Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях адаптивно-ландшафтного земледелия существенно изменяются экологические условия развития агрофитоценозов, характер и направленность взаимоотношений культурного, сорного растительных компонентов и их неотъемлемых обитателей – беспозвоночных животных. Особое значение эти взаимоотношения приобретают в условиях поверхностной зяблевой обработки почвы, либо совсем без таковой (нулевая), с оставлением стерни, когда традиционные методы контроля (вспашка) за растениями сорного сообщества исключаются. Такие агротехнические приемы составляют суть почвозащитного земледелия.
Недостаточные сведения о складывающихся взаимоотношениях сорных растений и их обитателей в почвозащитном земледелии в условиях зернового севооборота, усложняют возможности прогнозирования их вредоносности в посевах и принятия оперативных адекватных мер. Для успешного контроля и регулирования численности сорных растений и беспозвоночных обитателей зернового агрофитоценоза необходимы знания основных закономерностей их развития и распространения при почвозащитных зяблевых обработках почвы на разных уровнях химизации в типичных условиях увлажнения вегетационного периода Приобской лесостепи.
По многочисленным сведениям, засоренность полей на территории лесостепи Западной Сибири при минимизации зяблевой обработки почвы резко возросла. Происходит смена доминирующих видов сорняков, а также целых сообществ (Миркин, 1985; Зейферт, др., 2000).
Составляющей частью любого сообщества сорных растений является беспозвоночное животное население. Вся жизнедеятельность беспозвоночных обитателей тесно связана с растениями. Но помимо экологической зависимости от растительных сообществ, многие беспозвоночные связаны с почвенными процессами, а большинство из них непосредственно участвуют в нем. Процесс гумусонакопления в большей мере является функцией почвенных беспозвоночных.
Работами В.Дунгера (Dunger, 1963), Л.С.Козловской (1976), Б.Р.Стригановой (1980), и другими убедительно показано, что беспозвоночные-сапрофаги способствуют образованию гумуса не только измельчая растительные остатки, но и трансформируя их в своих кишечниках до состояния высокомолекулярных соединений типа гумусовых кислот. При минимизации зяблевых обработок почвы, вместе с трансформацией сорного компонента, как следствие, происходит смена сообщества беспозвоночных и их численности. Поэтому, решая проблему растительных сорных пашенных сообществ в почвозащитном земледелии необходимо знать закономерности взаимоотношений с их характерными обитателями – беспозвоночными животными.
В связи с широким внедрением энергоресурсосберегающих технологий возделывания зерновых культур борьба с сорняками и их беспозвоночными обитателями традиционными средствами экономически нецелесообразна. Одним из важных направлений в повышении эффективности и качества современного земледелия является комплексный подход в регулировании численности сорного и беспозвоночного компонентов агрофитоценоза. Систематический мониторинг биотического фактора агрофитоценоза с гармоничным сочетанием агротехнических, биологических, химических, физических и других методов, позволяет максимально использовать лимитирующие факторы, присущие данной экологической системе. Всё это и предопределяет актуальность данной работы.
Исследования проводились по плану научно-исследовательских работ ГНУ Сибирского НИИ земледелия и химизации сельского хозяйства в соответствии с заданиями министерства науки и образования Российской федерации и СО РАСХН.
Цель работы - разработать научные основы для комплексной фитозоологической оценки устойчивости экологического состояния зернового агрофитоценоза в почвозащитном земледелии Приобской лесостепи Западной Сибири.
Задачи исследований - определить и проанализировать видовой состав сорных видов растений и беспозвоночных животных в системе зернового агрофитоценоза;
- изучить влияние приемов зяблевой обработки почвы и уровней химической нагрузки зернового агрофитоценоза на встречаемость, обилие, распределение беспозвоночных животных, проективное покрытие и жизненное состояние сорных растений;
- выявить пространственно-временное размещение сообществ сорных растений и беспозвоночных животных, установить их ответную реакцию на применяемые почвозащитные приемы зяблевой обработки и уровни химической нагрузки в зависимости от условий увлажнения;
- выяснить закономерности временного и пространственного размещения беспозвоночных животных в сорных сообществах зернопарового агрофитоценоза при минимизации зяблевой обработки почвы и на их основе построить имитационную математическую модель;
Научная новизна. На базе широкой сравнительной экологической характеристики ассоциаций сорных растений, ведущих групп беспозвоночной фауны и почвозащитных зяблевых обработок в сравнении с традиционной вспашкой, обнаружен характер сопряженного изменения биотических и абиотических факторов по мере уменьшения антропогенных нагрузок на почву.
Впервые дана фитозоологическая характеристика зернового агрофитоценоза в лесостепи Приобья. Раскрыты особенности их структурной организации: видовой состав беспозвоночных определяется типом сорного растительного сообщества; зависимость между численностью массовых групп беспозвоночных животных и приемов зяблевой обработки почвы в разных сорных растительных сообществах выражена в разной степени; показано, что характер антропогенного воздействия и типа сорной растительности на численность массовых групп беспозвоночных в агрофитоценозе меняются под воздействием различных гидротермических условий, то есть изменение численности беспозвоночных по градиенту интенсивности антропогенной нагрузки на почву не является определяющим.
Сформулированы методические основы определения экологических критериев сообщества сорных растений и их беспозвоночных обитателей по результатам анализа распределения их популяций в почвозащитной системе при зяблевой обработке. Известный экологический принцип смены местообитаний использован как критерий экологического сравнения и классификации видов.
Построена система экологических агрегаций видов растений и беспозвоночных животных, объединяющих генеалогически неродственные организмы в единые таксоны.
Впервые в качестве основы для экологической характеристики агрофитоценоза использована фитозоологическая зависимость от комплекса абиотических факторов, определяющих ритм функционирования агроэкосистемы в течение нескольких ротаций зернопарового севооборота и вне его при сокращении глубины зяблевой обработки до нуля. Дана оценка с фитозоологических позиций стациальных различий восьми ассоциаций сорных растений и их беспозвоночных обитателей по набору и ритмике их сезонных состояний.
Защищаемые положения: 1. Параметры агрофизического состояния почв в ассоциациях сорных растений и обитающих в них сообществ беспозвоночных в зерновом агрофитоценозе и вне его, в ходе сезонных и многолетних трендов меняются сопряжено, следуя одним и тем экологическим закономерностям.
2. Наиболее отчетливо сопряжение закономерностей смены сообщества сорных растений и их беспозвоночных обитателей проступает при уменьшении механической нагрузки на почву, вплоть до полного отказа от зяблевых обработок в зерновых севооборотах, когда сопоставляется комплекс экологических факторов, оказывающих влияние на видовое разнообразие и плотность живых организмов.
3. Существуют устойчивые сочетания видов сорных растений и беспозвоночных животных, выделенные по характеру предпочитания ими местообитаний в зернопаровом агрофитоценозе и на бессменной пшенице. Время и место их обитания зависят от степени антропогенной нагрузки на почву, формирующей необходимые этим сообществам экологические условия. Такие зависимости составляют суть фитозоологического (экологического) анализа состояния агрофитоценоза и могут использоваться для распознавания кратковременных, преходящих состояний устойчивости агрофитоценозов, их сезонных и многолетних трендов.
Теоретическая и практическая значимость. В работе обосновывается системная методика оценки экологического состояния зернопарового севооборота и бессменной пшеницы. Проанализированы имеющиеся и определены её новые принципы и понятия. Обоснованы и проиллюстрированы возможности фитозоологического метода для сравнения агротехнологических приемов на примере зяблевой обработки почвы в зерновом агрофитоценозе.
В работе нашло дальнейшее развитие перспективное в теоретическом плане эмпирическое геоботаническое обобщение Браун-Бланке (1986) по группировке наиболее сходных по распределению в сообществах видов и сообществ с наиболее сходным видовым составом (Миркин, 1989) и зоологическое «правило смены местообитаний» (Бей-Биенко, 1966; Стебаев, 1974).
Созданная система фитозоологических агрегаций может служить средством экологического мониторинга за состоянием и устойчивостью агрофитоценозов во времени и под влиянием антропогенных воздействий различной степени. Система фитозоологической оценки удобна для экспресс-оценки устойчивости агрофитоценозов в системе севооборота и вне его, а также для индикации агрофизического состояния почвы.
Экспериментальный материал и построенная на их основе имитационная математическая модель представляют сообщество почвенной мезофауны при переходе к почвозащитному земледелию на примере подземногнездящихся пчелиных как гибкую саморегулирующуюся систему.
Экспериментальный материал диссертации положен в обоснование и разработку одного авторского свидетельства на изобретение, девяти патентов, выданных Федеральным институтом промышленной собственности РФ (ФИПС) и восьми рассматриваемых в настоящее время заявок на изобретение, находящихся в стадии экспертизы по существу.
Апробация работы. Материалы диссертации были обсуждены на международных научных и научно-практических конференциях «Агрохимические аспекты повышения продуктивности сельскохозяйственных культур» (Москва, 2002), «Научное обеспечение АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Беларуси и Башкортостана» (Абакан, 2002) «Современные проблемы земледелия и экологии» (Курск, 2002); «Перспективы развития производства продовольственных ресурсов и рынка продуктов питания» (Уфа, 2002); «Обеспечение высокой экономической эффективности и экологической безопасности приемов использования удобрений и других средств химизации в агротехнологиях» (Москва, 2003); «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО», (Уфа 2003), «Пища, экология, качество», (Краснообск, 2003); «Повышение устойчивости и эффективности агропромышленного производства в Сибири: наука, техника, практика» (Кемерово, 2003); «Развитие земледельческой механики растениеводства» (Москва, 2003); «Использование биологических ресурсов в сельскохозяйственном производстве», (Москва, 2004); «Беспозвоночные в зоологических коллекциях зоопарков» (Москва, 2004); «Проблемы рационального использования растительных ресурсов» (Владикавказ, 2004), «Пчеловодство холодного и умеренного климата» (Москва, 2006).
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс для студентов Сибирского университета потребительской кооперации по дисциплине «Земледелие с основами почвоведения и агрохимии», а также послужили материалами для лекций в Калининградском филиале Санкт-Петербургского государственного аграрного университета по предметам «Экология», Теоретические основы прогрессивных технологий», «Концепции современного естествознания» и «Биологической химии».
Публикация результатов исследований. Основные положения диссертации отражены в журналах «Доклады РАСХН», «Вестник РАСХН», «Аграрная наука», «Земледелие», «Сибирский экологический журнал», «Сельскохозяйственная биология», «Сибирский вестник сельскохозяйственной науки».
Всего по теме диссертации опубликовано 65 работ, из них 3 монографии и 15 изобретений.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 12 глав, выводов, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 375 страницы, включая 72 рисунков и 66 таблиц. Список литературы включает 325 наименований, из них 101 – иностранных авторов.
