Содержание к диссертации
Введение
1. ВВЕДЕНИЕ 4
1.1. Актуальность . 4
1.2. Цель и задачи исследований 5
1.3. Научная новизна 5
1.4. Защищаемые положения ; 5
1.5. Практическая значимость диссертации 6
1.6. Апробация работы 6
1.7. Объём и структура диссертации , 7
2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 8
2.1. Агроэкосистемы и биоценозы, их продуктивность и устойчивость 8
2.2. Экологические проблемы агропромышленных тепличных экосистем 13
2.3. Копролит - новый источник веществ и энергии в агроэкосисте.мах 17
2.4. Влияние копролита на овощные агроэкосистемы 32
3. МЕСТО, УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 41
3.1. Место и условия проведения исследований 41
3.2. Объекты исследований 49
3.3. Схемы и методика проведения опытов 51
3.4. Методика проведения наблюдений и исследований 51
4. ВЛИЯНИЕ КОПРОЛИТА НА ОСНОВНЫЕ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВОГРУНТА ТЕПЛИЧНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ 54
4.1. Свойства копролита и их изменение в биоценозах огурца и томата агропромышленной тепличной экосистемы 54
4.2. Изменения свойств тепличного грунта в биоценозе огурца 57
4.3. Изменения свойств тепличного грунта в биоценозе томата 60
5. РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ В АГРОПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛИЧНОЙ ЭКОСИСТЕМЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОПРОЛИТА 64
5.1. Рост и развитие растений тепличного огурца 64
5.2. Рост и развитие растений тепличного томата 67
6. ВЛИЯНИЕ КОПРОЛИТА НА ПРОДУКТИВНОСТЬ АГРОПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛИЧНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ И КАЧЕСТВО ОВОЩЕЙ 71
6.1. Урожайность и качество плодов огурца , 71
6.2. Урожайность и качество плодов томата 75
7. ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ АГРОПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛИЧНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ КОПРОЛИТА 82
7.1. Оценка энергетической устойчивости биоценозов огурца и томата при локальном внесении копролита 83
7.2. Оценка экономической устойчивости производства плодов томата и огурца при локальном внесении копролита 87
ВЫВОДЫ 89
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 90
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 91
ПРИЛОЖЕНИЯ 111
- Агроэкосистемы и биоценозы, их продуктивность и устойчивость
- Схемы и методика проведения опытов
- Изменения свойств тепличного грунта в биоценозе огурца
Введение к работе
І. I. Актуальность
Обеспечение населения в течение всего года овощами высокого качества, которые соответствуют гигиеническим нормативам, является главной задачей овощеводства защищенного фунта. Но, несмотря на то, что тепличное овощеводство превратилось в самую индустриальную отрасль растениеводства, оно не справляется со своей задачей в силу различных причин. Так, по данным Научно-исследовательского института питания АМН России, средняя годовая норма потребления овощей на душу населения по стране составляет 146 кг, а производство - всего около 70 кг в год (Агиров Ю.И., 1997).
Продуктивность и устойчивость агропромышленных тепличных экосистем необходимо наращивать, однако увеличение норм минеральных удобрений на фоне повышения урожайности растений приводит к снижению качества продукции. Поэтому актуальна разработка новых экологически безопасных технологий применения концентрированных органических удобрений, способствующих увеличению производства качественных овощей защищенного грунта.
Прогрессивное и перспективное направление сельскохозяйственного производства XXI века - вермитехнология. Она представляет собой промышленное культивирование дождевых компостных червей на различных органических субстратах, позволяющее получать значительную массу их экскрементов — копролитов, которые являются концентрированным естественным органическим удобрением, известным под названием копролит или биогумус, или вермикомпост(Просянников, Ерёмин, Мешков, 2000).
Повышение продуктивности и устойчивости очень энергоёмких агропромышленных тепличных экосистем с помощью копролита представляет научный интерес, имеет большую экологическую и практическую значимость.
В юго-западном регионе Российского Нечерноземья одним из крупнейших производителей овощной продукции защищенного грунта является СПК «Агрофирма «Культура», находящийся в Брянской области. В тепличном комбинате этого предприятия основные овощные культуры - огурец и томат. Здесь достигнута высокая продуктивность тепличных экосистем. Дальнейшая интенсификация производства овощей защищенного грунта путём применения минеральных удобрений небезопасна с экологической точки зрения. Поэтому весьма актуальным является изучение возможности дальнейшего повышения продуктивности и устойчивости агропромышленной тепличной экосистемы СПК «Агрофирма «Культура» с помощью копролита.
1.2. Цель и задачи исследований Цель работы - изучить влияние копролита на продуктивность и устойчивость агропромышленной тепличной экосистемы СПК «Агрофирма «Культура». Поставленная цель определила следующие задачи:
• выявить влияние копролита на основные агроэкологические свойства поч-иогрунта тепличной экосистемы;
• изучить влияние копролита на рост и развитие растений в агропромышленной тепличной экосистеме;
• исследовать влияние локального применения копролита на продуктивность зимне-весенних биоценозов огурца и томата и качество плодов;
• оценить влияние копролита на устойчивость агропромышленной тепличной экосистемы.
1.3. Научная новизна Впервые в производственных условиях интенсивной промышленной тепличной экосистемы изучено влияние локального применения различных доз копролита на продуктивность зимне-весенпих биоценозов огурца и томата, качество овощей, энергетическую и экономическую устойчивость их производства.
1.4. Защищаемые положения:
• изменения, происходящие в тепличном грунте при внесении копролита, обусловлены не только содержанием в последнем легкодоступных элемен тов питания, но и наличием биологически активных веществ;
• гумусовые вещества копролита и активированного им тепличного фунта играют роль стимуляторов роста и развития овощных растений;
• дозы копролита, рекомендуемые для повышения продуктивности и устойчивости агропромышленной тепличной экосистемы,
1.5. Практическая значимость диссертации В зимне-весенних биоценозах огурца и томата на фоне существующей интенсивной технологии разработаны рекомендации по применению копролита, позволяющие решать важные экологические задачи: наращивать продуктивность, увеличивать энергию в урожае, повышать энергетическую и экономическую устойчивость агропромышленных тепличных экосистем, при одновременном сокращении антропогенной нагрузки на них и получении качественных овощей.
Результаты исследований диссертационной работы включены в лекционные курсы и используются при подготовке специалистов учёных агрономов-экологов в Брянской госсельхозакадемии.
1.6. Апробация работы Материалы диссертации были представлены на Всероссийской научно-практической конференции «Биотехнология - возрождению сельского хозяйства России в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2001), на I Международной конференции «Дождевые черви и плодородие почв» (Владимир, 2002), на Международной научно-практической конференции «Использование достижений современной биологической науки при разработке технологий в агрономии, зоотехнии и ветеринарии» (Брянск, 2002), на X Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2003» (Москва, 2003), на Международной научной конференции «Состояние и проблемы научного обеспечения овощеводства защищенного фунта» (Москва, 2003), на Научно-практической конференции, посвященной 75-лстию со дня рождения проф. Г.Б. Гальдина (Пенза, 2003). 4
По теме диссертации опубликовано 7 работ.
1.7. Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из 7 глав, 24 разделов, выводов, рекомендаций, списка использованной литературы, 28 приложений. Она изложена на 153 страницах машинописного текста, включая 90 страниц текста, 23 таблицы, 24 рисунка. Список цитируемой литературы на 20 страницах содержит 210 наименований, втом числе 15 иностранных.
Агроэкосистемы и биоценозы, их продуктивность и устойчивость
Экосистема - совокупность живых организмов в неорганической среде их обитания, занимающих определённое пространство и способных к саморегуляции. Абиотические компоненты экосистемы представлены почвой, растительным опадом, остатками микроорганизмов и мезофауны. Биотическая часть экосистемы состоит из первичных продуцентов - автотрофов и консументов -гетеротрофон, которые разлагают растительные и животные остатки до уровня исходных неорганических веществ, выполняя одновременно роль вторичных продуцентов (Муракаева, Соколов, 2000).
Выделяют микроэкосистемы, например ствол гниющего дерева, мезоэкоси-стемы (лес, пруд и т. п.), макроэкосистемы (океан, континент и т. п.). Глобальная экосистема одна - биосфера (Реймерс, 1990). Все экосистемы различаются структурами пространственно-временного разнообразия, потоками энергии, трофическими цепями, биогеохимическими круговоротами элементов и веществ, развитием, эволюцией и управлением (Одум, 1974).
В отечественной научной литературе широко применяют термины «биоценоз», «биогеоценоз» и другие, а о зарубежной преобладают «экологическая система» или «экосистема». В 60-70-х годах на научно-методических и программных совещаниях ЮНЕСКО, и научных Союзов, объединяемых ИКСЮ, было рекомендовано применять единый термин - экологическая система или экосистема (Ковда и др., 1991). Однако в России параллельно с концепцией экосистем с 1942 г. продолжает развиваться учение о биогеоценозах (Сукачев, 1947) и с 1979 г. -о биопедоценозах (Муха, 1979).
В. Н. Сукачев определил биогеоценоз как совокупность однородных природных элементов на определённом участке поверхности Земли. По ІІ.Ф. Реймерсу (1990) биогеоценоз -эволюционно сложившаяся, относительно пространственно ограниченная, внутренне однородная природная система функционально взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотичсской среды, характеризующаяся определённым энергетическим состоянием, типом и скоростью обмена веществом и информацией. Он отмечал, что понятия «экосистема» и «биогеоценоз» - синонимы.
Существует мнение, что иод определение биогеоценоза экосистемы не подпадают, так как им не свойственны некоторые признаки этого определения, например, территориальная ограниченность. Экосистема, напротив, может включать несколько биогеоценозов, т. е. понятие «экосистема» шире, чем понятие «биогеоценоз». Любой биогеоценоз является экологической системой но не всякую экосистему можно считать биогеоценозом, сугубо наземным образованием, имеющим чёткие границы (Муракаева, Соколов, 2000).
К антропогенным факторам, оказывающим воздействие на экосистемы и биогеоценозы относят сельское хозяйство, освоение земель, вырубку лесов, горнодобывающую и перерабатывающую промышленность, производство энергии, транспорт, строительство и др. В результате различных антропогенных воздействий в природных системах происходят изменения элементов, пищевых цепей, круговорота веществ и потоков энергии. Они приобретают определённые особенности, свойственные конкретным типам хозяйственной деятельности. При аграрных антропогенных воздействиях экосистема трансформируется в агроэкосистему, биогеоценоз — в агробиогеоЦеноз, т. е. в эко-лого-экономические системы соответствующего уровня.
С одной стороны, агроэкосистемы - это естественно-материальный источник производства, а с другой - объект и результат целенаправленной деятельности человека. Как предмет изучения и управления агроэкосистема представляет собой вполне определённую материальную систему со сложной совокупностью активных экологических взаимосвязей, которые реализуются в результатах производственной деятельности и условиях воспроизводства природного потенциала.
С.А. Муракаева и О.А. Соколов (2000) отмечают, что общепринятая классификация агроэкосистем отсутствует. Это восполняется в определённой степени типизацией структур земледелия, применяемой ФАО. Согласно этой типизации, выделено пять видов землепользования, по каждому из которых классифицированы агроэкосистемы.
1. Земледельческое, или полевое, землепользование - богарные, орошаемые агроэкосистемы (ротации зерновых, бобовых, кормовых, овощных, бахчевых, технических и лекарственных, культур).
2. Плантационно-садовое землепользование - плантационные агроэкосистемы (чайный куст, дерево какао, кофейное дерево, сахарЕіьій тростник), садовые агроэкосистемы (плодовые сады, ягодники, виноградники).
3. Пастбищное землепользование- пастбищные агроэкосистемы (отгонные пастбища: тундровые, пустынные, горные; лесные пастбища; улучшенные пастбища; сенокосы; окультуренные луга).
4. Смешанное землепользование - смешанные агроэкосистемы, характеризующиеся равнозначным соотношением и сочетанием нескольких видов землепользования, а также процессов получения как первичной, так и вторичной биологической продукции.
5. Землепользование в целях производства вторичной биологической продукции - афопромышленные экосистемы (территории интенсивного «индустриализированного» производства молока, мяса, яиц и другой продукции на основе преобладающих процессов снабжения системы веществом и энергией извне).
По энергетическим вложениям выделяют агроэкосистемы доиндустриальные с дополнительной энергией в виде мышечных усилий человека и животных. Агроэкосистемы этого типа, как правило, гармонирующие с природными экосистемами, занимают значительные площади пахотных земель в странах Азии, Африки и Южной Америки. Различают также агроэкосистемы второго типа, требующие постоянного дополнительного привнесения энергии. В агроэкосистемы доиндустрн-алыюго типа ежегодно дополнительно поступает около 2 10 Дж/га, а в интенсивные механизированные агроэкосистемы развитых стран - до 20 1010 Дж/га (целесообразный предел внесения дополнительной энергии- 15-10 Дж/га). В ходе эволюции естественные системы приобрели способность к саморегуляции и самовосстановлению. При их трансформации в агроэкосистемы вещественно-энергетические и информационные связи значительно изменяются. Если такие изменения выходят за рамки допустимых пределов, то экосистемы теряют способность к самовоспроизводству основных компонентов и в итоге быстро деградируют. Экосистемы обладают рядом свойств, определяющих их отношение к внешним воздействиям. Одними из них и очень важными для эффективного функционирования агроэкосистем является устойчивость — способность к самосохранению и саморегулированию в пределах, не превышающих определённых критических величин. Эта научная категория имеет основополагающее значение для оценки систем земледелия и практических мер по управлению экосистемой, особенно агропромышленной (Уиттекер, 1980)..
Параметрами устойчивости агроэкосистем являются функции, режимы и свойства почвы; структура, организация и продуктивность агрогсоценозов; интенсивность и сбалансированность биогеохимических круговоротов и т. п. (Муракасва, Соколов, 2000).
Обсуждая в научной литературе различные аспекты устойчивости экосистем, исследователи в той или иной форме обращаются к вопросу о роли почв в этом процессе. Именно устойчивость биогсоценотических функций почв, как материальной среды обитания растений, является основным условием устойчивости биогеоценозов и экосистем (Смагин, 1994).
Агроэкосистемы и биоценозы, их продуктивность и устойчивость
В основе методического подхода проведения исследований с целью повышения продуктивности и устойчивости агропромышленной тепличной экосистемы с помощью копролита лежат следующие научные экологические концепции (Паракин, 2000): функционалыю-ценотическая (взаимодействие компонентов в экосистеме);
продуктивно-энергетическая (формирование первичной продукции);
информационно-кибернетическая (потоки информации и гомеостаз биоценоза и экосистемы, управляющие воздействия на них);
биогеохимическая (круговорот веществ в экосистеме, миграция химических элементов по компонентам экосистемы);
почвенных режимов (динамика функционирования почвы);
социально-экономическая (эксплуатация экосистем, последствия для общества).
В копролите до и после пропаривания, в тепличном грунте до закладки опытов и в период интенсивного плодоношения культур определяли: рН солевой вытяжки и нитраты потенциометрически на иономере М-120 по ГОСТ 24483-85 и ГОСТ 13496-86 соответственно. Содержание подвижного фосфора и обменного калия (по Кирсанову в модификации ЦИНАО - ГОСТ 262027-840).
В процессе вегетации проводили фенологические наблюдения за ростом и развитием растений по методике Госсортоссти. Через каждые 10 дней фиксировали нарастание вегетативной массы растений, наблюдали за их ростом и развитием (высота, длина междоузлий, количество цветков и др.). Наступление фаз развития отмечали при наличии признаков у 10 % растений, а полную фазу - при наличии признаков у 75 % растений.
Учет урожайности культур проводили сплошным иоделяночным методом путём взвешивания всех плодов с последующим пересчётом в килограм-мы сім.
Для определения качества плодов отбирали средние пробы массой 1 кг в период интенсивного плодоношения томата и огурца. В них определяли содержание сухого вещества весовым методом, нитраты - с помощью ионоселективно-го электрода на иономере - М-120 (ГОСТ 13496-86), содержание аскорбиновой кислоты (витамина С) - по Мурри, содержание Сахаров - на рефрактометре.
Энергетическая оценка эффективности применения копролита для повышения продуктивности и устойчивости агропромышленной тепличной экосистемы выполнена по методическим разработкам ВАСХНИЛ (Никифоров и др., 1995), МСХА (Посыпанов и др., 1995), ЦИМАО (Стадиик и др., 1997), Брянской ГСХА (Мальцев и др., 2003). Экономическую эффективность рассчитывали по методике Всесоюзного НИИ экономики сельского хозяйства.
Статистическую обработку экспериментальных данных, их визуализацию и оформление диссертационной работы проводили на компьютере с помощью пакета программ Microsoft Office ХР и программы STRAZ.
Изменения свойств тепличного грунта в биоценозе огурца
После вспашки и пропаривания тепличный грунт имел плотность 0,65-0,70 г/см ; плотность твёрдой фазы 2,3-2,4 г/см ; пористость 60-70 %.
В 2001 г. внесение 30 и 60 г копролита в лунку при возделывании культуры огурца привело к существенному увеличению количества нитратного азота в тепличном грунте относительно общепринятой технологии. Кроме того, существенное повышение содержания подвижного фосфора и обменного калия произошло при влесенин 30 г копролита в лунку, а подвижного фосфора - также и при 90 г в лунку (табл. 10).
В 2002 г. применение копролита по 30-120 г в лунку не вызывало существенных изменений реакции тепличного грунта и содержания в нём обменного калия; содержание нитратного азота значительно снизилось. Существенно увеличилось содержание подвижного фосфора при внесении 60-120 г копролита в лунку (табл. 10).
В 2003 г., как и в предыдущем, внесение изучаемых доз копролита не вызывало существенных изменений реакции тепличного грунта и содержания в нём обменного калия. Содержание нитратного азота значительно снизилось, а содержание подвижного фосфора существенно увеличилось при внесении 60-120 г копролита в лунку (табл. 10). В среднем за 3 года при выращивании растений огурца тепличный грунт в контрольном варианте имел слабокислую реакцию и очень высокую обеспеченность основными элементами питания. При внесении 30 г копролита в лунку произошло изменение реакции грунта - она стала кислой, а 60-120 г не вызывало существенных изменений.
В 2001 г. в контрольном варианте тепличный фунт имел слабокислую реакцию и очень высокую обеспеченность основными элементами питания. Внесение 30 г копролита привело к повышению кислотности грунта, а 60-120 г не вызывало существенных изменений этого показателя. Относительно контроля количество нитратного азота в грунте существенно снижалось при внесении 60, 90 и 120 г копролита в лунку. Внесение 90 и 120 г копролита вызвало существенное понижение содержания подвижного фосфора. Однако, существенно повысилось содержание обменного калия при внесении 30-120 г копролита в каждую лунку (табл. 11).
В 2002 г., как и в предыдущем, в контрольном варианте тепличный грунт имел слабокислую реакцию и очень высокую обеспеченность основными эле 61
ментами питания. Применение копролита не вызывало существенных изменении реакции тепличного грунта и содержания в нем нитратного азота. Содержание подвижного фосфора существенно возросло при внесении в лунку 90 и 120 г копролита, а при внесении 60, 90 и 120 г в лунку существенно увеличилось и содержание обменного калия (табл. 11).
В среднем за годы исследований в контрольном варианте тепличный грунт имел слабокислую реакцию и очень высокую обеспеченность основными элементами питания. Внесение 30 г копролита в лунку приводило к изменению реакции тепличного грунта- она становилась кислой, а 60-120 г не вызывали существенных изменений.
В среднем за годы исследований при локальном внесении 60-120 г копролита снижалось содержание нитратного азота в тепличном грунте (рис. 4), что обусловлено большим выносом его с урожаем плодов томата (см. главу 6).
Формирование растений — важный этап повышения продуктивности и устойчивости биоценозов агропромышленной тепличной экосистемы. Оно позволяет подготовить растения огурца и томата к интенсивному образованию генеративных органов и, следовательно, к более раннему получению урожая овощей высокого качества.
