Прокошев В.В., 1994).
Различные сорта (группы семян) характеризуются различной интенсивностью ионообмена. Высокая интенсивность ионообмена растений со средой является генетически закрепленным признаком, сохраняется на последующих этапах развития растения, проявляясь в виде ускоренного метаболизма и более высокой продуктивности. У семян с ускоренной интенсивностью ионообмена более высокая всхожесть и энергия прорастания. Таким образом, потенциальную продуктивность растений можно прогнозировать на самых ранних ступенях их развития, определяя интенсивность работы протонных насосов растения. Численно она характеризуется скоростью увеличения концентрации ионов водорода в растворе (Трапезников В.К., Иванов ИХ, Тальвинская Н.Г., 1999).
Биологическая неравнозначность неорганических ионов, в том числе и катионов щелочных металлов, очевидна, хотя и понимается различно. Для биохимика ионная специфичность, - это, прежде всего, определенные ионные условия, необходимые для функционирования ферментных систем. При исследовании регуляции активности клеточных органоидов особый интерес представляет связь ионного состава среды и ионных потоков через мембраны органоидов, с одной стороны, с активностью принадлежащих органоидам ферментных систем - с другой. Все большее значение приобретает вопрос о механизмах сопряжения избирательного ионного транспорта и каталитических реакций в мембранах. Ионы и другие вещества, выделяемые корнями в окружающую среду, оказывают влияние на поглощение последними компонентов питания. Видимо, эти процессы имеют большое значение для состояния окисления катионов. Особенно важную роль в доступности некоторых микроэлементов могут играть изменения рН окружающей корни среды (Кабата-Пендиас А., Пендиас X., 1989).
