Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных проблем современной экологии является антропогенная деградация базовых компонентов агроэкосистем в условиях повышенной агрогенной и техногенной нагрузки («Агроэкология», 2000; 2004). «Устойчивое развитие России, высокое качество жизни и здоровья населения может быть достигнуто только при условии, если будет обеспечено сохранение надлежащего качества природных систем, несмотря на постоянное антропогенное воздействие» («Экологическая доктрина РФ», 2009).
Локально идущая интенсификация сельскохозяйственного производства обусловливает необходимость уточнения научно обоснованных и экспериментально подтвержденных компромиссов между экономическими интересами сельхозтоваропроизводителей и необходимостью экологически рациональной организации землепользования с минимизацией рисков деградации качества почв и загрязнения получаемой продукции (Каштанов, 1993; Кирюшин, 2000; Козловский, 2003; Васенев и др., 2010; Гогмачадзе, 2010; Добровольский и др.. 2010; Черников и др., 2013).
Центрально-Черноземный регион исконно являлся, наравне с южными регионами страны, основной житницей России, и возделывание наиболее прибыльных зерновых и технических культур всегда имело приоритетное направление в его хозяйствах (Щербаков и др., 2000). На современном этапе сельскохозяйственного производства возрастает насыщенность полевых севооборотов сахарной свеклой и подсолнечником – особенной в районах с хорошо развитой инфраструктурой и дорожной сетью (Высоцкая и др., 2012).
В связи с приходом в регион новых инвесторов и постоянно нарастающим производством наиболее рентабельных, но объемных технических культур, возникает необходимость максимального использования наиболее доступных для транспорта и обеспеченных производственной инфраструктурой земельных ресурсов, включая земли придорожных агроландшафтов. Несмотря на их общее повышенное загрязнение, такие земли активно используются в большинстве стран Западной и Центральной Европы, поскольку имеют хорошую транспортную доступность для сельскохозяйственной техники. В России они, как правило, выведены из активного сельскохозяйственного использования в системе основных полевых севооборотов, следствием чего является не вовлечение в хозяйственный оборот тысяч га плодородных и удобно расположенных черноземов (Гогмачадзе, 2010).
Согласно принятым в России нормативам, придорожные полосы устанавливаются с каждой стороны полосы отвода в зависимости от категории дорог шириной: для автомобильных дорог V категории – 25м, IV и III категорий – 50 м., I-II категорий – 75 м . По данным Главного управления автомобильных дорог и дорожной деятельности Воронежской области (2012), протяженность дорог общего пользования на ее территории составляет 9403,7 км при площади территории Воронежской области – 52,4 тыс. квадратных километров (табл. 1).
Таблица 1
Сравнительный анализ протяженности автомобильных дорог региона и района исследований
Современные процессы интенсификации сельскохозяйственного производства предусматривают использование в системе свекловодства большого набора агрохимикатов, содержащих широкий комплекс биофильных ионов тяжелых металлов, активно поглощаемых выращиваемыми техническими культурами и адсорбируемых почвенным поглощающим комплексом (Гуреев, 2004; Минеев, 2007; Черников и др., 2009; Гогмачадзе, 2010; Жуков, Батура, 2010).
Сахарная свекла и подсолнечник могут интенсивно поглощать тяжелые металлы, что актуализирует агроэкологические исследования с экологическим тестированием районированных сортов и гибридов данных культур и оценкой воздействия на них тяжелых металлов, содержащихся в активно применяемых агрохимикатах и верхних горизонтах почв придорожных агроэкосистем (Черников и др., 2001; 2013; Высоцкая и др., 2010).
Тяжелые металлы легко поглощаются свекловичными растениями даже при относительно невысоком содержании их в почве. В то же время, в некоторых случаях грамотная интенсификация технологий растениеводства позволяет сгладить локальное негативное воздействие тяжелых металлов на базовые компоненты придорожных черноземных агроэкосистем. В этом отношении особый интерес представляет изучение возможности использования севооборотов с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы – для повышения общей биологической продуктивности и улучшения экологического равновесия придорожных агроэкосистем.
Цель работы состоит в проведении комплексных агроэкологических исследований базовых компонентов представительных придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России (ЦЧР ) в условиях повышенной антропогенной нагрузки на них от автомобильного транспорта и интенсивных технологий выращивания подсолнечника и сахарной свеклы – с оценкой воздействия на их экологическое состояние повышенной концентрации тяжелых металлов и возможности их использования в интенсивных полевых севооборотах.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Системный анализ основных экологических рисков и регионально-типологических особенностей функционирования базовых компонентов (почвы, растительность) представительных вариантов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы.
2. Исследование сезонной и многолетней динамики содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах черноземов придорожных агроэкосистем с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы в севооборотах с короткой ротацией культур.
3. Оценка воздействия автотранспорта и областной дорожной сети на экологическое состояние черноземов придорожных агроэкосистем восточной части ЦЧР и выращиваемых на них районированных сортов сахарной свеклы и подсолнечника.
4. Биологическая диагностика экологического состояния черноземов с изучением аборигенных видов почвенных беспозвоночных на предмет содержания в них тяжёлых металлов в условиях различного уровня антропогенной нагрузки в условиях исследуемых агроэкосистем.
5. Анализ лимитирующих факторов биологической продуктивности и устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами районированных сортов сахарной свеклы и подсолнечника в условиях придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземья.
6. Уточнение рационального размера придорожного землеотвода в условиях представительных вариантов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы.
7. Оценка эколого-биологической и экономической эффективности возделывания основных технических культур ЦЧР (подсолнечника и сахарной свеклы) в придорожных черноземных агроэкосистемах с повышенной антропогенной нагрузкой на них от автотранспорта и интенсивных агротехнологий.
Научная новизна работы состоит в проведении системного анализа основных экологических рисков и регионально-типологических особенностей функционирования базовых компонентов придорожных черноземных агроэкосистем с разработкой модели минимизации рисков при использовании интенсивных технологий выращивания подсолнечника и сахарной свеклы. Комплексный анализ ресурсного экологического потенциала и биологической продуктивности базовых компонентов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки позволил выявить основные закономерности разнонаправленной сезонной динамики подвижных форм тяжелых металлов в верхних почвенных горизонтах и их содержания в различных частях выращиваемых растений.
В зоне 0–20 м от автодороги менее интенсивно развивалась листовая поверхность сахарной свеклы. В целом, ее формирование определяется характером увлажнения. В засушливых условиях рост листовой пластинки замедляли удобрения. Более интенсивно происходило нарастание листовой поверхности гибрида Фрейя по сравнению с сортом Рамонская односемянная-47. Степень концентрации токсических элементов в корнеплодах сахарной свеклы в несколько раз меньше, чем в листьях. Повышенные концентрации тяжелых металлов снижают технологические качества корнеплодов сорта Рамонская односемянная-47, увеличивая содержание азота и потери сахара, снижая сахаристость и выход сахара. Гибрид Фрейя обладает повышенной экологической толерантностью к содержанию тяжелых металлов в почве и растении, и соответственно более высокими технологическими качествами.
К концу вегетационного сезона увеличивается содержание подвижной меди, снижается концентрация кадмия, цинка, марганца и никеля. Происходит увеличение содержания железа и цинка в листьях сахарной свеклы. Прослеживается закономерное увеличение концентраций Cd и Pb, как в листьях, так и в корнеплодах на вариантах с внесением удобрений на расстоянии 0–20 м от автодороги. Там же наблюдаются более высокие концентрации Fe, Mn и Zn. Корнеплоды в более высоком количестве накапливают Cu, Zn, Mn, Co, Pb и Ni. В листьях преимущественно аккумулируются Cd и Fe. Максимальный уровень накопления ТМ в корнях подсолнечника чаще всего приурочен к середине вегетации, минимальный – к ее концу, особенно на вариантах с двойной дозой удобрений. Поглощение тяжелых металлов надземной массой подсолнечника последовательно возрастает от начала к концу вегетации: в среднем в 2– 3 раза.
В работе установлены аборигенные почвенно-беспозвоночные биоиндикаторы загрязнения исследуемых черноземов тяжелыми металлами: дождевые черви видов Allolobophora r. rosea и Dendrobaena octaedra, с коэффициентом биологического накопления некоторых металлов до 20 и более.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Техногенное загрязнение почв придорожных черноземных агроэкосистем дорог IV категории восточной части ЦЧР в условиях интенсивных технологий выращивания сахарной свеклы и подсолнечника, как правило, не приводит к превышению ПДК содержания тяжелых металлов в выращиваемых культурах и почвах.
2. Основная зона придорожного загрязнения черноземов тяжелыми металлами от дорог IV категории восточной части ЦЧР может быть ограничена полосой отвода не более 25 м.
3. В качестве эффективных почвенно-беспозвоночных биоиндикаторов загрязнения тяжелыми металлами исследуемых черноземов придорожных агроэкосистем восточной части ЦЧР могут выступать аборигенные виды дождевых червей Allolobophora r. rosea и Dendrobaena octaedra,
4. В придорожных черноземных агроэкосистемах с посевами подсолнечника минеральные удобрения существенно повышают поступление и накопление тяжелых металлов во всех органах растения, способствуя их существенному выносу из почвы.
5. Существующие полосы отвода от дорог IV категории могут быть существенно сокращены в восточной части ЦЧР – с вовлечением в интенсивные севообороты выращивания сахарной свеклы и подсолнечника значительных дополнительных площадей плодородных и удобно расположенных черноземов.
Практическая значимость результатов исследований.
В результате проведенных исследований изучено агроэкологическое состояние представительных вариантов широко распространенных придорожных черноземных агроландшафтов стандартной полосы отвода земель дорог IV категории в восточной части ЦЧР. Идентифицированы основные источники техногенного загрязнения, проведена комплексная оценка влияния абиотических и биотических факторов, разработаны и апробированы методические и практические приемы оптимизации экологического состояния черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки.
Обосновано применение четырехпольного севооборота с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы (пар - озимая пшеница - сахарная свекла - подсолнечник) на придорожных территориях восточной части Центрального Черноземья, подверженных повышенному техногенному загрязнению тяжелыми металлами – с вовлечением в оборот плодородных и удобно расположенных черноземов.
Выявлены районированные сорта и гибриды сахарной свеклы и подсолнечника, обладающие высокой биологической продуктивностью и повышенной экологической толерантностью к действию неблагоприятной экологической ситуации в придорожных черноземных агроэкосистемах восточной части ЦЧР.
Отработаны технологические приемы уборки с поля нетоварной части урожая подсолнечника (стерни) для усиления деконтаминационного эффекта высокой биологической продуктивности подсолнечника, улучшения экологического состояния базовых компонентов агроэкосистем, повышения биологической продуктивности и качества основной продукции последующих культур.
Степень достоверности полученных результатов и обоснованность полученных положений и выводов. Достоверность полученных результатов и обоснованность основных положений и выводов работы обусловлены применением современных методов почвенно-экологических исследований и агроэкологической оценки лимитирующих факторов экологического качества базовых компонентов исследуемых представительных придорожных агроландшафтов. Использованием современных методов компьютерной обработки данных полевых и лабораторных исследований, а также сравнения полученных результатов собственных исследований с данными других авторов и результатами региональных обобщений лаборатории агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международных, всероссийских и региональных научных и научно-практических конференциях в ВГПУ, ВГАУ, ВГЛА, ВИСХАГИ, НГТУ, СибГТУ, ПетрГУ, РГАУ-МСХА, включая: «Опыт и проблемы природопользования при реализации президентских программ в Центральном Черноземье России» (Воронеж, 2005), «Инновации в науке» (Новосибирск, 2012), «Современное состояние естественных и технических наук» (Москва, 2012), «Ресурсный потенциал растениеводства – основа обеспечения продовольственной безопасности» (Петрозаводск, 2012 ), «Сельскохозяйственные науки и агропромышленный комплекса на рубеже веков» (Новосибирск, 2013), «Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы» (Ставрополь, 2013), «Глинковские чтения» (Воронеж, 2013), «Анализ экологических функций почв и сервисов экосистем: мониторинг и моделирование» (Москва, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 52 научные работы, включая монографию, 51 статью, в том числе 16 – в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов исследования по теме докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов и рекомендаций производству. Общий объём работы – 311 страниц. Она содержит 37 таблиц, 20 рисунков, 29 приложений. Список использованной литературы включает 297 работ, в т.ч. 34 – на иностранных языках.
