Содержание к диссертации
Введение
1. Ценность винограда и проблемы его производства в условиях техногенного загрязнения агроландшафтов 8
1.1 Пищевая и медицинская ценность винограда 8
1.2 Вопросы техногенного загрязнения агроландшафтов 26
1.3 Применение мелиорантов для снижения антропогенной нагрузки на почвы виноградников 42
2. Условия, схема опытов, методика проведения полевых и лабораторных исследований 45
2.1 Климатическая характеристика виноградников Нижнего Дона.. 45
2.2 Почвы виноградников 55
2.3 Схема опытов и материал исследований 59
2.4 Учеты и наблюдения за виноградными растениями 62
2.5 Методы изучения свойств почвы виноградников 65
Результаты исследований 69
3. Рост, развитие, продуктивность и качество винограда при различных дозах внесения цеолита 69
3.1 Особенности метеорологических условий в годы исследований ' на Дону в 2003-2005 гг 69
3.2 Перезимовка виноградных насаждений 73
3.3 Развитие корневой системы виноградных насаждений 76
3.4 Влияние изучаемого приема на рост и развитие вегетативной массы винограда 79
3.5 Продуктивность винограда при различных дозах внесения цеолита 82
3.6 Математическое описание зависимости урожайности винограда от нагрузки побегами при внесении цеолита 89
4. Влияние цеолита на качество продукции виноградников и почву 92
4.1 Влияние различных доз цеолита на содержание тяжелых Q2
металлов в ягодах винограда
4.2 Изменение свойств почвы виноградников под действием цеолита 95
5. Экологическая и биоэнергитическая оценка использования цеолита на виноградниках 106
Выводы 110
Предложения производству 113
Список использованной литературы
- Вопросы техногенного загрязнения агроландшафтов
- Схема опытов и материал исследований
- Развитие корневой системы виноградных насаждений
- Изменение свойств почвы виноградников под действием цеолита
Введение к работе
Юг России является основным производителем винограда и винодельческой продукции в нашей стране. На основании изучения экологических условий в России выделены четыре основных виноградарских района:
Западное Предкавказье (Краснодарский край).
Восточное Предкавказье (Ставропольский край, Кабардино-Балкария, Северная Осетия, Чечня).
Дон (Ростовская область).
Юго-восточное Предкавказье (Дагестан).
В Донском виноградарском районе лучшие, наиболее продуктивные виноградные насаждения расположены в основном по нижнему течению Дона и его притоков. После ввода в эксплуатацию оросительной системы Цимлянского гидроузла пол века назад широкое развитие получило виноградарство в Задонье, которое представлено в нашей работе.
Одним из приоритетных направлений развития сельского хозяйства является получение экологически чистых продуктов питания человека. Важность этого направления обусловлена ростом неблагоприятных изменений в экосистемах, возникших вследствие не всегда умелого вмешательства человека в круговорот химических веществ в биосфере.
В современных условиях в Российской Федерации сформировался ряд регионов, где высокая концентрация населения и разного рода производств ухудшают экологическую обстановку. Антропогенные нагрузки в таких регионах достигли критический величины, при которой сопротивляемость природных комплексов близка к исчерпыванию.
Существовавший до недавнего времени подход к сельскому хозяйству преследовал одну цель - получение высоких урожаев. Вопросы качества этого урожая отодвигались на второй план, либо не принимались в расчет.
Безусловно, при сохранении такого положения производимая продукция вряд ли будет конкурентоспособна на внутреннем, а, тем более, на внешнем рынке. Поэтому, рассматривая мелиорацию земель как систему мероприятий, направленных на получение устойчивых урожаев винограда при высоком качестве производимой продукции в зонах интенсивного антропогенного воздействия на агроландшафты, следует шире использовать ее возможности. Подводя итог изложенного выше, разработка научного применения мелиорации в условиях интенсивного антропогенного воздействия на агроландшафты, в нашем случае представленными промышленными виноградниками, представляет актуальную проблему и может быть решена с применением экосистемного подхода.
Цель работы выявление реакции виноградных насаждений на применение комплексного мелиоранта цеолита, обеспечивающего получение устойчивых урожаев винограда высоких качественных кондиций.
В процессе исследований решались следующие задачи:
изучить особенности роста и развития винограда при различных дозах внесения цеолита;
установить особенности формирования элементов продуктивности винограда при использовании комплексного мелиоранта;
выявить влияние различных доз цеолита на урожайность и качество винограда сортов столового и технического направления;
изучить действие цеолита на свойства чернозема обыкновенного виноградников Нижнего Дона;
провести биоэнергетическую и экономическую оценку возделывания промышленных виноградников с применением цеолита.
Научная новизна исследований. В почвенно-климатических условиях Дона изучена продуктивность виноградников столового и технического направления использования при различных дозах внесения цеолита.
r Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют
рекомендовать производству возделывание промышленных виноградников с использованием цеолита.
Положения выносимые на защиту;
Особенности роста и развития виноградных кустов столового и
технического направления использования при различных дозах внесенного цеолита.
Урожайность и качество винограда в зависимости от доз внесенного цеолита в условиях Нижнего Дона.
Экономическое и биоэнергетическое обоснование применения цеолита на виноградниках Нижнего Дона.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и
получили одобрение на заседании кафедры инженерных изысканий НГМА,
научно-практической конференции «Повышение эффективности
использования орошаемых земель южного федерального округа»
(Шумаковские чтения совместно с заседанием секции РАСХН г.
Новочеркасск, 2005); международной научно-практической конференции
«Экологические проблемы природопользования в мелиоративном
земледелии» г. Новочеркасск, 2006 г. и научно-практической конференции,
посвященной 70-летию ВНИИВиВ им. Я.И.Потапенко «Новые технологии
производства и переработки винограда для интенсификации отечественной виноградно-винодельческой отрасли», г. Новочеркасск, 2006 г.
По материалам исследований опубликовано 4 печатных работ, в которых отражены основные положения диссертации, в том числе одна в центральной печати, в журнале, рекомендованном ВАК Минобразования и науки РФ. Производственная проверка, подтвержденная актами внедрения, проведена в 2006-2007 годах на виноградниках Новочеркасского отделения опытного поля ВНИИВиВ им. ЯМ. Потапенко на площади 30 га.
>
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 132 страницах компьютерного текста, состоит из введения, пяти глав, основных выводов и предложений производству, списка литературы, включающего 163 наименования, в том числе 18 зарубежных авторов. В тексте диссертации содержаться 31 таблица, 15 рисунков и приложения.
Вопросы техногенного загрязнения агроландшафтов
Помимо положительного влияния элементов минерального комплекса, отмеченного нами в начале аналитического обзора, известно и вредоносное воздействие на живые организмы повышенного содержания некоторых из них, например ртути, кадмия и свинца, объединенные общим названием тяжелые металлы. Так, по исследованиям в Дагестане, содержание свинца в винограде колебалось в зависимости от сортовой принадлежности от 0,029 до 0,12 мг/кг. Примечательно и то, что разные сорта винограда при выращивании на почвах одного участка, при одинаковом антропогенном воздействии накапливали разное количество свинца.
На накопление минеральных элементов в растениях существенное влияние оказывает среда обитания: содержание солей и гранулометрический состав почвы, глубина и уровень минерализации грунтовых вод, содержание гумуса, макро- и микроэлементов и т.д. Но одним из главных факторов, влияющих на обеспеченность растений минеральными элементами, является их содержание в почве [139]. Степень проявления этой взаимосвязи зависит не только от биологической природы растительного организма и геохимии среды, но и от биогеохимических пищевых цепей, осуществляющих связь организмов с окружающей средой [75]. Таким образом, все пищевые и многие другие экологические цепи, с которыми связана жизнь человека, проходит через почву. Именно почва аккумулирует и «запоминает» все изменения, происходящие в агроценозе и биосфере. Поэтому информация о концентрациях тяжелых металлов в почве, растениях и водах помогает выявить биохимические отклонения, возникающие при высоком или недостаточном содержании их в почве и в пищевых растительных продуктах.
Интенсивность загрязнения тяжелыми металлами и распространение их по площади зависит от высоты выброса, их массы, физико-химических свойств, метеорологических условий, рельефа местности. Неравномерность техногенного рассеивания металлов усугубляется неоднородностью геохимической обстановки в природных ландшафтах [44, 50].
Почва - открытая подсистема в геохимическом ландшафте, потоки веществ в ней связаны с приземной атмосферой, растительностью, поверхностными и почвенно-грунтовыми водами [76].
Рассеянные микроэлементы, масса которых от вещества планеты составляет менее 0,1 %, включены в качестве примесей в почвообразующие минералы. В процессе почвообразования металлы сорбируются гидроксидами железа, глинистыми минералами и гумусом [86]. Гидроксиды железа поглощают ТМ более активно, чем глинистые минералы и почвенное органическое вещество. Так, 50 % всего количества металлов связано с оксидами железа, а с органическим веществом в черноземах от 25 (цинк) до 30 % (медь) [65], другие авторы приводят 2/3 - 3/4 [133]. Выпадающие на поверхность ТМ, как правило, концентрируются в слое 2 - 5 см [143].
Как видно из вышеприведенного, почва активно трансформирует поступающие в нее соединения, при этом водорастворимые переходят в ионообменные и труднорастворимые. Органическое вещество образует с металлами комплексные, хелатные и металлорганические соединения. Ионы РЬ более прочно адсорбируются почвой, чем Zn и Cd. При этом не только проявляется токсичное действие такой почвы на растения, но и уменьшается доступность ряда незаменимых элементов (Са, Mg, К, Na). Сильной миграционной способностью обладают кадмий, медь, никель, кобальт в кислой среде.
Содержание ТМ в почве во многом определяется способностями почвообразующих пород и процессом педогенеза, вызывающим перераспределение элементов в профиле, изменение соотношения форм соединений микроэлементов. Микроэлементный состав почвообразующих пород зависит от гранулометрического состава и миграционной способности.
Максимальное количество ТМ в почвообразующих породах Донской равнины найдено в покровных лессовидных тяжелых суглинках и глинах, а минимальное - в древнеаллювиальных и флювиогляциальных супесях и песках.
Многие исследователи отмечают пространственную вариабельность концентрации металлов в различных типах почв [50, 86] и колебании Си, Zn, Pb, Cd в зависимости от использования почв. Так, коэффициент вариабельности для пахотных почв 5,5-21 %.
Схема опытов и материал исследований
На крайнем юге, а также в некоторых местах по балкам на поверхность (16-50 см) выходят известняки-ракушечники. Они очень плотно сложены, состоят из ракушечника, хряща, а часто и камня, бурно вскипают от 10 % соляной кислоты. Лессовидные отложения преобладают на территории землепользования. Они представлены палево-желтыми, пористыми неплотными тяжелыми суглинками и легкими глинами. Иногда глины приобретают сильное уплотнение.
Лессовидные породы характеризуются значительной закарбоначенностью (содержание активного кальция от 2 до 8 %), однородностью окраски, которая нарушается темными ходами корней, червей, а также наличием черных примазок и конкреций марганцево-железистых соединений. Профиль перерыт кротовинами и червороинами. Лессовидные отложения промыты от солей на глубину 3 м. По данным гидрогеологической съемки на основе выполнения скважин на склонах балки Западенской и северном склоне к р. Аксай установлено, что глубина грунтовых вод колеблется от 4,0 до 14,0 м. Минерализация их составляет 1,6 - 2,48 г/л. Тип засоления сульфатный. Грунтовые воды на почвообразование влияния не оказывают.
Почвы территории землепользования селекционного центра представлены в основном черноземами обыкновенными. Только в днищах балок формируются делювиальные почвы.
Черноземами обыкновенные отличаются характером почвообразующих пород (красно-бурые скифские глины, известняк-ракушечник, а также лессовидные суглинки и глины). В связи с глубокой плантажной вспашкой на части территории выделены шантажированные почвы.
Наибольшее распространение получили черноземы обыкновенные слабо выщелоченные глинистые и тяжелосуглинистые на лессовидных отложениях, которые сформировались на плоскоравнинном водоразделе и занимают всю центральную и северную части территории вдоль шоссе Ростов-Новочеркасск. Грунтовые воды до 3,0 м не были обнаружены. Почвообразующие и подстилающие лессовидные отложения не засолены.
В морфологическом отношении эти почвы характеризуются темно-серой окраской гумусовых горизонтов, постепенно светлеющей книзу. Пахотный горизонт мощностью 25 см имеет зернисто-порошистую структуру, рыхлое сложение, пронизан корнями растений. Содержание гумуса в верхних горизонтах (до 40 - 65 см) от 3,12 до 4,11 %. Уменьшение с глубиной очень постепенное и в интервале глубин в среднем 85-125 см его количество составляет 0,60 - 1,10 %. У плантажированных почв отмечается неравномерное распределение гумуса и в верхнем слое его меньше, чем в нижележащем.
Содержание легкоподвижного фосфора низкое, реже среднее, а содержание легкоподвижного калия среднее.
Содержание карбонатов кальция на глубине 65 - 85 см. составляет менее 10 %. Книзу от этих глубин отмечается его возрастание до 12,24 %. Особенно сильная закарбоначенность отмечается в интервале глубин 100 - 200 см. Сумма поглощенных оснований рассматриваемых почв равна в верхних горизонтах 39,07 - 37,42 мг/экв. Основания в основном представлены кальцием, количество которого неравномерно распределено по горизонтам. Почвы промыты от солей на всю 3-х метровую толщу. Сухой остаток: от 0,049 до 0,110 %.
Таким образом, природно-климатические условия Нижнего Дона характеризуются значительным обилием тепла, наличием плодородных почв, некоторым недостатком атмосферных осадков, расположением их в непосредственной близости от промышленных объектов и автодорог для чего необходимо применение научно-обоснованных доз комплексного мелиоранта цеолита, снижающего негативное влияние для выращивания экологически чистых продуктов питания винограда столовых сортов.
Развитие корневой системы виноградных насаждений
Более выровненные условия водоснабжения и минерального питания на вариантах с различными дозами цеолита воздействуют на корневую систему, а через нее на весь виноградный куст. В улучшенных условиях, под действием цеолита, корневая система кустов увеличивается и более энергично использует влагу и элементы минерального питания из почвы, в том числе за счет дополнительно поступивших с цеолитом. Повышается влажность почвы корнеобитаемого слоя, позволяя влаге с растворенными в ней элементами питания быстрее поступить к корням виноградного растения благодаря более свободному перемещению ее в почве.
На вариантах с различными дозами цеолита у сорта Восторг масса корневой системы максимально увеличивается на 111,4 %, по сравнению с контролем без внесения, а по длине она отличается в этих же пределах (111,8% таблица 15).
У сорта Платовский с наибольшей дозой цеолита 15 т/га длина корней увеличилась на 6 %, а вот ее масса повысилась более значительно - на 21 % по сравнению с контролем. На промежуточных вариантах (с дозами 5 и 10 т/га) эта закономерность подтверждается. Рост массы корней опережает рост ее протяженности. Это можно объяснить еще большим возростом насаждений на втором опытном участке с сортом Платовский по сравнению с первым, где возделывается виноград сорта Восторг.
Увеличение протяженности корневой системы и ее массы в воздушно-сухом состоянии произошло в тех слоях почвенного профиля, куда и поступил цеолит после неоднократных культивации междурядий виноградника, о чем свидетельствуют данные таблицы 16.
Анализируя данные развития и размещения корневой системы, приведенные в таблице 16, отмечаем, что под действием цеолита произошло к увеличение массы корневой системы виноградных кустов в слое почвы 20-40 см и это напрямую связано с дозой внесенного материала. Этот вывод справедлив для обоих сортов винограда.
На участках с внесенным цеолитом, далее по почвенному профилю в метровом корнеобитаемом объеме, происходит постепенное снижение количества корней, так как им нет необходимости искать влагу и питательные вещества для роста, они берут их из слоя почвы, содержащего цеолит.
Усиленное развитие корневой системы виноградных кустов сорта Восторг при внесении цеолита способствует лучшему росту однолетних побегов, листовой поверхности. Величину общего однолетнего прироста надземной части виноградного куста и ее облиственность можно рассматривать как достаточно надежный интегральный показатель реакции виноградного растения на изменяющиеся условия произрастания, в частности на улучшение водообеспеченности и минерального питания. Однолетний прирост побегов винограда сорта Восторг в наших исследованиях на вариантах с внесением цеолита равен 2623 см, а на контроле без внесения он минимален и равен 2010 см. Однолетний прирост побегов прогрессивно возрастает с повышением доз цеолита 15 т/га и составляет 80,4 % от ее общей длины. Улучшение условий корнеобитаемого слоя почвы на винограднике под действием внесенного цеолита привело к закономерному увеличению средней длины побегов. Вызревание однолетних побегов винограда сорта Восторг по всем вариантам опыта хорошее (таблица 17), но наилучшие показатели достигнуты с максимальной дозой цеолита.
Однолетний прирост винограда сорта Платовский в наших исследованиях на вариантах с внесение цеолита равен 2767 - 2923 см., а на контроле 2610 см. прогрессивно вырастает с повышением доз. Вызревшая часть побега при максимальной дозе составила 80,4 % от общей длины. По всем вариантам вызревание побегов хорошее.
На кустах, произрастающих на вариантах с внесением различных доз цеолита, развивается большое число листьев, по сравнению с контролем без внесения цеолита. Это увеличивает площадь ассимиляционной поверхности виноградных кустов у сорта Восторг на 5-18 %, а у сорта Платовский 3
Изменение свойств почвы виноградников под действием цеолита
Динамика изменения запасов влаги в почве за годы исследований изучалась в разрезе вариантов с различными дозами цеолита по основным межфазным периодам развития виноградного растения.
Для оценки влагообеспеченности виноградника в течении вегетации по вариантам опыта режимным способом определяли количество продуктивной влаги в корнеобитаемом слое виноградника (0 - 100 м) в основные межфазные периоды его развития, а также в плантажном (0 - 60 см).
Как показали наши наблюдения, на винограднике содержание продуктивной влаги в плантажном слое (0 - 60 см) и метровом слое на варианте без внесения цеолита было ниже, чем на вариантах с различными дозами. Такая динамика прослеживалась на протяжении всей вегетации, варианты с большей дозой цеолита располагали большими запасами доступной для винограда влаги.
Таким образом, изучение влияния различных доз цеолита на накопление и сохранение влаги на винограднике показало, что на межфазный период - распускание почек, запасы продуктивной влаги в основном корнеобитаемом слое (0 - 60 см) были максимальные на варианте с наибольшей дозой цеолита. По мере снижения дозы цеолита запасы влаги снижались, а наименьшими они были на варианте без внесения. В дальнейшем, по мере нарастания температурного режима на винограднике, водопотребление виноградного растения прогрессивно возрастало. Запасы продуктивной влаги снижались по всем вариантам опыта. К периоду созревания ягод и уборки винограда они достигали минимальных значений, но преимущество вариантов с цеолитом сохранялось (рисунок 8).
Аналогично протекали изменения запасов продуктивной влаги в метровом слое почвы, где сосредоточена вся масса корневой системы виноградного растения и откуда шло интенсивное потребление влаги корнями винограда (рисунок 9).
На вариантах с внесенным цеолитом виноградные растения расходуют меньше энергии на потребление влаги из почвы, так как она сосредоточена, в основном, в зоне размещения цеолита. На варианте без цеолита корневая система должна охватывать всю ризосферу и проникать в более глубокие слои, где почва еще бывает не совсем прогрета. Этим и объясняется лучшее развитие, рост и продуктивность винограда на вариантах с внесением цеолита, по сравнению с традиционной технологией возделывания винограда на Дону.
В рамках биохимического строения изучаемая территория опытного поля ВНИИВиВ рассматривается нами в единстве геохимической среды (почвы, атмосферные осадки, почвообразующие породы, почвенные грунтовые воды). За последние годы в различных сельскохозяйственных регионах нашей страны проведены многочисленные исследования и выявлены факторы, природные и антропогенные, влияющие на степень накопления и миграцию тяжелых металлов. Основным источником нахождения их в почве являются почвообразующие или осадочные материнские породы, которые по количественному содержанию отдельных элементов довольно различны.
Как показывают наблюдения последних лет, происходит накопление тяжелых металлов в поверхностных слоях почв и связано это с антропогенной деятельностью человека. Происходит это наиболее интенсивно там, где промышленные объекты расположены в непосредственной близости к сельскохозяйственным угодьям.
Поэтому изучение этих процессов, протекающих в почвах виноградников, и возможность выпуска экологической чистой продукции в таких условиях представляет определенный интерес.
Почвы на виноградниках имеют свои отличительные особенности в связи с длительностью воздействия монокультуры и постоянным потреблением виноградными растениями элементов минерального питания в строго определенных количествах и соотношениях их между собой. Ампеломонокультура и, как правило, длительная однородность
