Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ 15
ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 26
Программа и методика исследований 26
Методика учетов и наблюдений 33
Условия проведения исследований 35
3. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА.
ТЕНДЕНЦИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ ЗА ПОСЛЕДНИЕ
40 ЛЕТ 40
Динамика содержания гумуса 40
Динамика содержания и баланс усвояемых форм азота, фосфора и калия 43
Содержание микроэлементов 60
3.4. Агроэкологическая оценка почв по содержанию тяжелых
металлов и радионуклидов 62
4. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ
ПОЧВ 74
4.1. Научное обоснование эффективности сидерации почв 75
Состояние изученности вопроса 75
Особенности роста, развития и сравнительная продуктивность культур, используемых для сидерации 84
Формирование корневой массы и накопление гумуса в почве сидеральными культурами 88
Динамика питательных веществ в лугово-каштановой почве в зависимости от ее гранулометрического состава и видов удобрений .... 91
Влияние видов удобрений на динамику водно-физических свойств почвы 100
Влияние видов удобрений, гранулометрического состава лугово-каштановой почвы на рост, развитие куста, урожайность и качество винограда 107
4.2. Мобилизация ресурсов атмосферы для пополнения запасов
азота в почве 115
Особенности азотного питания бобовых культур 115
Влияние минеральных удобрений и погодных условий на накопление и азотфиксирующую способность клубеньков люцерны 119
Размеры азотфиксации люцерной и соотношение биологического и минерального азота в урожаях 125
Азотфиксирующая способность люцерны на лугово-каштано-вой почве при орошении и влияние на нее азотно-фосфорных удобрений 131
5. МАСШТАБЫ ПРОЯВЛЕНИЯ ДЕФЛЯЦИИ ПОЧВ И НАУЧНЫЕ
АСПЕКТЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОЦЕССА ОПУСТЫНИВАНИЯ
ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО ПРИКАСПИЯ 135
5.1. Дефляция почв на пахотных землях и возможности ее пре
дотвращения ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ И ЧЕРЕДОВАНИЯ
КУЛЬТУР В СЕВООБОРОТАХ 137
Роль подбора культур и рационального их чередования в посевах в снижении дефляции почвы 137
Динамика влажности почвы в чистых, занятых парах и под полевыми культурами 141
Питательный режим и баланс питательных веществ в почве парующих полей и под полевыми культурами 156
Накопление органической массы агроценозами и баланс гумуса в почве 169
Влияние чистых, занятых паров и непаровых предшественников на урожайность озимой пшеницы 174
5.2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КАК ФАКТОР УСИЛЕНИЯ ДЕФЛЯЦИИ
ПОЧВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ИЛИ ИСКЛЮЧЕНИЯ ИЗ СИСТЕМЫ
ЗЕМЛЕДЕЛИЯ РЕГИОНА 181
Влияние механической обработки и полного ее исключения на плодородие почвы 187
Роль почвозащитной и нулевой обработок почвы в регулировании дефляционных процессов 197
Влияние обработки почвы и полного ее исключения, а также предшественников на урожайность озимой пшеницы 199
5.3. Научные аспекты восстановления противодефляционной устойчивости и повышения плодородия почв пастбищных угодий
Влияние отдыха от выпаса животных на флористический состав и продуктивность пастбищ 204
Оптимизация условий питания пастбищных фитоценозов 209
Влияние подсева трав и удобрений на накопление поукосно-корневой органической массы и плодородие почвы 212
Влияние подсева трав и удобрений на продуктивность пастбищ
и экологическую ситуацию в регионе 216
5.3.5. Химический состав пастбищного фитоценоза при применении
различных видов и доз удобрений 219
5.3.6. Создание кустарниково-пастбищных фитоценозов как фактор
повышения противодефляционной устойчивости, повышения плодо
родия почвы и продуктивности деградированных пастбищ 221
6. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ БИОМЕЛИОРАЦИИ ЗАСОЛЕН
НЫХ ПОЧВ 230
6.1. обоснование выбора культур для биомелиорации 230
Влияние степени засоленности почвы и условий влаго-обеспеченности на продолжительность прохождения фаз развития растений 244
Влияние условий влагообеспеченности и степени засоленности ПОЧВЫ НА ПОЛНОТУ ВСХОДОВ И ИЗРЕЖИВАЕМОСТЬ ПОСЕВОВ
кормовых культур 253
Линейный рост растений в зависимости от условий влагообеспеченности И СТЕПЕНИ ЗАСОЛЕННОСТИ почвы 258
Влияние степени засоленности почвы в условиях естественного УВЛАЖНЕНИЯ И ПРИ ОРОШЕНИИ НА НАКОПЛЕНИЕ ПОУКОСНО-
КОРНЕВЫХ ОСТАТКОВ КОРМОВЫХ КУЛЬТУР В почве 260
Урожайность кормовых культур в богарных и орошаемых условиях в зависимости от степени засоленности почвы. Коэффициент использования ФАР 266
Химический состав и кормовая ценность фитомассы многолетних трав и сахарного сорго в зависимости от условий влагообеспеченности И СТЕПЕНИ ЗАСОЛЕННОСТИ почвы 277
6.8. ВЫНОС ТОКСИЧНЫХ СОЛЕЙ ИЗ ЗАСОЛЕННОЙ В РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ПОЧ
ВЫ ФИТОМАССОЙ КОРМОВЫХ КУЛЬТУР В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ВЛА
ГООБЕСПЕЧЕННОСТИ 284
7. ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФ
ФЕКТИВНОСТЬ ПРИЕМОВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОДУКТИВНОСТИ
ЗАСОЛЕННЫХ И ПОДВЕРЖЕННЫХ ОПУСТЫНИВАНИЮ ПОЧВ
ЗАПАДНОГО ПРИКАСПИЯ 293
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 300
ВЫВОДЫ 303
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 308
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 310
ПРИЛОЖЕНИЯ 352
Введение к работе
Общая площадь засушливых территорий России, включая аридные и субаридные, составляет около 150 млн.га, т.е. превышает территорию всей Европы. По различным оценкам от 60 до 80% земель аридной зоны подвержены сегодня процессам дефляции, а общая площадь сельхозугодий, подверженных опустыниванию, составляет около 100 млн.га, засолено более 16 млн.га, из них 4,5 млн.га пашни (Каштанов А.Н., 2000). Аридность климата по многолетним данным не затухает, наоборот, нарастает: если в восемнадцатом веке было отмечено 34 засушливых года, то в девятнадцатом - 40, в двадцатом - 49 (Шабаев А.И., 2000).
Пытаясь получить в этих условиях максимум продукции животноводства и растениеводства, пользователи земель продолжают тенденцию, направленную на дальнейшую их деградацию. Сложившаяся многолетняя практика пастбищепользования и земледелия аридных регионов России, в том числе и Западного Прикаспия, по своей сути является ненаучной, нерациональной, неадаптивной и антиэкологической (Каштанов А.Н., Свин-цов И.П., Шамсутдинов З.Ш., Каштанов В.П., 2001). Сильное воздействие разнообразных антропогенных факторов на фоне жестких природных условий, ранимости и нестабильности экосистем Прикаспия привели к сокращению площадей природных кормовых угодий, деградации растительности, дефляции, засолению и снижению плодородия почв, снижению продуктивности угодий, а на отдельных территориях — к полной потере их значения, как источника кормов и неблагоприятным изменениям окружающей среды, связанным, главным образом, с расширением пустынь.
Наряду с деградацией пастбищных земель, снижению плодородия почв и опустыниванию здесь подверглись и орошаемые земли из-за увеличения засоленности. В результате появилось новое качество среды обитания человека, которую можно определить как экологически дестабилизи-
рованную, представляющую собой качественно новую фазу эволюции биосферы (Зволинский В.П., Шамсутдинов З.Ш., 2000).
Между тем в этих регионах испокон века проживает более 30 млн. человек, которые хотят вести свое личное или коллективное (кооперативное) хозяйство, создать семью, обустроить и улучшить бытовые условия. Но неудовлетворительное экологическое состояние условий обитания на аридных территориях лишает их возможности решать эти задачи, тормозит физическое развитие человека, особенно в раннем возрасте. Увеличивается заболеваемость кожными и другими болезнями, снижается рождаемость (Зволинский В.П., 2000).
Неизбежный в создавшихся условиях отток населения в приграничные и более отдаленные и относительно благополучные по экологическим условиям регионы страны чреват катастрофическими последствиями не только для жителей аридных территорий, но и тех краев и областей, куда они будут перемещаться в поисках более приемлемых экологических условий.
Проблема рационального природопользования, улучшения экологической ситуации в регионе в целях недопущения таких последствий не может быть решена без разработки строго научной стратегии, ориентированной на адаптивное природо-, земле- и водопользование, восстановление и сохранение природно-ресурсного потенциала, повышение устойчивости, продуктивности и охраны агроландшафтов.
Вопросы деградации легких по гранулометрическому составу почв пахотных угодий и усиление процессов опустынивания в регионе напрямую связаны с применением зернопаровой (с чистым паром) системы земледелия, которая приводит к разрушению системы почва - растение — биологической основы ландшафтного земледелия со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями.
Природные комплексы аридных территорий, ослабленные экстремальными условиями, более ранимы, чем давно освоенные и густонаселенные территории страны. Применяемая здесь зернопаровая система земледелия, где от 17 до 50% площади отводится под чистые пары, является основой дестабилизации экологической ситуации, несмотря даже на то, что в этой зоне применяют почвозащитную систему обработки почвы с сохранением стерни на ее поверхности. Поэтому в земледелии этих регионов должны использоваться иные возможности защиты почвы от дефляции, основанные на сохранении растительного покрова (живого и мертвого) на ее поверхности, вплоть до полного исключения механической обработки.
Почвы аридных районов юга России отличаются низким естественным плодородием. В нынешних экономических условиях функционирования АПК этих регионов сельские товаропроизводители не имеют возможности приобретать и вносить минеральные и органические удобрения, что еще больше усугубляет и без того сложное положение с обеспечением фи-тоценозов питательными элементами. В этих условиях представляется обоснованным использование сидерации почвы, а также бобово-ризобиль-ного синтеза азота атмосферы для повышения ее плодородия.
Из 31,16 млн.га пустынной, полупустынной, сухостепной и степной зон России в пределах Прикаспийской низменности, по данным Е.С. Павловского и В.И. Петрова (1995), почти половина (15-16 млн.га) была затоплена Хвалынским морем, оставившим на этой территории около 700 млрд.т солей. Применявшиеся до сих пор попытки повысить продуктивность засоленных почв с помощью энергетической интенсификации не дали желаемых результатов, вследствие недостаточного и аритмичного атмосферного увлажнения, постоянного подпитывания вредными солями зоны аэрации и водоносных горизонтов почвы.
Создание продуктивных агрофитоценозов в этих условиях, где господствуют экстремальные факторы для жизнедеятельности растений, воз-
можно путем подбора культур и сортов, толерантных к перечисленным и другим экстремумам и адаптация их к конкретным условиям среды. Использование средоулучшающей и фитомелиорирующей роли мезогалофи-тов для повышения продуктивности засоленных почв, которые занимают обширные территории Прикаспийской низменности, следует рассматривать как новый и эффективный подход к исследованию этой проблемы. Целью проводимых исследований было:
выявить тенденцию изменения содержания гумуса, основных элементов питания растений, включая и микроэлементов, в почвах региона за последние 40 лет, а также тяжелых металлов и радионуклидов в почвах и продуктах питания за период с 1981 по 2004гг.;
разработать биологические приемы повышения плодородия почв, основанные на сидерации с использованием высокоурожайных бобовых промежуточных культур и бобово-ризобильного синтеза азота атмосферы люцерной;
разработать и научно обосновать наиболее эффективную систему защиты почв от дефляции и предотвращения опустынивания территории на агроландшафтной основе, включающую: подбор и рациональное размещение культур; разработка севооборота и системы обработки почвы на пахотных землях, повышение экологической устойчивости, биоразнообразия и биопродуктивности естественных кормовых угодий;
подобрать культуры, толерантные к засоленной среде, установить их адаптивный потенциал к различным условиям увлажнения и степени засоленности, выявить возможности биомелиорации почв с использованием мезогалофитов.
Для достижения поставленных целей решены следующие задачи:
— проанализированы результаты шести туров (за 1966-2004гг.) поч-
венно-агрохимического обследования территории Дагестана по данным
Государственного центра агрохимслужбы «Дагестанский» на площади
1842,1 тыс.га, установлена динамика содержания в почве гумуса, NPK, а также микроэлементов, тяжелых металлов, радионуклидов в почве и растениях по данным 10 стационарных участков;
исследована динамика влажности почвы, формирования их запасов в годичном цикле после паров и непаровых предшественников озимой пшеницы, при различных системах обработки почвы и полном исключении их из технологии возделывания полевых культур, приемах восстановления биопродуктивности пастбищных угодий;
изучена динамика плодородия почв региона под влиянием рассматриваемых предшественников, систем механической обработки, методов обогащения органическим веществом, приемов восстановления биоразнообразия фитоценозов и продуктивности Кизлярских пастбищ, а также адаптивных возможностей мезогалофитов методами агрофизических и агрохимических исследований;
установлена противодефляционная роль различных культур, систем обработки почвы и приемов восстановления биопродуктивности и биоразнообразия пастбищных угодий, разработаны коэффициенты проти-водефляционной устойчивости полевых культур;
выявлены особенности роста и развития культур полевого севооборота, лугопастбищных трав на подверженных дефляции и засоленных почвах региона в связи с исследуемыми приемами повышения их плодородия;
установлены азотфиксирующая способность и коэффициент азот-фиксации люцерной по двум природным зонам страны и на различных фонах минерального питания;
изучена динамика засоренности почвы и посевов культур полевого севооборота на фоне различных систем механической обработки почвы;
определена продуктивность культур полевого севооборота и кус-тарниково-пастбищных угодий при изучаемых приемах повышения их продуктивности;
исследованы химический состав и кормовая ценность основной, побочной продукции, пожнивно-корневых остатков полевых культур и лу-гопастбищных трав;
дан анализ достоверности результатов исследований дисперсионным и регрессионным методами;
дана биоэнергетическая и экономическая оценка разработанным приемам защиты почв от дефляции, повышения биопродуктивности и биоразнообразия агроландшафтов.
Научная новизна полученных результатов исследований заключается в том, что впервые в условиях Западного Прикаспия:
- проанализирована тенденция изменения плодородия почв за по
следние 40 лет и разработаны приемы ее восстановления и повышения ис
ключительно биологическими методами с помощью сидерации и мобили
зации ресурсов азота атмосферы;
- разработаны основы агроландшафтной системы природопользова
ния Западного Прикаспия, базирующиеся на:
освоении нового вида севооборота - зернотравяного с выводным полем бобово-мятликовых многолетних трав (25%), занятым паром (25%) и озимой пшеницей (50%), в котором полностью исключены чистые пары, как фактор дестабилизации экологического равновесия и усиления процесса опустынивания территории;
создании мульчирующей прослойки из лишенной жизнеспособности фитомассы многолетних трав и сорно-полевой растительности на поверхности почвы в период, свободный от посевов культур севооборота, а также полного исключения механической обработки легких по механиче-
скому составу почв, как надежного способа предотвращения дефляции и сохранения влаги в почве;
сочетании приемов защиты от дефляции и повышения плодородия
ф почв пахотных земель с приемами закрепления песков и повышения био-
разнообразия и биопродуктивности пастбищных угодий путем предоставления им трехгодичного отдыха, подсева трав, внесения органо-минераль-ных удобрений и создания кустарниково-пастбищного поликомпонентного фитоценоза;
— разработан способ биомелиорации засоленных в разной степени
почв Западного Прикаспия путем подбора культур, толерантных к экстре
мальным климатическим и эдафическим условиям и с высокой биопродук
тивностью.
w Основные положения, выносимые на защиту:
возможность восстановления и повышения плодородия почв региона биологическим способом путем использования высокопродуктивных сидеральных культур из семейства Fabaceae и мобилизация ресурсов атмосферы с помощью бобово-ризобильного синтеза азота;
показатели азотфиксирующей способности и коэффициентов азот-фиксации Medicago sativa L. в различных экологических условиях и фонах минерального питания;
- эффективность адаптивной агроландшафтной системы природо-
т пользования на базе освоения зернопаротравяных севооборотов с вывод
ными полями бобово-мятликовых трав (25%), занятым паром (25,1%) и
озимой пшеницей на 50% площади;
коэффициенты противодефляционной устойчивости культур севооборотов;
необходимость исключения чистых паров и механической обработки почвы из системы земледелия Северо-Западного Прикаспия как основных факторов дестабилизации экологического равновесия в регионе;
целесообразность создания мульчирующей прослойки из лишенной жизнеспособности фитомассы многолетних трав и сорной растительности в период, свободный от посевов полевых культур, как надежного средства сохранения влаги и защиты почв от дефляции;
необходимость синхронного осуществления мер по восстановлению плодородия почв и биопродуктивности агроландшафтов в полевых севооборотах и на пастбищных угодьях путем предоставления им двухгодичного отдыха от пастьбы, подсева трав и органо-минерального удобрения, создания кустарниково-пастбищных фитоценозов — основных факторов закрепления песков, восстановления и повышения биоразнообразия и биопродуктивности ландшафтов;
адаптивный потенциал кормовых культур к слабо- и сильнозасо-ленным почвам в условиях естественного увлажнения и орошения, их сре-доулучшающая и фитомелиорирующая роль в экстремальных экологических условиях.
Практическая значимость выполненных исследований заключается в том, что реализация их результатов позволяет:
усовершенствовать структуру посевных площадей и построить почвозащитные севообороты и систему содержания почвы под растительным покровом в период, свободный от посевов культур севооборота, полностью исключить дефляцию, сохранить влагу в почве, восстановить и повысить природно-ресурсного потенциал агроландшафтов;
повысить устойчивость, продуктивность и охрану деградированных ландшафтов, в том числе с обнаженными песчаными массивами, путем создания кустарниково-пастбищных поликомпонентных фитоценозов в сочетании с оптимизацией условий питания растений и периодического предоставления отдыха кормовым угодьям;
существенно ограничить или исключить полностью применение минеральных удобрений за счет освоения биологической системы повы-
шения плодородия почв, основанной на сидерации и мобилизации ресурсов азота атмосферы;
— осуществить биологическую мелиорацию обширных территорий региона за счет использования культур с высоким адаптивным потенциалом к засоленной среде.
Результаты исследований прошли производственную проверку в агрофирме «18 партсъезд» и им. 20 партсъезда Тарумовского, «Путь Ленина» Кизлярского, «Заветы Ильича» Хасавюртовского, «Кунбатарский» Ногайского, «Марковский» Кумторкалинского районов, всего на площади 2886 га.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на Международных (г. Цахкадзор Армении, 1981; г. Ростов-на-Дону, 2005; п. Теберда КЧ Республики, 2005; г. Ставрополь, 2005), Всероссийских и Всесоюзных (г. Москва, 1981, 1982, 2005; г. Майкоп, 2003; г. Пенза, 2003, 2004; п. Персиановский Ростовской области, 2005; г. Краснодар, 2005), региональных (г. Махачкала, 1989, 2005) научно-практических конференциях и ежегодных отчетных сессиях Государственного центра агрохимслужбы «Дагестанский» с 1999г. и Даггоссельхо-закадемии с 2000 по 2005гг.
Материалы диссертации опубликованы в монографии и 40 научных статьях, 16 из которых в центральных изданиях.
Структура диссертации. Диссертация изложена на 351 стр. основного текста, содержит 7 глав, выводы и предложения производству, 23 рисунка, 97 таблиц и 43 приложения. Список использованной литературы включает 404 наименования, в том числе 17 иностранных источников.
Все исследования, на основании которых написана настоящая диссертационная работа, выполнены автором совместно с научными работниками Дагестанского НИИСХ Н.Р. Магомедовым, И.Р. Гамидовым, Даггос-сельхозакадемии Г.Н. Гасановым, М.Р. Мусаевым, а также под нашим ру-
ководством и непосредственном участии аспирантами М.М. Кадималие-вым и Ф.К. Мамедгусейновым. В проведении почвенно-агрохимических исследований (полевых и лабораторных), обобщенных нами в своей работе, принимал участие большой коллектив работников Государственного центра агрохимической службы «Дагестанский». Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность перечисленным работникам, принимавшим участие в совместных исследованиях.
Доля участия автора в полученных результатах исследований составляет 70%.
