Введение к работе
Актуальность проблемы. Интенсификация и экстенсификация аридного землепользования в Калмыкии вызвала широкомасштабные деградационные процессы во всех природных средах. Пастбищная дигрессия, дегумификация, вторичное засоление и ветровая эрозия почв - неполный перечень процессов, объединенных названием «опустынивание». Общим для всех перечисленных процессов является долгосрочное падение продуктивности экосистем.
В Калмыкии, сельское хозяйство которой специализированно на производстве животноводческой продукции, создание прочной кормовой базы имеет первостепенное значение. Наметившиеся тенденции снижения плодородия земли и загрязнение окружающей среды требуют нового подхода в теории и практике землепользования. Сущность такого подхода заключается в создании устойчивых высокопродуктивных агроценозов, обладающих способностью к частичной саморегуляции (Жученко, 1990; Кирюшин, 1995; Миркин, 1997). Идеи, лежащие в его основе, впервые были высказаны Н.И. Вавиловым, В.И. Вернадским, В.Н. Любименко, К.А. Тимирязевым.
Этому подходу в наибольшей мере в аридных условиях отвечают растения, эволюци-онно-географическое происхождение которых позволяет им эффективно использовать ресурсы среды, в том числе, за счет формирования высокопродуктивных фотосинтетнческих систем (С, - растения).
К числу таких культур относят сорго. С4 - культурой, способной решить проблему белка, в последние годы в стране и за рубежом считают амарант (Amaranthus).
Важный принцип конструирования адаптированного агроландшафта - усиление биоразнообразия. Для формирования смешанных агроценозов актуальной является характеристика, показывающая положение вида в агроэкосистеме, определяемая как экологическая ниша.
Мало разработан и вопрос эффективной эксплуатации подобных агроценозов на основе регулярных сведений об их функционировании.
Одной из отраслей орошаемого растениеводства, занявшей прочное место в республике, является рисосеяние. В условиях крайней ограниченности запасов поверхностных вод возделывание риса должно базироваться на применении ресурсосберегающих технологий и подборе солеустойчивых сортов.
Решение этих вопросов необходимо в связи с проблемами адаптивного размещения агроценозов в условиях неравномерного распределения факторов природной среды, рационального землепользования и продовольственной безопасности региона.
Цель и задачи исследования. Основная цель выполненных исследований -разработать приемы рационального землепользования аридных территорий на основе изучения эко-лого-биологических особенностей адаптивного потенциала агроценозов (риса, сорго и амаранта) и определения оптимума их продуктивности.
Исходя из этого, в задачи исследования входило:
-
Комплексно оценить природные условия и эколого-биологические основы адаптивного потенциала и продуктивность фитоценозов.
-
Оценить адаптивные реакции риса и осуществить подбор солеустойчивых сортов, отвечающих требованиям высокой продуктивности и сбалансированности по качеству продукции в условиях использования технологии с укороченным периодом затопления.
-
Обосновать возможность повышения интегрального ресурса адаптивности и продуктивности одно- и двухкомпонентных агроценозов на основе новых для региона С4 - культур (сорго, амарант).
-
Предложить приемы биомелиорации и рекультивации деградированных и засоленных пахотных земель.
-
Разработать и внедрить контрольно-диагностическую систему эксплуатации и управления продукционным процессом зерновых и кормовых агроценозов.
Защищаемые положения.
-
Комплексная оценка абиотической среды и растительности как сопряженных объектов создания и использования фито- и агроценозов.
-
Теоретическое обоснование и реализация ресурсосберегающих режимов водного и минерального обменов высокопродуктивных агроценозов риса применительно к условиям региона.
-
Концепция и основные принципы создания и адаптивного размещения высокопродуктивных кормовых агроэкосистем на основе культур (сорго и амарант), эволюционно-географическое происхождение которых в наибольшей мере соответствует аридным условиям региона.
-
Новые приемы биомелиорации и рекультивации деградированных пахотных земель.
-
Методическое обоснование и реализация контрольно-диагностической системы эффективной эксплуатации и управления продукционным процессом зерновых и кормовых агроценозов.
Научная новизна. Впервые для аридной территории Калмыкии проведено многоплановое исследование адаптивности и продуктивности одно- и двухкомпонентных агроэкосистем в период действия и последействия неблагоприятных факторов в ритмах естественного хода изменений условий на различных этапах онтогенеза растений. Предложены основополагающие подходы к рациональному землепользованию на основе создания адаптивных высокопродуктивных агроэкосистем, разработаны практические приемы их размещения и эксплуатации, обеспечивающие решение продовольственной проблемы экологически безопасными и ресурсосберегающими способами.
Установлено, что наиболее полная реализация адаптивного потенциала и продуктивного оптимума агроценозов риса на солонцеватых светло-каштановых почвах обеспечивается водным режимом с укороченным затоплением. Определены условия минерального питания и параметры структурно-функционального состояния агроценозов адаптивных сортов риса, обеспечивающих высокую продуктивность и сбалансированность по белку и лизину.
Впервые для региона показана возможность повышения интегрального ресурса агроэкосистем с высоким уровнем фитометрических, фотосинтетических и энергетических параметров формирования урожаев в моно- и поликультуре, созданных на основе С4 - культур эволюционно приспособленных к более жарким и сухим климатическим условиям.
Установлены физиологически значимые показатели и закономерности метаболических процессов, коррелирующие с устойчивостью и продуктивностью агроценозов сорго в зависимости от напряженности метеоусловий и величины стресс-факторов в засушливых условиях. Выявлены наиболее адаптивные экотипы.
Проведена эколого-интродукционная оценка амаранта для аридных условий. Опреде-
лена средообразующая роль амаранта, выражающаяся в рассолении засоленных и солонцеватых почв и в улучшении физико-химических свойств почв.
Осуществлен подбор видов для конструирования смешанных агроценозов, отвечающих принципам взаимодополняемости и дифференциации экологических ниш.
Применительно к условиям региона разработана система управления состоянием агро-экосистем на основе оперативного анализа показателей почв и растений в динамике. Проведены первоочередные мероприятия реализации и внедрения контрольно-диагностической системы, обеспечивающей повышение продуктивности и качества получаемой продукции.
Практическая значимость работы. Результаты комплексного многопланового исследования адаптивности и продуктивности одно- и двухюмпонентных агроэкосистем имеют первостепенное значение для разработки принципов управления продукционным процессом и мониторинга в агроценозах, обеспечения продовольственной безопасности, решению проблемы дефицита пищевого и кормового белка наиболее ресурсосберегающими и экологически безопасными методами, рационального землепользования аридной территории Калмыкии и сопредельных территорий со сходными почвенно-климатическими условиями.
Материалы исследований позволили обосновать: ресурсосберегающие, физиологически обоснованные режимы водного и минерального обменов агроценозов риса; приемы конструирования адаптивных высокопродуктивных одно- и двухкомпонентных кормовых агроценозов. Предложенные виды, сорта, гибриды и приемы в производственных условиях могут обеспечить значительное повышение продуктивности и качества продукции, сбалансированной по протеину. Сделан вклад в решение важной проблемы — устранения дефицита кормового белка.
Результаты работы внедрены во Всероссийском Центре «Интерагротех», Министерстве сельского хозяйства Калмыкии, Министерстве охраны окружающей среды Калмыкии, Калмыцком ЦНТИ, Калмыцком НИИСХ, хозяйствах республики. Усовершенствованные и адаптированные автором аналитические методы на основе ИК-спектроскопии успешно используются в организациях России, Украины, Белоруссии для экспресс-оценки качества сельскохозяйственной продукции. Теоретические и практические разработки автора реализованы в «Проектных предложениях по стабилизации экологической обстановки в Республике Калмыкия» (1996), а также в виде глав и разделов в отчетах. Разработанные автором теоретические положения, методики и программные средства широко используются в курсах лекций, а также при выполнении курсовых, дипломных и кандидатских работ на биологическом и аграрном факультетах КГУ.
Связь темы диссертации с государственными и международными научными программами. Исследования проводились по планам научно-исследовательских работ Калмыцкого государственного университета, являясь составной частью государственных заданий и отраслевых целевых комплексных программ: Минсельхоза СССР «Изучение проблем рисосеяния в Сарпинской низменности» (№ 01.76.0076882,1973-1977 г.г.); «Разработать прогрессивную технологию возделывания риса применительно к природным условиям Сарпинской низменности» (№01.76.0057.503,1976-1981 г.г.);ГКНТ и Минобразования РСФСР «Изучить экологические и физиологические особенности фотосинтеза» (№ 01.86.0076882 1987-1990 г.г.); Агропрома РСФСР «Разработать технологию возделывания амаранта в Кал-
мыкии» (1989-1991); Минсельхоза РК «Качество кормовых культур в различных почвенно-климатических зонах Калмыкии» (1992-1994). В этих работах автор являлся руководителем отдельных разделов или ответственным исполнителем и осуществлял лично проведение экспериментальных работ.
В 1995-96 г.п, по заданию Министерства охраны окружающей среды РК при поддержке Программы по охране окружающей среды (ЮНЕП) при ООН автор участвовал в разработке «Национальной программы действий по борьбе с опустыниванием в Республике Калмыкия» (соавторы Б.В.Виноградов, Н.Ф.Глазовский, Э.Б.Габуншина, О. А.Лачко и др.).
По личной инициативе выполнялись исследования по региональным комплексным программам: «Растительный мир Калмыкии, состояние и экологические особенности в условиях мелиорации земель», «Растительный мир Калмыкии, охрана, рациональное использование и воспроизводство».
Личный вклад соискателя. Разработка программ исследования, планирование и организация полевых и лабораторных экспериментов, все основные исследования выполнены самим соискателем. В отдельных экспериментах, сборе и обработке данных і іринимали участие коллеги, аспиранты и студенты. Их вклад в работу отражен в совместных публикациях.
Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу, доложены: на 11 и III Международных симпозиумах «Фотосинтез и минеральное питание растений» (Варна, НРБ, 1983,1987), 1 Международном симпозиуме «Восток-Запад: диалог культур» (Алма-Ата, 1992), Международном конгрессе «Женщины за охрану окружающей среды» (Москва, 1993), Международном симпозиуме «Амарант: биология, агротехника, использование» (Ташкент, 1993), V Международном Конгрессе по исследованию растительного белка» «LeafPro-96» (Ростов-на-Дону, 1996), II и 111 Международных симпозиумах «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их практического использования» (Пущино, 1997; 1999), Международной конференции «Экосистемы Прикаспия XXI веку» (Элиста, 1998), Всесоюзной конференции «Почвенно-агрохимичсские и экологические проблемы формирования высокопродуктивных агроценозов» (Пущино, 1988), Всесоюзном совещании «Интродукция растений в аридную зону» (Ашхабад, 1989), VII Всесоюзной конференции «Роль ботанических садов в рациональном использовании и воспроизводстве растительных ресурсов» (Ташкент, 1990), VII Всесоюзном симпозиуме «Эколого-по-пуляционный анализ кормовых растений естественной флоры, интродукция и использование» (Сыктывкар, 1990), Всесоюзном научном совещании «Охрана, обогащение, воспроизводство и использование растительных ресурсов» (Ставрополь, 1990), Всесоюзном совещании «Клеточные механизмы адаптации» (Чернигов, 1991), 1 Всесоюзной научной конференции «Возделывание и использование амаранта в СССР» (Казань, 1991), Всесоюзных научно-практических совещаниях «Проблемы биологии, селекции и технологии возделывания и переработки сорго» (Зерноград 1990, Волгоград 1992), Ш съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург, 1993), Всероссийском совещании «Проблемы изучения аридных экосистем и борьбы с опустыниванием» (Элиста, 1995), II съезде почвоведов России (Санкт-Петербург, 1996), Всероссийской научно-практической конференции «Повышение продуктивности и охрана аридных ландшафтов» (Соленое Займище, 1998), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы сохранения биораз-
нообразия аридных регионов России», (Волгоград, 1998), III-VI Северо-Кавказских научно-практических школах-семинарах «Механизмы экологической адаптации животных и растений к экстремальным факторам среды» (Ростов-на-Дону, 1984,1987,1989,1990), Межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы степных экосистем и сопредельных территорий» (Краснодар, 1994), Республиканских научно-практических конференциях (Элиста, 1981 -1993), I Республиканской конференции по охране природы (Элиста, 1995), Республиканском семинаре по реализации «Национальной программы действий по борьбе с опустыниванием» (Элиста, 1997).
Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях научно-производственного семинара на базе павильона «Корма» ВДНХ СССР (1990); НТС Агро-прома РСФСР, (Москва, 1990); НТС Агропрома КАССР, (Элиста, 1993); секции «Физиологии и биохимии растений» Санкт-Петербургского общества Естествоиспытателей, (Санкт-Петербург, 1992); кафедры физиологии растений МГУ, (Москва, 1993); кафедры ботаники и физиологии растений КГУ (Элиста, 1980-1998); ученого совета биологического факультета КГУ (Элиста, 1980-1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ. Результаты работы защищены 3 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части (5 глав), выводов, предложений производству и библиографии, включающей 386 наименований, из них 55 на иностранных языках и приложения. Работа изложена на 271 странице машинописного текста, содержит 41 рисунок, 36 таблиц.