Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Эколого-агрохимическая оценка агроландшафтов в современном земледелии 19
1.1. Влияние средств химизации на изменение плодородия почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур 19
1.2. Экологические, агрономические и агрохимические аспекты применения удобрений и мелиорантов в земледелии 27
1.3. Содержание химических элементов в биосфере 36
1.3.1. Содержание химических элементов в гидросфере 36
1.3.2. Содержание химических элементов в минеральной и горной породе 39
1.3.3. Содержание тяжелых металлов в почвах природных и техногенно загрязненных ландшафтов 42
1.3.4. Содержание тяжелых металлов в растениях фоновых (незагрязненных) и загрязненных ландшафтах 44
1.4. Токсичность тяжелых металлов для растений и почвенной микрофлоры 48
1.5. Пути поступления тяжелых металлов в природную среду 55
1.5.1. Источники загрязнения агроландшафтов тяжелыми металлами 55
1.5.2. Пути поступления тяжелых металлов в растения и распределение их по органам и тканям растений 63
1.6. Влияние тяжелых металлов на качество растениеводческой продукции 69
1.7. Экологический, почвенный, агрохимический мониторинг и биологическая индикация загрязнения агроландшафтов 73
1.8. Мероприятия по ликвидации вредного воздействия тяжелых металлов на окружающую среду 83
Глава II. Программа и условия проведения исследований. Объекты и методы исследований 90
2.1. Почвенно-климатические условия Ульяновской области 90
2.2. Погодные условия в годы проведения исследований 96
2.3. Объекты и методы исследований 100
Глава III. Современное эколого-агрохимическое состояние агроландшафтов и проблема тяжелых металлов в земледелии (на примере лесостепи Ульяновской области 109
3.1. Экологическая характеристика агроландшафтов в прошлом и настоящем 110
3.2. Динамика изменения основных агрохимических показателей пашни Ульяновской области 127
3.3. Локальный мониторинг агроланшафтов Ульяновской области, его состояние и результаты 134
3.3.1. Оценка почв реперных участков локального мониторинга по почвенно экологическому индексу. 165
Глава IV. Содержание тяжелых металлов в почве 178
4.1. Тяжелые металлы в орошаемом земледелии 178
4.2. Поведение тяжелых металлов в зоне автомобильной эмиссии 184
4.2.1. Содержание тяжелых металлов в почве придорожной зоны 187
4.2.2. Биологическая активность в почве придорожной зоны 198
4.3. Поведение тяжелых металлов в системе почва-растение вблизи города Ульяновска 201
4.4. Зависимость аккумуляции тяжелых металлов растениями от удаленности от полотна дороги 215
ГлаваV. Хионно - индикационный мониторинг и его применениеие в индикации загрязнения агроландшафтов химических элементов 226
5.1.Содержание хмических элементов в снежном покрове на различном удалении от города и автомагистрали 227
Глава VI. Атмосферные осадки как фактор экологического риска 240
ГлаваVII .Водные ресурсы Ульяновской области их состояние и содержание в них тяжелых металллов 244
ГлаваVIII. Аккумуляция тяжелых металлов основными сельскохозяйственными культурами 252
8.1 Металлоаккумуляционная способность различных видов и сортов сельскохозяйственных культур в условиях агросистем Ульяновской области...253
8.2. Содержание тяжелых металлов в овощах и картофеле 266
8.2.1. Видовая специфика накопления тяжелых металлов овощами и картофелем 267
8.2.2. Сортовая специфика аккумуляции тяжелых металлов овощами и картофелем 272
8.2.3.Содержание Zn, Си, Pb, Cd, Ni, и Gs в зерне различных сортов яровой пшеницы и распределение их по цепочке «отруби-мука-хлеб» 277
Глава IX. Агрономическая, агрохимическая и экологическая оценка приемов инактивации тяжелых металлов в системе почва-растение 283
9.1.Влияние изучаемых приемов инактивации тяжелых металлов на урожай, качество возделываемых культур и содержание тяжелых металлов в них 285
9.2. Транслокация свинца в растение ячменя в зависимости от содержания в почве и инактивационных приемов 299
9.3. Влияние извести, мела и дефеката на подвижность ТМ в системе почва растение 305
9.4. Оценка приемов детоксикации тяжелых металлов в системе почва -растение 311
Выводы 320
Литература 325
Приложения 382
- Влияние средств химизации на изменение плодородия почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур
- Почвенно-климатические условия Ульяновской области
- Экологическая характеристика агроландшафтов в прошлом и настоящем
Введение к работе
Ещё в «Национальном плане действий по охране окружающей среды Российской Федерации на 1999-2001 годы» отмечалось, что на территории Российской Федерации напряженность экологической обстановки не снизилась. Более чем для 40% субъектов Российской Федерации характерны проблемы загрязнения атмосферного воздуха городов и промышленных центров, обезвреживания и утилизации токсичных отходов, радиационной безопасности. В 30% административных территорий остро стоят проблемы загрязнения поверхностных вод, загрязнения и истощения подземных вод; задача сохранения плодородия почв и земель актуальна для всей территории Российской Федерации.
В ряде регионов антропогенные нагрузки давно превысили установленные нормативы, сложилась критическая ситуация, при которой возникают значительные изменения ландшафтов, происходит истощение и утрата природных ресурсов, значительно ухудшаются условия проживания населения. К числу таких регионов относятся крупнейшие городские агломерации - Московская и Санкт-Петербургская, промышленные центры Крайнего Севера, Юга Сибири и Дальнего Востока, Среднее Поволжье, Северный Прикаспий, Средний и Южный Урал, Кузбасс. Они также оказывают заметное негативное влияние на экологическое состояние соседних регионов.
Требует решения проблема техногенного загрязнения земель, в результате которого увеличиваются площади земель, загрязненых тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, радионуклидами, химическими средствами защиты растений и другими токсичными веществами. А.Л. Иванов (2003) отмечает, что ареалы распространения техногенных выбросов вокруг промышленных комплексов охватывают 18 млн. га, в том числе 3,6 млн. га площади почвенного покрова. В общем, загрязнении доля тяжелых металлов из источников антропогенного загрязнения составляет 70...95%. В Российском земледелии экологические проблемы, как ни парадоксально, возникают в связи с вынужденной экс-тенсификацией производства.
Экстенсивное сельскохозяйственное землепользование в условиях экономического кризиса входит в число ведущих факторов деградации почвенного покрова России и по своим последствиям, часть из которых уже можно рассматривать как свершившийся факт, представляет реальную угрозу продовольственной безопасности России. Особую опасность для экологического состояния сельскохозяйственных земель представляют снижение общего уровня культуры земледелия и невыполнение обязательных почвозащитных и иных природоохранных мероприятий. Возрастающая антропогенная нагрузка и бессистемное природопользование усиливают процессы деградации сельскохозяйственных угодий.
В результате почти полного прекращения работ по сохранению и повышению плодородия земель во всех регионах России идет быстрое нарастание процессов деградации почв, резкое снижение их плодородия (Ладонин, 2000; Ро-маненко 2003; Иванов 2003) По этой и другим причинам за последние годы уже выведены из сельскохозяйственного оборота десятки миллионов гектаров земли, посевные площади сократились более чем на 30 млн. га. Сейчас по данным Агрохимслужбы, 86% площади пашни нуждается в улучшении (Сычев, 2000).
Важнейшей задачей отечественного сельского хозяйства в современных условиях остается повышение продуктивности земледелия. Успешное ее решение неразрывно связано с применением средств химизации во всех природно-сельскохозяйственных зонах России, в системах и технологиях, обеспечивающих достижение их высокой агрохимической эффективности, экологической и экономической целесообразности. Абсолютно верны аргументированные многолетними научными исследованиями и мировой практикой земледелия положения о том, что средства химизации - материальная основа плодородия почв, богатства и могущества государства, а эксплуатация почв без принятия мер по воспроизводству их плодородия - медленное экологическое самоубийство (Ми-неев, 1996,1997; Ладонин, 2000).
Отечественной агрохимической наукой установлено, что за счет органических и минеральных удобрений формируется более 50% урожая сельскохозяй-
ственных культур на пахотных землях и 30% - на луговых угодьях. В условиях современного общего кризиса экономики страны, снижение применения удобрений и химических мелиорантов приводит к расходованию активных запасов элементов питания и гумуса в почвах и, при систематическом невосполнении, к снижению продуктивности пашни. Недобор урожаев сельскохозяйственных культур, по оценке экспертов ЦИНАО, в последние годы на всей площади пашни России в денежном исчислении сопоставим с цифрами годового бюджета страны (Аристархов, 2000).
Особого внимания заслуживает разработка и осуществление мероприятий по борьбе с эрозией. Общая площадь эродированных и разрушенных земель еще значительна. Около 125 мл. га или 68 % сельскохозяйственных угодий под-верженны эрозии (Щербаков, 1999). Вклад водной эрозии в разрушение почв составляет 56%, а ветровой 28% (Каштанов, Шишов, Кузнецов и др., 1999). Сельскому хозяйству наносится существенный ущерб из-за снижения урожайности на этих почвах. Потери урожая на эродированных землях достигают 50% и более по сравнению с неэродированными (Панов, 1983, Щербаков, 1999).
Серьезные негативные последствия связаны с устойчивым сокращением площадей используемых земель (Черников, Милащенко, Соколов, 2001).3а последние десять лет около 30 млн. га. сельскохозяйственных земель России выведены из сельскохозяйственного оборота (Ефимов, Иванов 2001).
Территория Поволжья является одной из наиболее расчлененных овражно-балочной сетью районов Европейской части России, что приводит к иссушению, снижению влагообеспеченности агроландшафтов. В зоне из 17,5 млн. га пашни эрозия проявляется на 11,8 млн. га, то есть 70 % земель нуждаются в защите. При высокой распаханности территории (около 80%) и существующей структуре посевных площадей, когда 70% пашни к весеннему снеготаянию не защищены посевами, без регулирования стока эрозионные процессы усиливаются, что приводит к значительному смыву почвы. На зяби он составляет 5 - 10 т, на озимых - 4, на многолетних травах - 1,0 т с 1 га. Такое количество деградированных земель часто обусловлено необоснованной распашкой, применением
нерациональных приемов обработки почвы и несовершенством технологий возделывания сельскохозяйственных культур В настоящее время в Среднем Поволжье, куда входит и Ульяновская область, ежегодная минерализация гумуса в зависимости от типа севооборота и вида почв составляет 0,7 - 1,3 т/га, кроме того, свыше 5 млн. га или 39% пахотных почв имеют пониженное содержания гумуса в пахотном слое (Кочетов, 2000).
Расширение площади пашни при экстенсивном ведении землепользования признанно неоправданным, так как приводит к деградации плодородия почв (Созинов, 1999; Каштанов, 2000; Ладонин, 2000).
В последние годы к разрушающему воздействию на почвенный покров эрозии, переуплотнения, засоления и др. добавился новый фактор деградации плодородия - техногенное загрязнение почв тяжелыми металлами и металлоидами: Mn, Cr, F, Pb, Zn, Си, Ni, Со, Cd, As, SO, NO (Assink,1986; d'ltri, Wolfson,1987).
Когда некоторых из этих элементов в почве очень мало, их вносят в почву в качестве микроудобрений. Когда же их очень много вследствие техногенного загрязнения почвы, они становятся токсичны.
Многочисленными опытами установлено, что особо токсичными являются Cr, As, Ni, S, Pb, Mo, Hg, Та. Поэтому необходимы регулярные режимные наблюдения за источником поступления этих элементов, за уровнем их содержания в почвах, продуктах питания, питьевой воде и сопоставление почвенно-геохимических карт с данными о здоровье, смертности и болезнях населения. Надо признать, что это дело в стране совершенно не налажено (Ковда, Пачеп-ский, 1989).
і Почвенным институтом им. В. В. Докучаева, много лет работающим по проблеме охраны почв от техногенных загрязнений в европейской части страны, установлено, что в ряде регионов с большой плотностью действующих предприятий - загрязнителей пылегазовые выбросы, перекрывая друг друга, привели к формированию техногенных биогеохимических провинций со сверхнормативным содержанием в почве тяжелых металлов и металлоидов в радиусе
5 -6 км от эпицентра предприятия (Шишов, Дурманов, Карманов и др., 1991). Границы загрязнения земель выбросами промышленных предприятий могут достигать 30 км зоны, где проживает большая часть населения страны (Черников, Милащенко, Соколов, 2001 ).Уровень загрязненности в этой зоне превышает естественное содержание элементов в 2 - 5 раз и более. Последствия: загрязненные почвы, больные растения и животные. Содержание элементов в пищевых продуктах (овощи, картофель, фрукты, ягоды) оказывается превышающим предельно допустимые концентрации (ПДК) в несколько раз (Шишов, Дурманов, Карманов и др., 1991).
Накопление в почвах химических элементов и их соединений в количествах, превышающих ПДК, становится все более частым явлением.
Агроэкологическое обследование почв на содержание тяжелых металлов и фтора уже проведено государственными центрами и станциями агрохимической службы на 25 млн. га и более, что составляет 20 % площади пашни. Работа эта сложная и проводится медленными темпами. Ежегодно агрохимическая служба обследует до 10-12 млн. га по восьми элементам (Pb, Си, Zn, Cd, Ni, Hg, Cr, As), а определение валовых и подвижных форм проводит на площади не более чем на 6 млн. га. Результаты агроэкологического обследования показывают, что практически все вышеназванные элементы обнаружены в почвах в концентрациях выше ПДК на площади около 1 млн. га. Поэтому, чтобы обследовать пашню, понадобится 12-15 лет (Овчаренко, 1995).
По данным А.В. Кузнецова (1997), в России выявлено почв, загрязненных Pb, Zn, Cd, Си, соответственно: 519, 326, 184, 1416 тыс. га.
Изученность загрязнения тяжелыми металлами в Ульяновской области очень низкая. Имеется несистематизированный материал на локальные участки. По эколого-токсикологической оценке на 01. 01. 2000 года пахотные почвы области имеют, в основном, низкий и допустимый уровень валового содержания тяжелых металлов. На исследуемой территории выделены 63,5 тыс. га (пашни 50,9 тыс. га) транспортного и 0,4 тыс. га промышленного загрязнения. Транспортное загрязнение обнаруживается вдоль дорог республиканского и облает-
ного значения, Промышленное загрязнение земель выделено в зоне глиссады аэродрома "Восточный". В то же время выявлены пахотные почвы с уровнем загрязнения, превышающим ПДК по РЬ -3,5 тыс. га по Cd -3,9 тыс. га, по Zn -0,1тыс. га (Государственный доклад "О состоянии окружающей среды Ульяновской области в 1999году", 2000).
Площади загрязнения почв РФ различными элементами располагается в следующем порядке ( % от обследованных): Си (3.8) > Ni (2.8) > Со (1.9) > РЬ (1.7) > Cd (0.6) > Сг (0.6) > F ( 0.3) > Zn (0.2) > As (0.05) (Аристархов, 2000).
Процесс снижения почвенного плодородия вследствие перегруженности их металлами сопровождается повышением концентрации металлов в почве и, соответственно, увеличением их массы в биологическом круговороте ( Добровольский, 1999).
Таким образом, состояние земель России, находящихся в сфере хозяйственной деятельности, остается неудовлетворительным. На современном этапе главным является всестороннее изучение состояния земель и рациональное использование имеющихся пахотных земель, повышение их плодородия, охраны от водной, ветровой и ирригационной эрозии, от возможного загрязнения при неправильном использовании минеральных удобрений, пестицидов, жидких органических удобрений животноводческих комплексов, ОСВ, нетрадиционных химических мелиорантов и отходов промышленности, используемых в качестве удобрений и мелиорантов в земледелии. Для получения высоких и стабильных урожаев надлежащего качества, для создания условий для расширенного воспроизводства плодородия почв, необходимо планомерно проводить мероприятия, направленные на обогащение почв органическим веществом и недостающими питательными элементами, а также улучшению физико-химических свойств почвы.
Цель исследований - установить особенности изменения эколого-агрохимических свойств почвы в условиях лесостепи Среднего Поволжья по расширенному количеству показателей и его динамики по результатам агрохимического мониторинга за последние 35 лет, оценить научно обоснованные
приемы снижения подвижности тяжелых металлов в системе почва-растение, изучить особенности аккумуляции тяжелых металлов сельскохозяйственными культурами и дикорастущими растениями в зависимости от биологических свойств и действия основных экологических факторов в условиях лесостепной зоны Среднего Поволжья (на примере Ульяновской области).
И, в связи с этим, необходимо было решить следующие задачи: - изучить динамику эколого-агрохимических свойств почвы на основе данных производственного агрохимического обследования и результатов почвенного мониторинга;
в рамках агроэкологического мониторинга установить фоновые уровни и максимальное содержание тяжелых металлов в конкретных типах почвы, поверхностных и грунтовых водах, атмосферных осадках (дождь, снег);
установить региональный фоновый уровень накопления тяжелых металлов и максимальную металлоаккумуляционную способность различных видов культурных растений при существующих технологиях растениеводства и овощеводства в условиях Ульяновской области;
изучить закономерности накопления тяжелых металлов растениями в зависимости от содержания их валовых и подвижных форм, ряда агрохимических свойств почвы и от удаленности от источника эмиссии;
изучить характер поведения тяжелых металлов в системе почва - растение, в зависимости от применяемых приемов инактивации, а также научно обосновать подбор культур и сортов, наиболее пригодных для возделывания в агроландшафтах, испытывающих различный уровень техногенной нагрузки.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые в условиях Среднего Поволжья на основе системного анализа плодородия пашни по расширенному количеству показателей и его динамики по результатам агрохимического и почвенного мониторинга, сделан анализ эколого-агрохимических факторов, лимитирующих продуктивность пашни, и определяющих основные деградационные процессы в агроландшатах области, научно разработаны и всесторонне оценены приемы инактивации тяжелых металлов в системе почва - растение, впервые на
выщелоченном черноземе Среднего Поволжья в полевых и вегетационных условиях проведено сравнительное изучение детоксикационых свойств цеолитов и извести местных месторождений, установлено влияние тяжелых металлов на качественные показатели растениеводческой и овощеводческой продукции, определен региональный фоновый уровень накопления тяжелых металлов и максимальная металлоаккумуляционную способность различных видов культурных растений при существующих технологиях растениеводства и овощеводства в условиях Ульяновской области, исследована зависимость накопления тяжелых металлов растениями в зависимости от содержания их валовых и подвижных форм, ряда агрохимических свойств почвы и от удаленности от источника эмиссии, научно обоснованы и разработаны рекомендации по изучению и ликвидации отрицательных последствий антропогенного воздействия на агроланд-шафты, загрязненные тяжелыми металлами, а также по подбору культур и сортов, наиболее пригодных для возделывания на загрязненных тяжелыми металлами почвах.
Практическая и теоретическая значимость работы. На основании проведённых комплексных исследований, полученые результаты, актуальные как в теоретическом плане, поскольку расширяют границы знаний о характере воздействия тяжелых металлов не только на агроландшафты в целом, но и на отдельные компоненты - почву, растения, поверхностные и грунтовые воды, так и в практическом, поскольку позволяют в конкретных почвенно-экологических условиях производства управлять этим процессом. Установлены количественные показатели поступления и выноса ТМ из почвы для оценки конкретной экологической обстановки в агроэкосистемах, позволяющие прогнозировать изменение подвижности тяжелых металлов в почве и содержание в растениях. Полученные в проведенных исследованиях результаты могут быть использованы для разработки концепции и контрмер по ведению селькохозяйственного производства в условиях техногенного загрязнения агроландшшафтов. Установленная корреляционная зависимость между величиной рН, дозами извести, цеолитов, минеральных удобрений, навоза и концентрацией ТМ в растительной
продукции могут быть использованы при решении экологических вопросов, связанных с долгосрочными прогнозами при оценке поведения тяжелых металлов в системе почва - растения при ведении растениеводства и овощеводства в условиях техногенного загрязнения агроценозов. Установленная видовая и сортовая специфика уровня накопления тяжелых металлов сельскохозяйственными культурами может служить основой для разработки рекомендаций по подбору культур и сортов, устойчивых к накоплению тяжелых металлов в конкретных почвенноэкологических условиях лесостепи Среднего Поволжья. Полученные данные по содержанию тяжелых металлов в различных блок-компонентах (почва, растения, поверхностные и грунтовые воды, атмосферные осадки) являются основой для принятия конкретных административных, управленческих и технических решений, направленных на снижение техногенного воздействия как на окружающую среду в целом, так и на отдельные ее компоненты в частности. Организация исследований. Экспериментальная работа выполнялась в Ульяновском НИИСХ в период с 1992 по 2002 годы на опытном поле института и в ряде хозяйств области, в длительных стационарных, производственных, микрополевых и вегетационных опытах, в соответствии с планом НИИ и ОКР РАСХН и Ульяновского НИИСХ (№ государственной регистрации 1.09.30002229) и № гос. регистрации 01.99.0004288). Исследования выполнялись соответствии с целевой комплексной научно-технической программой «Разработать научные основы формирования агроландшафтов и создать качественно новые зональные системы земледелия для основных природносельскохо-зяйственных зон России» и подпрограммой 05. Разработать технические принципы производства экологически чистой продукции растениеводства на основе активизации биологических процессов в земледелии (биологическое земледелие). «Программой фундаментальных и прикладных исследований по научному обеспечению АПК РФ на 1996-2000 гг.» по заданию: Разработать научные основы формирования агроландшафтов и создать качественно новые ландшафтные системы земледелия для основных природных зон России. Этап 0.14. Разработать научно-обоснованные агроэкологические принципы ведения сельского хо-
зяйства на основе технологии в условиях радиационной, химической и других видов экологической загрязненности в агроландшафтах (Агрохимия), научной программой «Разработать научные основы оптимизации агроландшафтов и создать адаптивно ландшафтные системы земледелия, обеспечивающие воспроизводство почвенного плодородия, высокую продуктивность и устойчивость сельского хозяйства к неблагоприятным факторам среды по природным зонам России» на 2001-2005 гг. Этап 09. Разработать теоретические основы оценки экологических последствий техногенного загрязнения агроэкосистем и научно обоснованные принципы реабилитации техногенно загрязненных территорий (Сельскохозяйственная радиология). Исследования также проводились по договорам с АПК «Свияга» и с Государственным комитетом по охране окружающей среды Ульяновской области в рамках договорных работ лаборатории экологии. С 1992 по 2002 годы, ряд исследований проводился совместно с Государственной станцией агрохимического обслуживания "Ульяновская", на опытном поле института (микрополевой опыт) и в ряде хозяйств области, в длительных стационарных, производственных, микрополевых опытах, а также на реперных участках в 18 районах области.
Личное участие состоит в составлении рабочих программ и календарных планов исследований, закладке и проведении полевых и вегетационных опытов, отборе почвенных и растительных образцов, проб снега и воды, в организации и проведении локального мониторинга в близи объектов предполагаемой техногенной эмиссии тяжелых металлов (город, автотрасса и так далее). Организации аналитических работ по определению ТМ, экспериментальных исследований и полевых наблюдений, в написании промежуточных и заключительных отчетов, в обобщении результатов агрохимического обследования почв за период с 1965 по 2001гг., результатов мониторинга проводимого на реперных участках за период с 1995-2002 гг., результатов, полевых, микрополевых и вегетационных опытов.
В совместных исследованиях с Государственной станцией агрохимического обслуживания "Ульяновская" кроме автора в разные годы принимали участие
Б.К. Саматов, Н. А. Масленикова, Л.В. Гончарова. В осуществлении полевых наблюдений и лабораторно - аналитических работ в разные годы принимали участие Л.И. Немцова, кандидат с- х. наук С.Н. Немцов, М.Б. Маркелова, М.М. Сабитов, Р.Б. Шарипова, Н.А. Глотова.
Постоянную помощь в работе автору оказывал научный консультант академик РАСХН, доктор с.-х. наук, профессор В. Н. Ефимов.
Считаю своей обязанностью и приятным долгом выразить всем им, а также директору Ульяновского НИИСХ академику РАСХН, доктор с.-х. наук, профессору Н. С. Немцову, руководству Государственной станции агрохимического обслуживания "Ульяновская", благодарность за оказанную помощь и содействие в выполнении исследований, составивших содержание диссертации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 55 работах.
Результаты научных исследований и итоги внедрения достижений в производство ежегодно представлялись в сводных научных отчетах и "Государственном докладе по состоянию окружающей среды Ульяновской области", обсуждались на научных советах Ульяновского НИИСХ, на заседаниях Отделения земледелия РАСХН, на координационном совещании в ВНИИСХРЭ в 2003году.
Материалы исследований докладывались:
на Всесоюзной школе - конференции молодых ученых "Экологические проблемы в земледелии и почвоведении" г. Курск, 21 -25 января, 1991 года;
на научно - практической конференции профессорского - преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Ульяновского СХИ. г. Ульяновск, 26-30 мая 1992 года;
на первом Всероссийском совещании географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами, г. Москва, 16-19 марта, 1993 года;
на научно-практической конференции, посвященной 75 - летию Татарского научно-исследовательского института сельского хозяйства, г. Казань, 20 - 22 декабря, 1995 года;
на первой Международной конференции Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами, г. Москва, 18-22 марта, 1996 года;
на Международном симпозиуме по Мониторингу окружающей среды г. Москва- Селигер, 9-14 сентября, 1996 года;
на научно - практической конференции профессорского - преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Ульяновского СХИ. г. Ульяновск, 19-23 мая 1996 года;
на научной конференции посвященной 130 - летию Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева, г. Москва 5 -7 июня, 1996 года;
на сорок четвертой научной конференции профессорского - преподавательского состава, сотрудников и аспирантов Самарской ГСХА. г. Самара (Ки-нель), 23 -25 апреля, 1997 года;
на научно-практической конференции "Проблемы экологии Ульяновской области ". г. Ульяновск, 17-18 апреля, 1997 года;
на региональной научно-практической конференции "Качество продукции растениеводства" г. Уфа, 3-6 апреля, 1997 года;
на IV Всероссийском форуме "Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование, Бизнес", г. Москва, 2 - 6 июня, 1997 года;
на научной конференции молодых ученых и специалистов МСХА им. К.А. Тимирязева, г. Москва, 10-15 июня, 1997 года;
на Всероссийском координационном совещании учреждений Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами, г. Москва, 23 - 27 марта, 1988 года;
на Всероссийской конференции "Антропогенная деградация почвенного покрова и меры её предупреждения ". г. Москва, 23 - 25 июня, 1998 года;
на международных открытых сессиях "Modus Academicus". " Экология и человечество на пороге XXI века. Проблема охраны окружающей среды и здоровья человека ". г. Ульяновск, 19-21 ноября, 1998 года;
на научно - практической конференции "Современные проблемы оптимизации минерального питания растений ". г. Нижний - Новгород, 2- 5 декабря;
на научно - практической конференции "Естественно - научные исследования в Симбирско - Ульяновском крае на рубеже веков", г. Ульяновск, 25 апреля, 1999 года;
на втором Всероссийском съезде по охране природы, г. Саратов. 3-5 июня, 1999 года;
на межрегиональной научно-практической конференции "Экологические проблемы Среднего Поволжья ". г. Ульяновск, 15-17 ноября, 1999 года;
на областной научно - практической конференции "Естественно научные исследования в Симбирско - Ульяновском крае", г. Ульяновск, 4-5 декабря, 2000 года;
на областной научно - практической конференции "Естественно научные исследования в Симбирско - Ульяновском крае", г. Ульяновск, 4-5 декабря, 2000 года, 17-18 декабрь, 2001 года;
на научной сессии Россельхозакадемии "Научное обеспечение устойчивого развития сельскохозяйственного производства в засушливых зонах России". г. Саратов, 4-6 июля, 2000 года;
на международной научно- практической конференции географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами "Агрохимия в XXI веке" г. Москва, март, 2001 год;
-на Всероссийской научно - практической конференции "Система воспроизводства плодородия почв в ландшафтном земледелии", г. Белгород, 27-29 июня, 2001 года;
-на юбилейной научно- практической конференции, посвященной 50- летию Пензенской сельскохозяйственной академии "Проблемы сельского хозяйства и пути их решения", г. Пенза, 10-12 октября, 2001 года;
-на Всероссийской научно-практической конференции "Агроэкологические проблемы сельскохозяйственного производства в условиях техногенного за-
грязнения агроэкосистем" посвященной 10-летию Академии Наук Республики Татарстан, г. Казань, 13-14 ноября, 2001года;
-на научной конференции профессорско-преподавательского состава Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева, г. Москва, 4-7 декабря, 2001 года;
на Всероссийской научно-практической конференции "О развитии систем земледелия в ЦЧЗ в свете учения В.В. Докучаева» (к ПО - летию выхода книги В. В. Докучаева "Наши степи прежде и теперь", Воронеж. Каменная Степь, 4-6 июня, 2002 год;
на IV Международной научно - практической конференции "Интродукция нетрадиционных и редких сельскохозяйственных растений", г. Ульяновск, 24 -28 июля 2002 года;
на 3- й Международной Российско-Иранской конференции "Сельское хозяйство и природные ресурсы". Москва, 18-20 сентября 2002 года;
на 1-й Международной конференции "Восстановление нарушенных природных экосистем", г. Донецк, Украина, 24 - 27 сентября, 2002 года;
на Lucrarile Conferintei intemationale stiintifico - practice "Soil - una din problemele principale ale secolului XXI ", 50 de ani ai Instituiui de Cercetani pentra Pedologie si Agrochimic "Nicoloe Dimo". Moldova, Chisinau, 7 augst. 2003;
- на Международной научно - практической конференции «Модели и
технологии оптимизации земледелия», г. Курск, 9-11 сентября, 2003 года;
-на 1-ой Международной конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами», г.Тула. 29-30 октября, 2003 года;
-на Международной научно- практической конференции "Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсосберегающее земледелие"г.Пенза, 5-Ю сентября 2005года;
- на Международной научно- практической конференции" Четверть века на
страже плодородия" г. Белгород, 30мая-2 июня, 2006года.
Влияние средств химизации на изменение плодородия почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур
В настоящее время обеспечение продовольственной безопасности России во многом зависит от состояния почвенного плодородия, так как земля является важнейшей ресурсной базой всего сельскохозяйственного производства.
Научными учреждениями страны проведены обширные исследования по всем основным аспектам проблемы повышения плодородия, позволяющим совершенствовать элементы управления плодородием в современных системах земледелия (Шишов, Дурманов, Карманов, Ефремов, 1991).
Экспериментально установлено, что повышение плодородия почв, улучшение их агрохимических, афофизических, поглотительных и биологических свойств является краеугольным камнем обеспечения не только высоких урожаев, но и сохранения окружающей среды, высокой оплаты каждого килофамма питательных веществ (Милащенко, 1993).
Важнейшим показателем высокопродуктивной почвы, её окультуренности, как известно, является органическое вещество. Академик А.Н. Каштанов (1987) обращает внимание земледельцев на тот факт, что в стране более половины пахотных земель имеют низкое содержание гумуса, что не позволяет успешно решать задачи по повышению продуктивности земель.
Анализ большого количества экспериментальных данных по Черноземной зоне показывает, что повсеместно, в том числе и в Поволжье, наблюдается снижение содержания гумуса и элементов минерального питания, повышение кислотности и разрушение структуры почвы, повсеместно наблюдается слитиза-ция (Адерхин, 1970; Щербаков, Рудай, 1983; Чуб и др., 1987, 1989, 2003; Акулов, 1990, 1992, 1994; Шеманов, 1996; Крылатов, Носов и др., 1998; Надежкин, 1999; Гришин, 2000; Васенев, 2003 и др.). В связи с этим, необходимо рассмотреть основные агрохимические приемы, положительно влияющие на состояние плодородия почв. Так, на состояние гумуса в пахотных дерново-подзолистых почвах разные агротехнические мероприятия оказывают неравномерное действие. Наиболее эффективным является систематическое применение навоза в достаточно высоких дозах (Егоров, 1960; Кононова, 1963; Лыков, 1963; Бельчикова, 1965; Шевцова, 1974, 1986; Александрова, 1980; Сдобников, 1982, 1983, 1994) совместное внесение извести и навоза, навоза и минеральных удобрений (Кораблева, 1950;Егоров., 1960; Лыков, 1963, 1976, 1982; Черных, 1989; Попов, 1990;).
Изменение общего азота, а также некоторых его форм при окультуривании дерново-подзолистой почвы отмечалось многими исследователями (Егоров, 1960; Кононова, 1963).
Без внесения удобрений содержание гумуса и общего азота снижается в дерново-подзолистых почвах до 40%, а на черноземах - до 25% по сравнению с исходным состоянием. Применение органических удобрений или при сочетании их с минеральными сохраняет или увеличивает содержание гумуса в зависимости от норм и специализации севооборота. Изменяется и качественное содержание гумуса в направлении увеличения его подвижности, доступности, биологи- ческой активности (Минеев, 1986).
Интенсивное использование почв при низких объемах применения органических и минеральных удобрений, химических мелиорантов, использование тяжелой техники привело к снижению содержания гумуса и отрицательному балансу азота на выщелоченном черноземе лесостепи Среднего Поволжья (Кузин, Блинохватов, Ильвичев, 1999).
В работах (Аскинази, 1949; Соколов, 1950, 1958; Чирикова, 1956; Гинзбург, 1981; Хмиленин, 1984) было показано, что фосфатный режим почв зависит от генезиса почвообразующих пород и от генезиса почв. Было выявлено, что в дерново-подзолистых почвах особенно мало содержится фосфатов щелочных и щелочноземельных оснований. Применение комплекса агротехнических мероприятий (внесение навоза, минеральных удобрений, травосеяние, известкование) способствует увеличению содержания валового и подвижного фосфора в суглинистых дерново-подзолистых почвах (Кораблева, 1950; Егоров, 1960; Левин, 1965, 1972). Некоторыми исследователями отмечается улучшение группового состава фосфотов в производственных условиях (Гаркуша, 1956; Коновалова, 1987).
В ряде работ было показано, что окультуривание дерново-подзолистых почв не влияет на валовое содержание калия (Гаркуша, 1956; Никитишен 1984; Коновалова, 1987). Внесение органических и калийных минеральных удобрений способствует накоплению в пахотном слое, а иногда и в подпахотном горизонте подвижного (обменного) калия (Благовидов, 1948; Важенин, 1953; Авдонин, 1966; Гаркуша, 1956; Никитишен 1984; Коновалова, 1987).
Черноземные почвы лесостепной и степной зон содержат значительное количество доступного растениям калия. Почвообразующие породы и глинистые минералы в черноземах очень богаты также необменным калием, который характеризуется большой активностью в отношении перехода в подвижные формы. Систематическое внесение калийных удобрений не приводит к существенному увеличению содержания подвижных форм калия в черноземах даже при положительном балансе. Связано это с высокой насыщенностью поглощающего комплекса двухвалентными катионами, препятствующими поглощению калия. Исключительно благоприятные условия для фиксации калия в черноземах способствуют необменному его поглощению в пахотном и подпахотном горизонтах при положительном балансе. Минералогический состав илистой фракции черноземов составляют гидрослюды и высокодисперстные минералы монтморил-лонитовой группы, характеризующиеся большой способностью фиксировать одновалентные катионы, высокой насыщенностью поглощающего комплекса основаниями, повышенным значением рН, значительным количеством органического вещества, отсутствием основного конкурента калия - поглощенного аммония, необратимой каугуляцией коллоидов при периодическом подсыхании верхнего слоя. При отрицательном балансе калия на удобренных вариантах увеличение необменного калия связано с мобилизацией менее подвижных форм калия под влиянием удобрений и растений. По-видимому, в них так же, как и в серых лесных почвах высвобождается калий вторичных минералов - гидрослюд - неучтенный анализом (Панкова, .Жукова, Молчанова. 1986).
К настоящему времени собран большой фактический материал, характеризующий закономерности изменения физико-химических и агрохимических свойств при окультуривании дерново-подзолистых почв. В полевых опытах установлено, что известкование, внесение органических и минеральных удобрений, проводимые в комплексе и отдельности, способствуют значительному улучшению агрохимических свойств ( Ремезов, Щерба, 1938; Ярусов, 1941; Кораблева, 1950; Егоров, 1960; Авдонин 1965, 1972, 1979; Черных, 1988;Минеев, Гамонова, 1990, Баринов, 1999; Гришин 2001).
Почвенно-климатические условия Ульяновской области
Ульяновская область располагается в центральной части Европейской возвышенности, в бассейне среднего течения р. Волги. Протяженность области с севера на юг 250 км, с запада на восток 290 км. Площадь области 37.2 тыс. кв.м.
Климат области умеренно-континентальный. Климатические условия области характеризуются следующими показателями (Научно обоснованная система..., 1980): средняя температура воздуха самого теплого месяца - июля - составляет плюс 20С, а самого холодного - января - минус 14С.Период с положительной средне-суточной температурой длится 205-210 дней, безморозный период - 120-140 дней. Первые осенние заморозки приходятся на конец августа - начало сентября, а последние весенние - на первую декаду июня;годовая сумма осадков колеблется от 430 до 510 мм, из них 60% приходится на теплый период. Устойчивый снежный покров устанавливается 20-25 ноября (в отдельные годы в декабре) и сохраняется до второй декады апреля. К концу зимы высота снежного покрова в среднем достигает 20-39 см с запасом воды в снеге 80-90 мм.
Сумма среднесуточных температур выше 10С за вегетационный период составляет: северо-западнее линии Старая Майна - Барыш - 2100-2300, юго-восточнее её - 2300-2570. На территории области обеспечены теплом почти все сельскохозяйственные культуры, однако в северо-западных районах для возделывания подсолнечника, суданской травы, томатов тепла недостаточно.
Большой вред сельскому хозяйству наносят засухи и суховеи. Очень интенсивными они бывают два раза в пять лет (1972, 1975, 1981, 1984,1995, 1998 годы), а средней интенсивности практически ежегодно. Наиболее интенсивные и губительные они бывают в мае, в отдельные годы отмечаются летние и осенние. Количество дней с суховеями в западной зоне в среднем 10-13, увеличивается в центральной и заволжской и достигает 20 дней в южной зоне. В отдельные годы число дней с суховеями достигает 80-100, на юге 1,15 дней (1972 г.). За последние 25 лет повторяемость осенней засушливой погоды составила 32%. К началу сева озимых запасы продуктивной влаги в почве в два года из трех недостаточные (до 20 мм).
Средняя продолжительность осенней вегетации озимых составляет 68 дней. Самая продолжительная вегетация (80-85 дней) наблюдалась в 1965, 1974 и 1985 годах и самая короткая (40-45 дней) - в 1978, 1979 и 1980 годах. Средняя дата прекращения вегетации озимых - 12 октября, ранняя - 28 сентября и поздняя -3 ноября.
Нередки случаи гибели озимых зимой. В 1968 и 1977 годах в результате малоснежной суровой зимы и образования притертой ледяной корки они погибли на 40% площадей. Довольно значительные повреждения озимых наблюдались в 1969,1977,1980,1984 годах.
Значительный вред сельскохозяйственному производству наносит ненастная погода в период заготовки кормов и уборки урожая. Такие условия наблюдались в 1974, 1976, 1978, 1985 годах. Сумма осадков в летние месяцы превышала полторы-две нормы, удерживалась высокая влажность воздуха, что затрудняло работу уборочной техники, способствовало сильному развитию болезней (ржавчина, фитофтороз и др.).
Климатические условия области (в разрезе почвенно климатичкских зон ) характеризуются следующими показателями: таблица 2.1 (Научно обоснованная система..., 1980).
Приток солнечной энергии и условия увлажнения определяют биогидро-термический потенциал продуктивности растений (БГТП). Он позволяет в условиях области получать высокие урожаи всех сельскохозяйственных культур, однако в зерновом хозяйстве области он используется на 38-40%, по подсолнечнику и картофелю на одну треть, по сену сеяных трав на 20-40%. Из этого следует, что все элементы систем земледелия необходимо более тесно приспособить к климатическим ресурсам, чтобы максимально их использовать для получения высокого урожая (табл.2.2) (Научно обоснованная система..., 1980).
Расчлененность оврагами, балками слабая (0.2-0.5 км на квадратный кило метр). Около 93 процентов угодий расположены на почвах суглинистого и глинистого механического состава, 7 процентов на почвах супесчаного и песчаного механического состава. Наиболее плодородными являются черноземы. Мощность гумусового слоя у мощных черноземов составляет 81-91 см, среднемощ-ных - 47-71, маломощных - 24-38 см (Система интенсивного земледелия..., 1990).
В связи с разнообразием природных условий, являющихся факторами почвообразования, почвенный покров Ульяновской области отличается большим разнообразием. Он представлен богатым сочетанием разнообразных черноземов и различных серых оподзоленных лесных почв. Гораздо меньше встречается здесь перегнойно-карбонатных, разнообразных долинных почв, солонцов, песчаных и маломощных слаборазвитых почвенных образований склонов.
В книге Природные условия Ульяновской области (1978) отмечается что, весь почвенный покров области объединяет в себе пять типов почв, характеризующихся резко отличными условиями почвообразования. Таковыми являются: 1) почвы черноземного типа; 2) почвы подзолистого типа; 3) почвы болотного типа; 4) почвы солонцового типа; 5) перегнойно-карбонатные почвы. Почвы черноземного типа представлены разнообразными по содержанию гумуса, мощности, выщелоченности и механическому составу разностями: 1) оподзоленными черноземами; 2) выщелоченными черноземами; 3) типичными черноземами; 4) долинными черноземами.
Черноземы являются самыми распространенными почвами в Ульяновской области. Больше всего они сосредоточены на севере правобережной части области, в Волго-Сурском агропочвенном районе. Почвенный покров этого района является исключительно черноземным, и другие почвы встречаются редко, в виде отдельных полос и пятен. Почвенный покров района представлен здесь, в основном, среднегумусными среднемощными выщелоченными глинистыми черноземами и, в меньшей степени, - среднегумусными мощными выщелоченными глинистыми и тучными глинистыми черноземами.
Вторым наиболее распространенным типом почв на территории области являются почвы подзолистого типа. Они представлены здесь переходными сла-бооподзоленными почвами лесостепи и оподзоленными песками.
Экологическая характеристика агроландшафтов в прошлом и настоящем
До начала хозяйственной деятельности человека территория будущей Ульяновской области на 90-95 % была покрыта смешанными лесами с преобладанием сосны; участки степи были невелики и располагались в местах, где лес не мог расти (Смирнов, 1948). В период генерального межевания 1798-1821г.г. лесистость составляла 52,2, а в 80 ые годы 19 века 36,6 % (Цветков, 1957). В 1993 году лесистость составила лишь 26 % (Природные ресурсы ..., 1998). Заселение и хозяйственное освоение области началось с древнейших времен. Уже в позднем палеолите (80 000-13 000 лет до н.э.) берега Волги начали осваиваться человеком. В мезолите, неолите и особенно в бронзовом веке (13000-800 лет до н.э.) человек широко расселился по долине Свияги, правобережью и левобережью Волги, в Заволжье. Если в палеолите и мезолите влияние человека на окружающую среду было незначительным из-за небольшой плотности населения и ограниченных технических возможностей, то уже в неолите, и особенно бронзовом веке, оно сильно возросло. Большое количество стоянок этого времени, мощные культурные слои говорят о длительном существовании и большой плотности населения. Появление металлических орудий труда вызвало резкое возрастание воздействия человека на природу. В еще большей степени это воздействие усилилось в железный век, особенно в эпоху волжских булгар. У волжских булгар было высокоразвитое для того времени земледелие и скотоводство. Хлеб вывозился в соседние страны (Смирнов, 1951). Уже в это время были распаханы значительные площади земель и вырублены леса вокруг поселений.
Таким образом, заселение территории и ее хозяйственное освоение сопровождалось уничтожением естественного растительного покрова при распашке земель, вырубке лесов, строительстве дорог, поселений и т.д. В наибольшей степени это характерно для бывших остепненных, наиболее удобных для земледелия районов, заселенных раньше и плотнее других; распашкой земель здесь почти полностью уничтожена степная растительность. Она сохранилась, в основном, на склонах долин и балок, неудобных землях. Поскольку эти земли используются как пастбища, часто с бессистемным выпасом скота, то травостой на них изрежен, изменился его видовой состав.
Следовательно, одним из важнейших результатов хозяйственной деятельности человека за последние столетия является преобладание сельскохозяйственных угодий, в основном пахотных земель, на месте бывшей лесной и степной растительности. Кроме того, в последние десятилетия развитие промышленности вызвало воздействие человека на окружающую среду техногенными процессами. Результатом является загрязнение атмосферы, поверхностных и подземных вод, образование бросовых земель на месте карьеров,, отвалов и т.д. Однако наибольшие изменения вызывает сельское хозяйство. Увеличение его интенсивности и длительный период ведения хозяйства обусловили наибольшее влияние на природу именно этого вида деятельности человека.
Анализ современного состояния территории области по степени нарушенное экосистем позволяет заключить, что территория характеризуется как очень сильно измененная (естественных экосистем - менее 20 %, а антропогенно нарушенных - более 75%). Индекс антропогенной преобразованное угодий составляет 561, что дает право оценить степень преобразованности территории, как высокую, далее в этой градации выделяются по степени преобразованности еще две группы преобразованности очень высокая и катастрофическая, индекс антропогенной преобразованности 701- 900 и более 900 соответственно. При современном отношении к земле в ближайшее время нас ждет переход в более высокие группы по степени преобразованности территории. В связи с этим, оновное внимание может быть обращено на антропогенные изменения окружающей среды, связанные с сельскохозяйственной деятельностью человека.
В настоящее время, по совокупности почвенно-климатических условий область подразделяется на четыре макрозоны, определяющие факторы деградации и характер системы земледелия: Западная, Центральная, Южная и Заволжская. Рельеф первых трех макрозон представляет собой волнистую равнину, сильно расчлененную речной и овражно-балочной сетью (0.7-1.75 км на квадратный километр). Характер рельефа Заволжской макрозоны низменный. Расчлененность оврагами, балками слабая (0.2-0.5 км) на квадратный километр).
Несомненно, что структура земельных угодий - основной вопрос ландшафтной экологии и ландшафтного земледелия. Необходимость установления рационального состава и соотношения сельскохозяйственных угодий диктуется экологическими законами, такими как оптимальности и численного разнообразия и рядом других.
Всего земель в Ульяновской области 3718,3 тыс. га и их количество практически не изменилось за последние 15 лет. Общая площадь земель сельскохозяйственного назначения составляет 2339.2 тыс.га. Площадь пашни за период с 1985 по 2000 год уменьшилась на 80,6 тыс. га. Распаханность сельскохозяйственных угодий составляет 71,9%, что почти на 6% выше, чем в среднем по Российской Федерации. Высокая распаханность, недостаточная облесенность ( всего 26 %, а оптимальной считается 30 - 40 %), неухоженность сенокосов и пастбищ, низкая культура хозяйствования на земле привели к потере почвой присущих ей свойств саморегулирования.
Стратегические ошибки в использовании земель негативным образом отразились на экологическом состоянии агроландшафтов Ульяновской области. Научными исследованиями выявлен целый спектр деградации земель, в той или иной степени и интенсивности проявившихся на территории области. Чаще всего речь идет о таких видах деградации земель, как: эрозия и дефляция, подкис-ление и дегумификация, подтопление и заболачивание, уплотнение и слитиза-ция, обесструктуривание почв, деградация естественных фитоценозов, техногенное загрязнение земельных угодий ТМ и другим. В статистическом выражении эти явления выглядят следующим образом (таблица 3.1).
