Содержание к диссертации
Введение
І: Повышение плодородия эродированных почв на основе увеличения видового разнообразия агрофитоценозов (обзор литературы) 12
1.1 Эрозионная деградация почв и ее последствия 12
1.2 Основные методы воспроизводство органического вещества эродированных почв на пашне 15
1.3 Воспроизводство органического вещества эродированных почв на пашне при выращивании смешанных посевов 23
1.4 Стабилизация продуктивности земель овражно-балочных комплексов 31
2 Объект, условия и методика исследований 36
2.1 Характеристика района проведения исследований 36
2.2 Схема опытов и методика проведения исследований 38
2.3 Метеорологические условия в период проведения исследований 52
3 Продуктивность многокомпонентных смешанных посевов и их влияние на плодородие эродированных почв 54
4 Влияние многокомпонентных смесей на плодородие эродированных почв при возделывании в звеньях кормовых севооборотов 68
4.1 Динамика накопления, органического вещества в звеньях кормовых севооборотов с многокомпонентными смесями на черноземе выщелоченном слабосмытом 68
4.2 Питательный режим чернозема выщелоченного слабосмытого в звеньях кормовых севооборотов с многокомпонентными смесями 80
4.3 Изменение агрофизических показателей плодородия чернозема выщелоченного слабосмытого в звеньях кормовых севооборотов с многокомпонентными смесями 90
4.4 Продуктивность звеньев кормовых севооборотов с многокомпонентными смесями на черноземе выщелоченном слабосмытом 103
4.5 Биоэнергетическая и экономическая эффективность звеньев севооборотов с многокомпонентными смесями на черноземе выщелоченном слабосмытом 108
5 Продуктивность различных видов многолетних трав и их травосмесей на черноземе выщелоченном эродированном 112
5.1 Урожайность многолетних трав и их травосмесей на черноземе выщелоченном слабосмытом 114
5.2 Ботанический состав травостоев при возделывании многолетних трав и их смесей на черноземе выщелоченном слабосмытом 118
5.3 Биологическая продуктивность многолетних трав и их смесей на черноземе выщелоченном слабосмытом 122
5.4 Эффективность возделывания многолетних трав и их травосмесей на черноземе выщелоченном слабосмытом 128
6 Влияние почвенно-экологических условий возделывания различных видов многолетних бобовых трав на плодородие чернозема карбонатного эродированного 133
6.1 Динамика роста и развития различных видов бобовых трав в чистых и смешанных посевах на черноземе карбонатном слабосмытом 135
6.2 Изменение плодородия чернозема карбонатного слабосмытого при возделывании различных видов бобовых трав в чистых и смешанных посевах 140
6.3 Взаимодействие корневых систем и почвы в ризосфере и вне влияния корней у различных видов бобовых трав на черноземе карбонатном слабосмытом 145
6.4 Продуктивность бобовых трав и их травосмесей со злаками на черноземе карбонатном слабосмытом 150
7 Видовое разнообразие и продуктивность естественной растительности овражно-балочных комплексов ЦЧР и их влияние на плодородие эродированных почв 158
7.1 Лугово-степные и ковыльно-разнотравные сообщества 161
7.2 Кальцефильные сообщества 176
7.3 Влияние видового разнообразия естественных сообществ на плодородие почв на склонах 181
7.4 Некоторые аспекты почвообразования на меловых обнажениях под кальцефильными сообществами 186
7.5 Повышение плодородия сильно эродированных карбонатных почв и меловых обнажений биологическими методами 199
Выводы 214
Предложения производству 219
Список литературы 220
Приложение 271
- Основные методы воспроизводство органического вещества эродированных почв на пашне
- Продуктивность многокомпонентных смешанных посевов и их влияние на плодородие эродированных почв
- Биологическая продуктивность многолетних трав и их смесей на черноземе выщелоченном слабосмытом
- Повышение плодородия сильно эродированных карбонатных почв и меловых обнажений биологическими методами
Введение к работе
Актуальность темы. Для лесостепной зоны Русской равнины особое значение имеет эрозионная деградация почвенного покрова, где под влиянием антропогенного фактора интенсивно развивается водная эрозия. В ЦЧР площадь смытых земель превышает 3 млн. га и по прогнозам может увеличиться в два раза за счет эрозионно-опасных почв (Ахтырцев, 2000).
Проблема стабилизации плодородия почв на склонах лежит в двух основных плоскостях: прекращении механического отчуждения плодородного слоя почвы в результате эрозии и максимально-возможного увеличения поступления в почву свежего органического вещества (Иванов, 2003; Котлярова, 2006).
В условиях эрозионных ландшафтов одними из важнейших источников пополнения почв органическим веществом, наряду с дифференцированным использованием севооборотов, внесением навоза, биоконвесией, многолетними травами, могут быть сидераты и смешанные посевы однолетних культур (Котлярова, 2006).
Важнейшее значение имеет видовое разнообразие, позволяющее поддерживать высокую продуктивность агроландшафтов, их устойчивость и почвозащитный потенциал (Биоразнообразие сельскохозяйственных земель России…, 2003). В связи с этим, актуальна проблема поддержания высокой продуктивности агроландшафтов, повышения плодородия почв как их важнейшей составной части на основе стратегии формирования агроэкосистем с высоким видовым разнообразием.
Цель работы - разработка способов и приемов повышения плодородия эродированных почв при дифференцированном использовании многовидовых посевов в севооборотах, поддержании продуктивности и видового разнообразия естественной растительности в пределах овражно-балочных комплексов при освоении адаптивно-ландшафтных систем земледелия.
В задачи исследований входило:
- изучить влияние многокомпонентных смесей однолетних культур на основные элементы плодородия чернозема эродированного;
- изучить накопление органических остатков в почве под различными многокомпонентными смесями однолетних культур, оценить их качество, возможность использования различных промежуточных культур на сидерат;
- выявить влияние различных звеньев кормовых севооборотов с многокомпонентными смесями в сравнении с многолетними травами и кукурузой на силос на гумусное состояние, агрохимические и агрофизические свойства, биологическую активность чернозема эродированного, динамику поступления в почву свежего органического вещества, оценить их продуктивность и биоэнергетическую эффективность;
- определить продуктивность надземной, подземной массы, биоэнергетическую эффективность и питательную ценность различных видов многолетних трав при возделывании в чистых и смешанных посевах на черноземе эродированном;
- изучить влияние различных видов бобовых трав и их травосмесей со злаками на гумусное состояние, агрофизические, агрохимические свойства чернозема карбонатного эродированного, оценить их продуктивность и биоэнергетическую эффективность возделывания; изучить устойчивость бобовых трав в злаково-бобовых травосмесях на карбонатных почвах;
- разработать приемы создания устойчивых растительных группировок в условиях овражно-балочных комплексов с обнажениями карбонатных пород и повышения их продуктивности на основе использования многокомпонентных травосмесей с участием дикорастущих кальцефильных видов растений.
Научная новизна работы. Впервые в условиях Центрально-Черноземного региона получены принципиально новые представления о влиянии многовидовых посевов на продуктивность эродированных почв в ландшафтных системах земледелия, доказана эффективность использования однолетних многокомпонентных смесей в целях повышения плодородия смытых почв. Разработаны составы многокомпонентных смесей, обеспечивающие получение стабильной урожайности и повышение плодородия эродированных почв. Доказано, что использование многокомпонентных однолетних смесей может обеспечить стабилизацию гумусного состояния почв на склонах, способствовать улучшению их фосфатного и калийного режимов в условиях недостатка минеральных удобрений.
Дано теоретическое обоснование и проведена оценка звеньев кормовых севооборотов с многокомпонентными смесями однолетних культур и проведена оценка их влияния на плодородие чернозема эродированного.
В условиях Центрально-Черноземного региона проведен подбор высокоурожайных злаковых и бобовых трав и травосмесей для залужения эродированных склоновых земель, обоснованны и усовершенствованы составы травосмесей. Показано влияние различных видов многолетних бобовых трав, возделываемых в чистом виде и в составе бобово-злаковых травосмесей, на гумусное состояние, агрофизические и агрохимические свойства чернозема карбонатного эродированного. Выявлены и теоретически обоснованы отдельные механизмы конкурентоспособности различных видов бобовых трав в травосмесях со злаками на черноземе карбонатном.
Установлено, что в ЦЧР многообразие ландшафтов и локальных условий произрастания приводит к формированию большого видового разнообразия естественной растительности с различной экологической и хозяйственной ценностью. Реализован комплексный, экологически обоснованный подход к сохранению видового разнообразия агроландшафтов и продуктивности почв овражно-балочных комплексов на примере степных, лугово-степных и кальцефильных растительных сообществ. Предложены приемы создания устойчивых растительных сообществ на сильноэродированных почвах и повышения их плодородия посевом многокомпонентных травосмесей с участием дикорастущих кальцефильных видов растений.
Практическая значимость работы. Разработаны и предложены производству составы многокомпонентных смесей однолетних культур, обеспечивающих поступление свежего органического вещества в почву, позволяющего стабилизировать ее гумусное состояние, улучшить агрофизические, агрохимические и биологические показатели плодородия чернозема эродированного, повысить продуктивность звена кормового севооборота на склоновых землях.
Рекомендованы производству травосмеси многолетних трав, обеспечивающие на черноземе эродированном без применения удобрений в среднем за четыре года получение с гектара 5,4-5,7 т/га абсолютно сухого вещества и 4,3-5,6 т/га кормовых единиц. Дана оценка устойчивости различных бобовых трав в чистых и смешанных посевах на черноземе карбонатном эродированном.
Установлено влияние видового разнообразия естественных растительных сообществ на процессы почвообразования в условиях овражно-балочных комплексов и продуктивность агрофитоценозов. Предложен прием биологической рекультивации сильноэродированных почв и обнажений карбонатных пород посевом многокомпонентной травосмеси с участием дикорастущих кальцефильных видов растений на основе увеличения видового разнообразия растительности, позволяющий повысить их плодородие, продуктивность агрофитоценозов и устойчивость агроландшафтов.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе БелГСХА при чтении дисциплин «Ландшафтное земледелие» и «Системы земледелия».
Положения, выносимые на защиту:
- на склоновых землях Центрально-Черноземного региона для повышения продуктивности эродированных почв наряду с многолетними травами могут быть использованы однолетние многокомпонентные смеси, подобранные на основе принципа дифференциации экологических ниш;
- для стабилизации гумусового состояния, расширенного воспроизводства органического вещества, улучшения агрофизических, агрохимических свойств черноземов эродированных и повышения продуктивности пашни на склоновых землях можно эффективно использовать звенья кормовых севооборотов с однолетними многокомпонентными смесями, которые гарантируют высокую продуктивность последующих культур и звена севооборота в целом;
- применение промежуточных культур на сидерат в звеньях кормовых севооборотов способствует стабилизации почвенного плодородия черноземов эродированных и повышению в них содержания гумуса;
- многокомпонентные смеси многолетних трав на склоновых землях обеспечивают большее поступление свежего органического вещества в почву по сравнению с чистыми посевами и с двух- четырехкомпонентными смесями, обеспечивая больший фитомелиоративный эффект и повышение биологической активности пахотного слоя чернозема выщелоченного эродированного;
- при создании травостоев длительных сроков использования на черноземах карбонатных эродированных чистые посевы эспарцета песчаного, лядвенца рогатого и злаково-бобовые травосмеси на их основе обеспечивают наибольшую продуктивность пашни и стабильность производства продукции в сравнении с другими бобовыми травами;
- в территориальной структуре агроландшафтов естественные сообщества, наряду с кормовой ценностью, играют важнейшую роль в поддержании видового разнообразия экологически сбалансированных и устойчивых агроландшафтных систем;
- посев многокомпонентных травосмесей с участием дикорастущих эндемичных кальцефильных видов растений на землях овражно-балочных комплексов ЦЧР, позволяет создавать продуктивные растительные группировки, повышать плодородие сильноэродированных почв, обнажений карбонатных пород и устойчивость агроландшафтных систем.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на научно-практических конференциях БелГСХА (Белгород, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2008), «Повышение эффективности агропромышленного производства в условиях современных форм хозяйствования» (Воронеж, 1995); «Напрямки пiдвищення продуктивностi та якостi сiльськогосподарської продукцiї» (Сумы, 1995); «Земельные ресурсы Украины: рекультивация, рациональное использование и охрана» (Днепропетровск, 1996); «Грунти України: екологiя, еволюцiя, систематика, окультурення, оцiнка, монiторiнг, географiя, використання» (Харьков, 1996); «Стабилизация развития АПК Центрального Черноземья на основе рационального использования природно-ресурсного потенциала» (Воронеж, 1996); «Актуальные вопросы землеустройства, землепользования и земельного кадастра» (Москва,1996); «Обеспечение стабилизации АПК в условиях рыночных форм хозяйствования» (Воронеж, 1997); «Флора и растительность Средней полосы России» (Орел, 1997); «География и окружающая среда» (Белгород, 2002); «Актуальные проблемы ботаники и экологии» (Одесса, 2003); «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2008); на заседаниях кафедры земледелия Белгородской ГСХА (1993 – 2000 гг.); на заседаниях Ученого совета агрономического факультета БелГСХА (1993 - 2000 гг.); на заседаниях Ученого совета природного парка «Нежеголь» БелГУ (2007, 2008).
Исследования поддерживались грантом научной программы «Федерально-региональная политика в науке и образовании»: «Генетические ресурсы многолетней растительности мелового юга Среднерусской возвышенности их сохранение и использование в селекции» 2003 г. и грантом РФФИ №09-04-97554: «Разработка системного подхода к оценке состояния агроэкосистем нового типа», 2009 г.
Публикации результатов исследований
Результаты исследований опубликованы в 35 работах, в том числе 11 в журналах, рекомендованных ВАК и одной коллективной монографии.
Структура и объем диссертации.
Основные методы воспроизводство органического вещества эродированных почв на пашне
С.С. Шварцем (1974) обоснован главный экологический принцип в условиях неизбежного прогрессирующего антропогенного изменения природной среды. Он заключается в том, что биоценозы в индустриальном мире не могут быть сохранены в естественном состоянии (за исключением особо-охраняемых территорий - природных, национальных парков, заповедников; заказников и др.), но объективных причин для их обязательного ухудшения и утраты биосферных функций нет. При этом целенаправленная оптимизация биоценозов должна опираться на следующие принципы:
- необходимо стремиться к наибольшей продуктивности и стабильности-любой экосистемы как основе ее устойчивости, способности к адаптации ее структуры к внешним воздействиям;
- высокую стабильность экосистем обеспечивают сложность их структуры в целом и разнообразие отдельных трофических уровней;
- условия быстрого биологического самоочищения экосистемы — высокая скорость обмена веществом и энергией, вовлечение в биологический круговорот как можно большего количества продуцируемой биомассы.
Таким образом, особую важность приобретает проблема повышения продуктивности земель как основного принципа устойчивости агроэкосистем. В регулировании процесса почвообразования первая роль отводится растительности и системе почва-растение. Экологические свойства почв неотделимы от растительного покрова (Вильяме, 1930, 1951; Семенова-Тян-шанская, 1951; Ковда и др., 1974; Кефели, Калевич и др., 1995).
Литература о влиянии растительности на плодородие эродированных почв, ее продуктивности на смытых почвах и поступления пожнивно-корневых остатков обширна. Имеется большое число монографий, содержащих обобщения по этому вопросу. Все авторы отмечали, что подбор культур для возделывания на склонах должен осуществляться с обязательным учетом их почвозащитной способности и способности восстанавливать плодородие смытых почв (Докучаев, 1936; Соболев, 1948; Маккавеев, 1955; Беннет, 1958; Конке и др., 1962; Заславский, 1966, 1979; Сильвестров, 1972; Гудзон, 1974; Здоровцов, 1976; Трегубов и др., 1980; Орлов, 1983; Каштанов и др., 1984, 1994; Сельскохозяйственные экосистемы, 1987; Котлярова, 1990,1995; Черкасов, 2004; Baver, 1956 и др.).
Почвозащитная способность культур зависит в первую очередь от состояния развития надземной и подземной массы в период наибольшей эрозионной активности (Каштанов, Заславский, 1984; Заславский, 1979, 1981; Wischmeir, 1960; Elwell et al., 1976; Menard, 1988). Существует несколько основных источников пополнения органического вещества в пахотных почвах: пожнивно-корневые остатки сельскохозяйственных культур, органические удобрения (навоз, компост, птичий- помет), сидера-ты и посевы многолетних трав.
Пожнивно-корневые остатки. Накопление пожнивно-корневых остатков и поступление с ними в почву лабильного органического вещества, является одним из основных факторов гумусообразования, особенно важным в условиях смытых почв (Титлянова и др., 1982; Базилевич и др., 1986; Чупрова, 2005; Семенов, Хаджаева, 2006).
Количество поступающего в почву лабильного органического вещества определяется в первую очередь биологическими особенностями возделываемых культур количеством и качеством поступающих в почву растительных остатков, органических удобрений других источников гумусообразования. Чем больше (по массе) поступает в почву послеуборочных остатков, тем больше будет образовываться подвижных гумусовых веществ (Когут, 1998; Дедов и др., 2001, Семенов, Иванникова и др., 2004).
В числе основных причин современной деградации черноземов на пашне необходимо назвать сильное снижение количества корней и вообще растительных остатков, поступающих в почву, при замене целинного сообщества агрофитоценозами, усиление аэрации почвы и связанная с ней интенсификация деятельности микроорганизмов (Добровольский, 1989; Добровольский, Никитин, 1990; 2000; Кирюхина, Пацукевич, 2004)
Почвообразовательная способность всех растительных сообществ и агро-фитоценозов в частности проявляется главным образом в обеспечении поступления в почву растительных остатков. Это явление выделяется как элементарный почвообразовательный процесс исходный для всех остальных процессов (Элементарные почвообразовательные процессы..., 1992).
Закономерности накопления и разложения органического вещества почвы, поступление в нее пожнивно-корневых остатков различных культур, пути устранения отрицательного баланса гумуса, широко изучались в литературе (Ко нонова, 1951; Забелина, 1956; Короленко, 1965; Буланов, 1967; Доманский, 1974; Скачков,и др.,. 1975; Заславский, 1979; 1981; Барсуков, 1983; Каштанов и др., 1984; 1985; 1994; Титлянова и др., 1984; 1994; Лыков, 1982; Швиндлерман, 1986; Станков, 1990; Котлярова, 1990, 1995; Тейт, 1991).
Органическое вещество, возвращаемое в почву, неразрывно связано с характером растительности и величиной урожая. Содержание азота, фосфора, легкоразлагаемых растительных остатков зависит главным образом от видового состава растений, а содержание кальция, оснований и подвижность фосфатов является результатом взаимодействий в системе растительность — среда (Дюшофур, 1970; Славина, 1971; Демин и др., 1981; Бабьева, 1983; Барсуков, 1983; Кольцова и др., 1994; Подсвирова, 1995).
Поступление в почву свежего органического вещества сопровождается усилением микробиологической деятельности, которая приводит к его минерализации. Наличие в почве разлагающихся растительных остатков является главным фактором, определяющим численность микроорганизмов (Кононова, 1951; Буяновский, 1971; Аристовская, 1980; Гордиенко и др., 1992; Козлов, 1994).
Трансформация растительных остатков - неотъемлемая часть их эффективности. Скорость минерализации зависит от возраста растений, толщины корней, содержания в них азота и углерода (Ильюшина, 1978; Костов, 1990), типа почвы (Сдобников, 1982), количества влаги в почве, температуры (Domaar, 1990).
Молодые и богатые азотом растительные остатки минерализуются быстрее, чем старые и бедные азотом. При этом разложению подвергается в первую очередь более доступный для микроорганизмов материал (Кононова, 1951; Костов, 1990), в результате в почве создается большое количество продуктов метаболизма, принимающих участие в новообразовании гумусовых веществ (Славина, 1971; Александрова, 1972; Domaar, 1990).
Навоз. Наиболее ценным мелиорантом, оказывающим положительное влияние на плодородие почв, считается навоз. Вцелом основные вопросы его применения решены. Имеется ряд классических работ по применению этого удобрения (Стебут, 1957). Особого внимания заслуживают работы С.С. Єдоб-никова (1982, 1989, 1994), в которых разработаны теоретические вопросы и практические меры для более эффективного применения навоза.
Основная трудность использования навоза в качестве источника элементов питания заключается в необходимости хранения больших количеств этого удобрения в результате которого возможны потери до половины азота, перемещение его на расстояния более 4,5 км снижает эффективность (Пиментел, 1987).
В связи с этим, для повышения плодородия эродированных почв необходим поиск альтернативных навозу источников поступления в них органического вещества.
Сидерация. Повышение содержания гумуса в эродированных почвах могут быть проведены только на основе разработки эффективных приемов пополнения их свежим органическим веществом при одновременном повышении их продуктивности. В связи с этим, существенный импульс к стабилизации гумусного состояния эродированных черноземов, повышению их биологической активности могут дать приемы сидерации, увеличения разнообразия поступающего в почву органического вещества, использование поукосных и подсевных культур, смешанных посевов, а так же разработка эффективных приемов их использования в севооборотах (Котлярова и др., 2004).
При недостатке навоза как источника поступления органики в почву и дороговизны его внесения на расстоянии более 4,5 км от источника получения внесение зеленого удобрения может решить проблему стабилизации содержания гумуса в почве, пополнения его доступными формами минеральных веществ, повышения продуктивности культур севооборотов (Прянишников, 1952; Алексеев, 1959; Лошаков, 1980; Лыков, 1982; Кант, 1982, 1988; Нарциссов, 1982; Довбан, 1990; Зезюков, 1993; Черкасов, Бобенко, 2001).
Вцелом вопросы использования сидератов хорошо изучены для зон с устойчивым увлажнением. Наиболее широко используются сидераты в биологи ческих-системах земледелия-(Прижуков, Ямчук, 1984; Благовещенская, 1989; Ван Мансфельт, 1990; Гайер, 1990; Кильбида, 1994; Ван Мансфельт, Мюлдер, 1994; Практическое сельское хозяйство, 1994; Lockeretz et al., 1981; Bonny, 1984; Gacek, 1984; Messe, 1989; Andersson., Wivstad, 1986).
Продуктивность многокомпонентных смешанных посевов и их влияние на плодородие эродированных почв
ВІ последнее время обсуждается, вопрос о широком использовании? смешанных посевов, изучения их агробиологического потенциала главным образом в связи с необходимостью снижения процессов деградации почв, повышения их плодородия, снижения потерь гумуса.
Большой интерес с точки зрения повышения плодородия эродированных почв и увеличения их продуктивности представляют многокомпонентные смеси однолетних культур. В правильно подобранных многокомпонентных смесях каждое растение занимает свою экологическую нишу, как в надземном пространстве, так и в почвенном профиле, что позволяет им более рационально использовать питательные элементы и влагу. Более стабильная урожайность многокомпонентных смесей способствует равномерному поступлению органического вещества в виде пожнивно-корневых остатков, что чрезвычайно важно для восстановления плодородия смытых почв (Котлярова, Чернявских, 1996; Котлярова 2006а, 2006b).
Исследованиями многокомпонентных смесей однолетних культур, проведенными нами на эродированном черноземе выщелоченном выявлено, что они могут быть эффективными в целях повышения плодородия эродированных земель (Котлярова, Чернявских, Бородина, 1996; Котлярова,,Чернявских, Зиновьев, 1999; Чернявских, Зиновьев, 2009).
Максимальным почвозащитным влиянием обладают посевы: многолетних трав, а минимальным - посевы пропашных культур (Чернявских, 1995; Котлярова, Чернявских, 1996;. Чернявских, 1996).
Однако, в современных экономических условиях не всегда1 возможно отводить земли по посевы трав на несколько лет, а насыщенность пропашными культурами, особенно в интенсивных хозяйствах, очень большая. Одной из задач наших исследований был поиск культур, не занимающих поле в течение нескольких лет, но приближающихся» к многолетним травам по своему фито-мелиоративному влиянию (Чернявских, 1996).
В связи с этим, на основе принципов функционирования естественных растительных сообществ нами принята гипотеза, в дальнейшем проверенная в серии полевых опытов, что высоким почвозащитным потенциалом на эродированных почвах могут обладать многокомпонентные однолетние смеси.
Накопление пожнивно-корневых остатков. Исследования размещения корневой системы по слоям в черноземе выщелоченном слабосмытом под многокомпонентными смесями, проведенные в 1993-1995 гг. и подтвержденные исследованиями на черноземе выщелоченном среднесмытом в 1998-2000 гг. показали, что в слое 0-40 см они накапливают почти в два раза больше корней, чем вико-овсяная смесь и кукуруза на силос (Чернявских, 1996; Зиновьев, 2002; Чернявских, Зиновьев, 2009).
Увеличение многообразия видов в посеве приводило к образованию большего количества пожнивно-корневых остатков, более равномерно распределенных в почве по слоям.
Все изучаемые многокомпонентные смеси накапливали корневых остатков, основных элементов питания, возвращаемых в почву с ними, больше по сравнению с принятой за контроль кукурузой на силос, хотя и уступали по этим показателям многолетним травам первого года жизни. Кроме того, они обеспечивали более узкое соотношение отчуждаемой и поступающей в почву с корнями органической массы (2,0-2,53) по сравнению с кукурузой (3,22) (Чернявских, 1996).
При изучении многокомпонентных смесей с различным составом в 1998-2000 гг. тенденции, отмеченные нами в предыдущих опытах, сохранились. Многокомпонентные смеси достоверно превышали по накоплению абсолютно-сухого вещества пожнивно-корневых остатков в слое 0-40 см вико-овсяную смесь, принятую за контроль на 1,64-1,81 т/га (таблица 3.1).
Варьирование накопления пожнивно-корневых остатков по годам было более выражено под многокомпонентными смесями (V = 8,2-15,7 %) по срав нению, с вико-овсяной смесью (V=4,4 %). В засушливые годы, в« частности В 1998 г, многокомпонентные смеси увеличивали количество пожнивно-корневых остатков по отношению к вико-овсу на 1,45-1,77 т/га.
Увеличение массы пожнивно-корневых остатков под многокомпонентными смесями позволило накапливать в пахотном слое на 14-16 кг азота, 3-4 кг фосфора, 18-20 кг калия и 6-7 кг кальция больше, по сравнению с вико-овсяной смесью.
В целом по всем проведенным исследованиям установлена тенденция при увеличении числа компонентов в смеси повышения относительного содержания живых корней в более глубоких горизонтах почвы. Это подтверждено положительной корреляцией между накоплением корней в слое 0-40 сми числом видов в смеси (г=0,678).
Физические свойства почвы. Физическое состояние - важнейший показатель плодородия пахотных почв и эродированных почв склонов в особенности. Работы с различными подходами к изучению физического состояния почв свя заны с исследованиями«Н.А Качинского (1965); И.У. Бахтина (1971), В.В Медведева (1988) и др.
Важнейшее значение в, улучшении физических свойств сельскохозяйственных почв имеет выращиваемая культура. Она может оказывать прямое влияние - адгезия частиц почвы на корнях, физическое разъединение слитых частиц и косвенное влияние - стимуляция почвенной и ризосферной микрофлоры (Саввинов, 1936; Антипов-Каратаев и др., 1948; Медведев, 1994; Gupta etal, 1988).
С целью выявления влияния многокомпонентных смесей на физические свойства почвы изучали плотность почвы, агрегатный состав и водопрочность структуры под различными смесями, многолетними травами и кукурузой на силос.
Более существенные отличия наблюдались в слое 0-20 см. К уборке основных культур математически доказанное снижение плотности по сравнению с контролем (кукуруза на силос) отмечено под многокомпонентной смесью, включающей вику яровую, вику озимую, подсолнечник, овес, и гречиху. Плотность почвы под этой культурой составила 1,15 г/см3, против 1,20 г/см3 под кукурузой. Общей тенденцией явилось незначительное увеличение плот-ности (на 0,02-0,05 г/см ) к уборке по сравнению с плотностью на момент посева. Изучение плотности по слоям 0-10, 10-20, 20-30 и 30-40 см показало, что для всех культур общей тенденцией является уплотнение слоя 10-20 см (до 1,22-1,32 г/см ), особенно заметное под кукурузой (Чернявских, 1996).
Дальнейшими исследованиями не установлено значительной разности по плотности почвы под принятой за контроль вико-овсяной смесью и многокомпонентными смесями (таблица 3.2).
К одному из важнейших показателей агрофизических характеристик почвенного профиля относится структурно-агрегатный состав. Именно структура наиболее сильно влияет на такие параметры как движение воды по профилю почвы, передача тепла, аэрация, плотность почвы, ее порозность и в конечном итоге — плодородие.
Биологическая продуктивность многолетних трав и их смесей на черноземе выщелоченном слабосмытом
Биологическая продуктивность представляет собой сложное понятие, включающее совокупность количественных характеристик запасов живой фи- -томассы (надземной и подземной) и запасов мортмассы (то есть, растительных остатков) (Утехин, 1976; Титлянова, 1977, 1988; Биологическая продуктивность травянистых..., 1988; Титлянова и др., 1991; Базилевич, 1994).
Сложные биогеоценозы по накоплению подземной и надземной массы оказываются продуктивнее простых и обладают большей стабильностью вследствие более экономичного расхода энергии, каскад которой проходит много ступеней. В результате удлинения энергетического потока происходит более полное его использование (Ковда и др., 1974).
Именно биологическая продуктивность определяет динамику поступления свежего органического вещества в почву и в конечном итоге - направление почвообразовательного, процесса, что наиболее важно для черноземов эродированных на склонах.
Фитомасса одновидоеых посевов трав. В среднем за четыре года исследований бобовые травы различались большими различиями по накоплению общей фитомассы по сравнению со злаковыми. Колебания запасов суммарного абсолютно сухого вещества фитомассы в подземной и надземной части составляли от 2,45 т/га у клевера горного до 10,96 т/га у лядвенца рогатого. Общая биомасса злаковых трав колебалась от 4,67 т/га у райграса пастбищного до 8,96 т/га у овсяницы тростниковидной (таблица 5.5).
По литературным данным наибольший прирост корней наблюдается в первый и второй годы жизни трав, а в дальнейшем темпы корнеобразования снижаются (Меркушева, 1997).
Наши исследования показали, что в среднем по всем вариантам опыта на слабо эродированном черноземе 75-80 % корневой массы у бобовых и 65-75 % у злаковых трав накапливается в первые два года жизни.
В абсолютном значении злаковые травы в среднем за четыре года исследований накапливали в подземной сфере 2,76-5,33 т/га абсолютно сухого вещества, а бобовые 1,27-6,64 т/га.
Изучение накопления корневой массы у различных видов трав показало, что наибольшей продуктивностью абсолютно сухого вещества подземной массы среди бобовых трав обладал лядвенец рогатый (6,64 т/га).
Несколько уступал ему по этому показателю эспарцет песчаный (5,17 т/га). Минимальное количество корней образовывали травостои клевера горного (1,27 т/га), что связано с медленным развитием этого вида. Люцерна изменчивая, клевер гибридный, клевер луговой, астрагал нутовый образовывали в почве соответственно 3,64, 3,97, 3,44 и 3,87 т/га абсолютно сухого вещества корней.
У злаковых трав наибольшее количество корней отмечено у овсяницы тро-стниковидной (5,33 т/га) и ежи сборной (4,05т/га). Остальные виды в среднем за четыре года исследований накапливали в подземной сфере 2,76-3,80 т/га абсолютно сухого вещества. В среднем за период исследований по всем вариантам опыта злаковые травы отличались большим соотношением подземной и надземной массы по сравнению с бобовыми. Среди изучаемых злаковых культур корневищные злаки имели более узкое соотношение подземной и надземной массы по сравнению с рыхлокустовыми культурами (соответственно, кострец безостый 1,14, пырей сизый 1,21). Рыхлокустовые злаки имели соотношение 1,44-1,49.
У бобовых трав соотношение подземной и надземной массы находилось в пределах 1,08-1,53. Наибольшее соотношение и, следовательно, способность накапливать биомассу в подземной сфере установлено у лядвенца рогатого (1,53), что в 1,4 раза больше чем у люцерны изменчивой, принятой за контроль.
Травосмеси. Основные элементы биопродуктивности травосмесей с различным количеством компонентов отличались как от одновидовых посевов, так и друг от друга. Как общие запасы фитомассы, так и запасы органического вещества в подземной сфере были больше у травосмесей по сравнению с однови-довыми посевами соответственно на 0,8-7,16 т/га и 0,6-7,28 т/га. Исключение составляла только травосмесь, имеющая состав: клевер луговой + ежа сборная + кострец безостый. Она уступала чистому посеву лядвенца рогатого по запасам общей фитомассы на 1,35 т/га, а подземной массы на 0,77 т/га (таблица 5.6.).
В среднем за четыре года исследований максимальная фитомасса накапливалась в посевах двухкомпонентных смесей на основе донника белого и эспарцета песчаного с пыреем сизым, соответственно у травосмеси донник белый + пырей сизый - 13,31 т/га, а у травосмеси эспарцет + пырей сизый - 13,34 т/га. Эти же травосмеси отличались наибольшей надземной продуктивностью, соответственно 5,70 и 5,42 т/га абсолютно-сухого вещества.
Однако данные по запасам общей фитомассы не отражают тех изменений, которые происходят в накоплении и соотношении подземной и надземной массы, в зависимости от состава травосмесей.
Концентрация корней в слое почвы 0-20 см, зависела от количества компонентов и была максимальной у пятикомпонентных травосмесей имеющих состав: эспарцет песчаный +клевер розовый + люцерна изменчивая +пырей сизый + райграс высокий и люцерна изменчивая + клевер луговой + клевер розовый + овсяница луговая + тимофеевка луговая, соответственно 8,19 и 8,55 т/га.
Минимальное количество корней накапливалось у травосмеси, имеющей состав: клевер луговой + ежа сборная + кострец безостый (5,87 т/га).
Общая закономерность проявлялась в том, что с увеличением числа компонентов в смесях наблюдалась тенденция повышения соотношения подземной и надземной массы в слое 0-20 см от 1,33-1,46 в вариантах двухкомпо-нентных смесей, до 1,75-2,03 - пятикомпонентных.
В связи с этим, важной проблемой остается разработка принципов управления сложными агрофитоценозами, к которым можно отнести травосмеси.
Анализ связей между числом компонентов и основными элементами продуктивности на основе четырехлетних данных изучения 36 вариантов чистых и смешанных посевов (до двенадцати компонентов) многолетних трав на склонах показал, что они могут быть аппроксимированы полиномом второй степени.
Как видно из рисунка 5.2 величина надземной фитомассы наиболее динамична при использовании двухкомпонентных смесей и сильно зависит от видового состава трав, включенных в травосмесь.
Далее она стабилизируется при использовании трех- четырехкомпонент-ных смесей и снижается при дальнейшем увеличении количества компонентов в травосмесях. Причем разброс величины надземной продуктивности сокращается.
Вместе с тем модель показывает рост общей биопродуктивности, подземной фитомассы и особенно соотношения подземной и надземной массы по мере увеличения числа компонентов в смеси. В последнем случае зависимость становится практически прямой.
Это объясняется тем, что в многокомпонентных смесях, благодаря большому разнообразию видов, в подземной сфере происходит более эффективное освоение экологических ниш, что приводит к принципиальным различиям в размещении корневой массы в пространстве.
Распределение подземных органов по глубине в многокомпонентных смесях характеризуется более равномерной насыщенностью ими почвы по сравнению с 2-3 компонентными смесями и одновидовыми посевами.
Повышение плодородия сильно эродированных карбонатных почв и меловых обнажений биологическими методами
Специфика почвообразования в условиях обнажений карбонатных пород кардинально отличается от его развития в зональных почвах. Мел в чистом виде или в сочетании со слабовыраженным почвенным горизонтом, выступает как экстремальная среда для роста и развития по сравнению с окружающими зональными почвами. Он характеризуется высоким альбедо, низкой теплопроводностью и теплоемкостью, небольшим содержанием элементов питания в доступных формах, высокой щебнистостью, низкой водопроницаемостью (Перель-ман, 1979; Горышина, 1979; Михно, 1992).
Ранее проведенные исследования показали, что особенностью флоры меловых обнажений, и особенно ее реликтовых элементов является то, что они могут вторично расширять свои ареалы при антропогенной реконструкции условий, близких к «утраченным». К представителям такой флоры относятся, например, иссоп меловой {Hyssopus cretaceous), лунария меловая (Linaria cretacea), левкой душистый (Matthiola fragrans Bunge.). При этом они могут быстро распространяться даже по антропогенным обнажениям скального мела и обладают высокой жизнеспособностью на подвижном субстрате (Козо-Полянский, 1914, 1927; Голицын, 1956; Рамзаев, 1956; 1957; Мильков, 1959; Доронин, 1973; Хмелев, 1979; Присный, 2003).
Вышеназванная способность кальцефилов делает их интересным объектом изучения как средства для биологической реставрации растительных сообществ на меловых обнажениях, особенно на участках с интенсивным развитием эрозионных процессов, что позволит сформировать здесь устойчивые многолетние растительные сообщества, повысить плодородие почв, значительно сократить вынос субстрата в гидрографическую сеть и разрушение агроландшафтов в целом.
В ботаническом саду Белгородского государственного университета нами, в 2002-2008 гг. проводились исследования по восстановлению растительных сообществ на меловых обнажениях и повышению их продуктивности путем посева многокомпонентных смесей с участием дикорастущих степных и кальцефильных видов растений. Одновременно изучалось влияние восстановленных растительных группировок на плодородие обнажений мела и сильно эродированных почв.
В 2002 году на шести участках с сильно эродированными почвами и меловыми обнажениями на площадках, расположенных в различных ландшафтных условиях (экспозиция склона, почвенная- разность, уклон) был проведен посев многокомпонентной смеси, состоящей из 30 видов трав, в том числе дикорастущих степных и кальцефильных видов растений. Основной целью послужил подбор травосмесей для формирования фитоценозов, способных активно заселять участки с меловыми обнажениями, обладающих высокой противоэрозионной стойкостью и способностью закреплять сильно эродированные почвы на карбонатных породах. При подборе видов растений для травосмеси учитывалась в первую очередь, устойчивость к неблагоприятным условиям роста; развития, водопотребления и минерального питания на карбонатных субстратах.
Основным принципом подбора видов для травосмеси была способность к дифференциации ими экологических ниш. Высевались виды растений, отобранных в модельных сообществах, с разным типом распределения органов в почве и над поверхностью земли, с разной потребностью в элементах минерального питания и в свете, с различной способностью усвоения труднодоступных форм почвенной влаги, фосфора и калия, с разной ритмикой сезонного развития. Кроме всего прочего, одной из задач была оценка доминантов, обладающих высокой средообразующей способностью, высокой продуктивностью и устойчивостью в условиях токсичного субстрата на обнажениях карбонатных пород.
Главное отличие агротехники видов природной флоры от культурных растений заключается в сроках посева. Семена многих видов дикорастущих растений для прорастания нуждаются в промораживании, в перепадах низких и высоких температур. В Средней полосе России семена большинства видов природной флоры рекомендуется сеять под зиму, в октябре (Иванов и др., 1969).
В связи с этим мы применяли осенний посев. Исследованиями, проведенными нами ранее, установлено, что способ посева (поверхностный или заделка в почву на глубину 2 см) не оказывает существенного влияния на всхожесть травосмесей семян диких видов при осеннем посеве на меловых обнажениях. Наиболее значительное влияние на приживаемость компонентов травосмеси при посеве в этих условиях оказывает экологический фактор (крутизна склона, экспозиция, щебнистость и т.д.), а не способ заделки семян. Во всех экотопах весной появляются дружные всходы, но в дальнейшем, около 20 % видов погибает к концу первого года вегетации и около 40 % к концу второго (Дегтярь, 2006).
В таблице 7.10 приведены данные по сохранности различных видов многокомпонентных травосмесей на третий и шестой годы жизни трав, характеризующие их устойчивость в зависимости от экологических условий.
Анализ видового состава учетных площадок показывает характерное, в зависимости от экологических условий, распределение видов, подобное распределению их в природных сообществах.
Многокомпонентность травосмеси позволяла проявляться механизму адаптации видов растений к различию экологических условий: максимум неблагоприятных условий для одних дает приоритет для других, т.е. вступал в силу закон дифференциации экологических ниш.
В целом по опыту, сохранность видов в многокомпонентных травосмесях к шестому году жизни составило от 16,6% до 66,6%. На площадках с сильно эродированными карбонатными почвами, сохранившими почвенный профиль и имеющими явно выраженный гумусныи горизонт (площадки №2, №3, № 4) отмечено наибольшее количество прижившихся видов.
В этих условиях наибольшей устойчивостью обладали, степные и лугово-степные виды, факультативные кальцефилы (кострец безостый, овсяница тро-стниковидная, эспарцет песчаный, двурядник меловой, лядвенец рогатый). Облигатные кальцефилы на первом этапе нормально развивались, но, по мере увеличения биомассы бобовых и злаковых трав сильно угнетались. Исключение составлял левкой душистый, который хорошо конкурировал со злаками и бобовыми травами, образовывал генеративные органы и осеменялся.
На сильно нарушенном участке (площадка № 1) с меловыми обнажениями на фоне значительно меньшего общего количества сохранившихся видов преобладали облигатные кальцефилы (иссоп меловой, левкой душистый, норичник меловой, проломник Козо-Полянского). Все вышеназванные виды плодоносили, осеменялись, в результате чего была сформированы популяции, состоящие из разновозрастных особей.
Особые условия складывались на площадке № 5 и № 6, на которых мы смогли смоделировать-и наблюдать в условиях эксперимента два типа формирования растительности, характерных для естественных сообществ на меловых обнажениях: формирование кальцефильной степи на твердом субстрате и формирование растительных группировок на подвижном субстрате.
На площадке с подвижным-меловым субстратом, в результате-размывающего воздействия осадков в течение всего шестилетнего периода исследований; происходило постоянное-изменение условий произрастания растений. Здесь.к шестому году жизни, из тридцати видов, включенных в травосмесь, сохранилось пять: двурядник меловой, иссоп меловой, левкой душистый, кострец безостый и овсяница тростниковидная. Основную долю в травостое (86,4 %) составлял левкойдушистый, вид, который часто выступает доминантом и в естественных сообществах на меловых обнажениях с подвижным субстратом (осыпи, антропогенные нарушения, участки, в сильной степени подверженные водной эрозии). Популяция обладала высокой устойчивостью и в ней наблюдались особи, как в вегетативном, так и генеративном состоянии, причем, различных лет жизни (от шестилетних особей посева 2002 года, до всходов 2008года), что может свидетельствовать о потенциально высокой устойчивости- этого вида в изучаемых условиях.
Злаковые травы находились в угнетенном состоянии, образовывали вегетативные побеги, слабо развитые генеративные побеги и естественно не возобновлялись семенным способом. Что касается иссопа мелового, то нами в основном выделены особи посева 2002 года, цветущие и плодоносящие. Однако, имеются и более молодые особи различных лет жизни, появившиеся в результате самосева.
На площадке № 5 с меловым обнажением, расположенной на участке с уклоном до 2 основной видовой состав растительности сформировался, на третий год жизни и не изменился в дальнейшем. В этих условиях нами наблюдался процесс восстановления степных растительных группировок, характерных для «сниженных альп» с преобладанием в травостое видов:реликтовой флоры-Среднерусскойвозвышенности. Важным является то, что наблюдалось самопроизвольное семенное возобновление основных кальцефильных видов: левкоя душистого, иссопа мелового, проломника Козо-Полянского, полыни беловойлочной, норичника мелового. Физиономически, травостой соответствовал естественной кальцефильной степи. Отмечено семенное возобновление вышеназванных видов не только в пределах площадок, на которых проводился посев многокомпонентных смесей, но и на прилегающих к ним участках, лишенных растительности, что может свидетельствовать о возможности этих видов захватывать свободные участки самостоятельно.
При создании почвозащитных растительных группировок на сильноэро-дированных и нарушенных почвах огромное значение имеет их способность формировать проективное покрытие. Чем этот показатель выше, тем лучше почвозащитное влияние растительности.
Изучение среднегодовой динамики проективного покрытия почвы растительностью показало, что оно динамично повышалось на всех изучаемых площадках. В среднем по опыту, оно увеличивалось от 0-5% в год посева травосмеси, до 45-58 % к шестому году жизни травостоев. Имелась дальнейшая тенденция увеличения проективного покрытия на всех изучаемых участках, наиболее выраженная на наиболее нарушенном участке (площадка № 5) и на участке с сильно подвижным субстратом (площадка №6)(рисунок 7.7).
