Содержание к диссертации
Введение
1 Адаптивно-ландшафтное обустройство земель (аналитический обзор) 12
1.1 История развития идей адаптивно-ландшафтного землепользования и современное состояние разработок 12
1.2 Роль ландшафтоведения в оптимизации агроландшафта 17
1.3 Ландшафтное планирование в агролесомелиорации и земледелии 23
2 Условия, объекты, методология и методика исследований 44
2.1 Агроклиматические ресурсы Поволжья 44
2.2 Характеристика объектов и методика прведения исследований 62
2.3 Методология исследования: аналитико-эмпирические методы 72
2.4 Методика проведения исследований 73
3 Концептуальные основы адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агролесомелиорации 81
3.1 Характеристика типов агроландшафтов для степной и сухостепной зон Поволжья в условиях естественного увлажнения и орошения 81
3.2 Теоретическое обоснование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агролесомелиорации 87
3.3 Эколого-мелиоративные требования и ограничения к защите почв от деградации, критерии и нормализованные оценочные показатели реализации концепции адаптивно-ландшафтного обустройства земель 90
4 Воздействие противоэрозионных систем на водный баланс, эрозию, плодородие почв и рост древесных пород 96
4.1 Организация территории, агротехнические и лесомелиоративные противоэрозионные приёмы с разработкой математического моделирования процессов в степи Поволжья 96
4.2 Влияние основной обработки почвы на элементы водного баланса и эрозию в сухостепном Поволжье 108
4.3 Воздействие лесных полос, кустарниковых кулис на экологические факторы среды, элементы водного баланса и эрозию в сухостепном Поволжье 114
4.4 Водный баланс зоны аэрации и эрозия почв под влиянием системы противоэрозионных мероприятий в степи Поволжья. 125
4.5 Динамика плодородия почв под влиянием противоэрозионных приёмов в степном и сухостепном Поволжье 136
4.6 Динамика таксационных показателей древесных пород в лесных полосах под влиянием противоэрозионных приёмов и орошения 154
5 Продуктивность сельскохозяйственных угодий под воздействием экологических факторов среды, агротехнических и лесомелиоративных приёмов 163
5.1 Исследования экологических факторов среды под влиянием лесных полос с разработкой математической модели 163
5.2 Влияние лесных полос различной конструкции на урожайность яровой и озимой пшеницы в степном Поволжье 170
5.3 Повышение продуктивности севооборотов и пастбищ в зависимости от агротехнических и лесомелиоративных приёмов и разработка математической модели 179
5.4 Урожайность яровой пшеницы в зависимости от приемов основной обработки почвы в сухостепном Поволжье 184
5.5 Влияние лесных полос, кустарниковых кулис на урожайность культур севооборота и трав пастбищ в сухостепном Поволжье 188
5.6 Формирование фотосинтетического и продукционного потенциала люцерны в зависимости от нормы высева семян и конструкций лесных полос в сухостепном Поволжье 191
5.7 Динамика видового состава и продуктивности трав пастбищ под влиянием лесных полос в степном и сухостепном Поволжье 198
6 Эколого-экономическая эффективность агротехнических и лесомелиоративных мероприятий 209
Заключение 215
Рекомендации производству 219
Библиографический список 220
Приложения 257
- Роль ландшафтоведения в оптимизации агроландшафта
- Эколого-мелиоративные требования и ограничения к защите почв от деградации, критерии и нормализованные оценочные показатели реализации концепции адаптивно-ландшафтного обустройства земель
- Воздействие лесных полос, кустарниковых кулис на экологические факторы среды, элементы водного баланса и эрозию в сухостепном Поволжье
- Формирование фотосинтетического и продукционного потенциала люцерны в зависимости от нормы высева семян и конструкций лесных полос в сухостепном Поволжье
Введение к работе
Актуальность. Проблема борьбы с засухой и дезертификацией (опустыниванием) территорий остается одной из актуальных в России, Поволжье и Саратовской области. В настоящее время в РФ 65% пашни, 28% сенокосов, 50% пастбищ подвержены разрушающему воздействию эрозии, дефляции, засухи с ежегодной убылью гумуса 0,62 т/га (ВНИАЛМИ, 2008). В Саратовской области около 60% сельскохозяйственных угодий подвержены деградационным процессам, сопровождающиеся утратой более 30% гумуса (НИИСХ Юго-Востока, 2004). Решение проблемы заключается в применении адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агролесомелиорации, ориентированных на дифференцированное использование земель с учётом их деградационной опасности: эрозии, дегумификации. Системы включают оптимизацию технологии возделывания сельскохозяйственных культур и использования пастбищ, создания защитных лесных насаждений и гидротехнических объектов, служащих экологическим каркасом агроландшафтов.
Ключевым звеном адаптивно-ландшафтного обустройства деградированных сельскохозяйственных земель является агролесомелиоративная обустроенность территорий, которая должна стать императивом идеологии природопользования XXI века (В.В.Докучаев, (1949); А.В.Альбенский,(1971); Э.Г.Коломиец, (1987); С.А. Гасаненко, (1990); Г.Л. Тышкевич, (1991); Б.В. Виноградов, (1995); М.С.Филимонов, (1983); А.И.Петелько, (2008); Г.П. Дзюин, (2010).
Б.В. Виноградов (1998) заключает, что за периодом гидрологической и химической мелиорации непременно наступит период интенсивной агролесомелиорации, так как именно она является одним из очень немногих средств восстановления сельскохозяйственных земель. Именно поэтому агролесомелиорация является важнейшей составляющей ландшафтного планирования территории.
Ландшафтная агролесомелиорация – один из путей стабилизации ресурсного потенциала территорий и деградации земель (В.В.Лебедев, (1957, 1961); П.С. Захаров, (1974); М.А.Дударев, (1990); Н.Г. Петров, (1997); В.М. Володин (1999); И.П.Здоровцев, (2003); Г.Н.Черкасов, (2005); И.Е.Солдат, (2010).
Основной задачей агролесомелиорации является оптимизация лесистости аграрных территорий с доведением площадей искусственных насаждений до пределов, обеспечивающих достижение максимальной продуктивности агропромышленного производства при соблюдении нормативов охраны окружающей среды от негативных последствий антропогенной деятельности (В.И. Коп-таев (1981); А.М.Степанов, (1983,1988); Н.П. Калиниченко, (1986); И.Е.Зонн (1987); Е.С. Павловский, (1988); К.Н. Дьяконов, (1988); В.Е Копыл, (1990).
Ведущим принципом проектирования агролесомелиоративных мероприятий должен быть ландшафтно-экологический, при котором размещение защитных лесных насаждений отвечает, прежде всего, особенностям почвенно-климатических условий и рельефа территории (И.П. Колосков, 1971; В.А. Кар-
пов, (1971); А.Р. Контантинов (1974); А.Ф. Степанов (1996); М.М. Гераськин, В.И. Каргин, (2015); П.Н. Проездов, (2016).
Актуальными и неотложными задачами отрасли земледелия области является повышение эффективности и устойчивости производства растениеводческой продукции за счет более полного и рационального использования биоклиматического потенциала, расширения набора культур и сортов, сохранения и воспроизводства почвенного плодородия, преодоления засушливых явлений, борьба за влагу, совершенствования почвозащитных ресурсосберегающих систем земледелия, адаптированных к условиям природных зон, микрозон и агро-ландшафтов (Г.М. Казанцев, (1977); И.А. Кузник, (1979); А.М.Бялый, (1981, 1985, 1986); М.Н. Кузнецов, (1996); В.А. Корчагин, (1997); А.Н. Кшникаткина, (2000, 2003, 2014, 2015); И.Ф. Медведев, П.С. Новиков, (2001); А.И. Шабаев, (2003); В.В. Кошеляев, (2013).
Продолжение развития адаптивно-ландшафтных систем земледелия с применением системного подхода к использованию новой адаптирующей технологии возделывания культур и составляет основу настоящей работы и определяет её теоретическую и практическую актуальность.
Исследования проводились в соответствии с областными целевыми программами «Разработка инновационной техники и технологий для повышения продуктивности лесов, агролесомелиорированных и зеленых насаждений» и «Сохранение и восстановление плодородия почвы земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов на период до 2013 года». Закон Саратовской области от 29.12.2006 №152.
Степень разработанности темы. Представленные в диссертации исследования адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агролесомелиорации являются продолжением идей и разработок учёных и практиков агрономии и защитного лесоразведения: Н.И. Вавилова (1922), В.В. Докучаева (1953), Г.Н. Высоцкого (1938), С.С. Соболева (1948), Н.И. Суса (1949), А.И. Бараева (1962), Т.С. Мальцева (1985), А.С. Козменко (1963), И.А. Кузника (1962), П.К. Иванова (1976), А.А. Жученко (1990), М.И. Лопырева (1995), Н.Г. Петрова (1997), М.Н. Заславского (1960), Е.С. Павловского (1982, 1988), В.И. Петрова (1985), К.Н. Кулика (2001), А.Т. Барабанова (1993), А.Н. Каштанова (1984), А.И. Шаба-ева (1999, 2003), В.И. Кирюшина, (2005), А.С. Рулёва, (2007), В.А. Шадских (2015), С.Н. Немцева (2005, 2011), С.А. Семиной (2007), А.Н. Кшникаткиной (2013, 2015), Е.Н. Кузина (2014, 2016).
Цель исследований - теоретическое обоснование и экспериментальная оценка технологий и приёмов комплексной агромелиорации земель на адаптивно-ландшафтной основе, направленные на повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий и защитных лесных насаждений.
Задачи исследований:
разработать научную концепцию адаптивно-ландшафтного обустройства земель степного и сухостепного Поволжья;
обосновать технологический комплекс, включающий в себя фитомели-орацию, систему основной обработки почвы, мульчированное щелевание, агролесомелиорацию, агролесопастбища;
разработать методологию системы влагосберегающих почвозащитных мелиораций, повышающих продуктивность сельскохозяйственных угодий;
обосновать концептуальные основы агролесомелиорации для сухо-степного Поволжья для тёмно-каштановых и каштановых почв;
установить закономерности влияния агротехнических и агролесомелиоративных приёмов на снижение деградации почв и повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий с разработкой соответствующих математических моделей;
изучить фотосинтетический и продукционный потенциал люцерны на орошении в зависимости от нормы высева семян и конструкции лесных полос;
установить закономерности влияния конструкции лесных полос на экологические факторы среды и урожайность сельскохозяйственных культур в условиях различных лет увлажнения и снежности зим;
выявить закономерности динамики лесоводственно-таксационных показателей древесных пород лесных полос в зависимости от применения валов-канав и орошения с определением показателей напряжённости роста, конкурентных отношений, жизнеустойчивости, продуктивности камбия;
дать эколого-экономическую оценку продуктивности сельскохозяйственных угодий в зависимости от агротехнических и агролесомелиоративных мероприятий в севооборотах и пастбищеобороте.
Научная новизна. Разработана научная концепция адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агролесомелиорации для сухостепной и степной зон Поволжья. Определено концептуальное положение агролесомелиорации для тёмно-каштановых и каштановых почв сухостепного Поволжья. Разработаны качественно-количественные нормализованные оценочные показатели реализации концепции системного подхода к защите земель от деградации и опустынивания: распаханность, лесистость, мелиорированность, критерий водопроч-ности почвенных агрегатов, водопроницаемость мёрзлых почв, значение допустимой эрозии почв с (А+В)< 0,5 м.
Разработаны математические модели для расчёта снижения деградации почв и повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий.
Математическое моделирование показало, что наибольшее воздействие на урожайность яровой пшеницы в системе лесополос оказывает дефицит водного баланса (R2=0,82). Наименьшая урожайность с наибольшей относительной прибавкой зерна пшеницы характерна для острозасушливых лет и лесополос продуваемой конструкции - до 45%. Максимальная урожайность формируется в средневлажные годы, а во влажные - с наименьшей прибавкой - до 3,2%. Урожайность пшеницы под влиянием лесополос продуваемой конструкции в среднем на 15% выше, чем плотной, в острозасушливые годы до 25 %.
Математическая модель позволила установить, что на 58% продуктивность сельскохозяйственных угодий связана с влагозапасами в почве и стоком, формирующихся под влиянием культур севооборотов, пастбищ, мульчированного щелевания, основной обработки почвы и системы лесополос. Эрозия почв на 82% связана со стоком, который на 76% зависит от осадков, агротехнических и лесомелиоративных приемов, проводимых на культурах севооборота и пастбище.
Под влиянием агро-, лесо-, гидромелиоративных мероприятий повышается: пористость почвы на 2–7%, критерий водопрочности почвы - с 0,62 до 0,76, содержание гумуса – на 0,2– 1,5% .
За 1964-2016 гг. исследований наиболее продуктивными были полевые севообороты с участием зерновых культур, затем кормовые севообороты (многолетние травы – 100 %) и пастбища. Под влиянием мульчированного щелева-ния и лесных полос продуктивность полевых севооборотов по сравнению с кормовыми, увеличилась на 47,2%, с пастбищеоборотом – в 2,87 раза.
Теоретическая и практическая значимость. Технология возделывания сельскохозяйственных культур на пашне, оптимальное соотношение площадей пашни, пастбищ, леса в зависимости от типа агроландшафта, являются вкладом в теорию противоэрозионного земледелия и агролесомелиорации. Разработано концептуальное положение агролесомелиорации для тёмно-каштановых и каштановых почв сухостепного Поволжья, которое может быть использовано для совершенствования действующих «Инструктивных указаний по проектированию и выращиванию лесных насаждений на землях сельскохозяйственных предприятий РСФСР» (1979) с обоснованием формирования агролесопастбищ, расстояний между лесными полосами и кустарниковыми кулисами, экологического каркаса защитных насаждений и естественных лесов.
Регрессионные математические модели снижения деградации почв и увеличения продуктивности сельскохозяйственных угодий позволяют прогнозировать влияние природных и антропогенных факторов, могут быть применены в системе адаптивного-ландшафтного земледелия, агролесомелиорации для повышения эффективности, качества использования земель, сохранения почвенных и водных ресурсов.
Теоретические разработки позволяют решать ряд научно-прикладных задач, связанных с повышением эффективности систем земледелия и агролесомелиорации на адаптивно-ландшафтной основе в условиях степной и сухостепной зон Поволжья.
Практическая значимость связана с повышением продуктивности сельскохозяйственных угодий на эродированных землях от совместного влияния агротехнических и агролесомелиоративных противоэрозионных приёмов до 70,9 %, в том числе от мульчированного щелевания – до 34,8 %.
Адаптивно-ландшафтные системы земледелия и агролесомелиорации внедрены в Приволжском муниципальном образовании сухостепной зоны Поволжья на площади 2000 га с экономическим эффектом 580 тыс. руб; ОПХ
«Волжский НИИ гидротехники и мелиорации» на посевах люцерны площадью 100 га, экономический эффект 521 тыс. руб.; в степной зоне Поволжья в колхозе им. Ленина на площади 3500 га, экономический эффект 735 тыс. руб.
Методология и методы исследования базируются на законах Российской Федерации, связанные с земельным, лесным и водным Кодексами, использованием принципов организации теории и практики классического и современного земледелия, растениеводства, агролесомелиорации, стандартных и частных методик планирования и проведения экспериментов. В исследовании использовались системный подход анализа и синтеза, классификации, аналитическое моделирование и испытание (лабораторные и полевые опыты), методы обобщения, интерполяции и экстраполяции, сравнения, индукции и дедукции, описания, статистики, картография с применением космоснимков.
Обработка результатов исследований выполнялась методами математической статистики с применением пакетов прикладных компьютерных программ Statistica, Microsoft Excel.
Положения, выносимые на защиту:
– концептуальные основы адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агролесомелиорации в степной и сухостепной зонах Поволжья;
– концептуальное положение агролесомелиорации для сухостепного Поволжья с тёмно-каштановыми и каштановыми почвами;
– методологические основы системы влагосберегающих почвозащитных мелиораций, повышающих продуктивность сельскохозяйственных угодий;
– критерии и нормализованные оценочные параметры реализации концепции адаптивно-ландшафтного обустройства земель;
– эколого-мелиоративные требования и ограничения к компонентам ландшафтов;
– обоснование технологического комплекса земледелия, включающего систему обработки почвы, фитомелиорацию, агролесомелиорацию, агролесопаст-бища;
– нормализованные показатели распаханности, лесистости, мелиорирован-ности, водопрочности почвенных агрегатов, эрозии почв в соответствии с эко-лого-мелиоративными требованиями и ограничениями;
– приёмы агротехнической, лесной и гидротехнической мелиорации по защите почв от деградации;
– продукционный и фотосинтетический потенциал люцерны на орошении в зависимости от нормы высева семян и конструкции лесных полос;
– закономерности воздействия агротехнических, лесных и оросительных мелиораций на экологические факторы среды, продуктивность и водопотребле-ние культур севооборота и травостоя пастбищ в условиях различных по увлажнению лет;
– математические модели снижения деградационных процессов и повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий;
– состояние и рост древесных пород в защитных лесных насаждениях;
– эколого-экономическая оценка продуктивности сельскохозяйственных угодий в зависимости от агротехнических и агролесомелиоративных приёмов в севооборотах и пастбище.
Степень достоверности. Достоверность результатов исследования подтверждается достаточным объёмом экспериментального материала, математической обработкой эмпирических данных с использованием типовых компьютерных программ, математическими моделями снижения деградации почв и повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий.
Апробация результатов научных исследований. Результаты исследований неоднократно были доложены на международных, всероссийских, внутри-вузовских научно-практических конференциях (Саратов, 1999-2017; Пенза, 2006, 2008; Великие луки, 2006; Санкт-Петербург, 2013; Ростов-на Дону, 2015; Волгоград, 2015).
Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликованы 2 монографии и 51 научная работа, общим объемом 73,2 печ. л., в том числе 15 статей – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и рекомендаций производству. Работа изложена на 318 страницах компьютерного текста, содержит 54 таблицы, 52 рисунка и 27 приложений. Список литературы включает 408 источников, в том числе 27 на иностранных языках.
Личное участие соискателя. Соискателю принадлежит идея теоретического обоснования и экспериментальная оценка технологий и приёмов комплексной агромелиорации земель на адаптивно-ландшафтной основе, направленные на повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий и защитных лесных насаждений. Результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора в период с 1999 по 2016 г. Соискателем осуществлялись постановка задач, разработка программы исследований, проведение полевых опытов и наблюдений, анализ полученных результатов и литературных материалов, ежегодная научная подготовка научных отчётов, формирование основных положений и выводов работы.
Роль ландшафтоведения в оптимизации агроландшафта
В связи с растущей напряженностью в земледелии, как в нашей стране, так и за рубежом, в сельскохозяйственных науках все большее внимание уделяют естественно научным дисциплинам, в том числе ландшафтоведению.
Ландшафтный подход к оптимизации агроландшафта был рассмотрен с практической точки зрения более ста лет назад В.В. Докучаевым (1953, 1954) в работе «Наши степи прежде и теперь», в разделе «Выработка норм, определяющих относительные площади пашни, лугов, леса и вод». Поэтому основы концепции оптимизации агроландшафтов сформулированы в 1892 году В.В. Докучаевым. Последние 100 лет в основном ее развитие шло по пути уточнения отдельных положений, довольно обособленно развивалась водохозяйственная мелиорация, борьба с оврагами, земледелие, агротехнические методы, агролесомелиорация.
Оптимизация экологическая по Н.Ф. Реймерсу, (1990)– это достижение наиболее рационального экологического равновесия (с точки зрения долгосрочной перспективы развития хозяйства и сохранения условия жизни людей) с помощью благоприятного сочетания экологических компонентов и территорий (экосистем) с различной степенью преобразования человеком и достижение фазы экологического равновесия наиболее полно сохраняющей биологическое разнообразие.
Г.Н.Высоцкий, (1904), Ф.Н. Мильков, (1986) В.Н.Плюснин, (1990); Nature and society of the next millennium (1999); H.T.Odum, (1987); В.М.Чупахин (1987,1989), Л.П.Шевцова, (2004), H.T. Odum, (1985) дают близкое понятие – «оптимизация ландшафта» как повышение экологическго и социально экономического потенциала природного комплекса при полном сохранении его полезных свойств, достигается при помощи природоохранных мер, почвоводо охранного земледелия, мелиорации, рекультивации.
Особенностью ландшафтного подхода являлось рассмотрение агроланд-шафта одновременно как объекта, на который направлена преобразующая деятельность человека и его среда обитания. Изучение агроландшафта, и в частности мелиорируемых территорий, как ухудшающейся среды обитания человека является достаточно новым и малоразработанным аспектом ландшафтных исследований.
Решение экологических проблем требует всесторонне обоснованной оптимизации агроландшафта в целом. Целесообразно приведение характера агропри-родопользования в соответствие с природно-ресурсным потенциалом территории.
Основой оптимизации агроландшафта является определение региональных приоритетов в развитии природопользования – ландшафтно-экологических, социальных, экономических. Необходима выработка принципов и методики исследований, разработка этапов работы, конкретные аналитические, ретроспективные и прогностические исследования. Ландшафтный подход предполагает, что любые мелиорации, направленные на улучшение земледельческого производства, с географической точки зрения могут рассматриваться как изменение природных режимов. Отсюда следует, что эффективность мелиоративных работ предполагает, прежде всего знание закономерностей формирования и взаимодействия таких режимов. Перечень главных из них – света, тепла, (атмосферы и почвы), влаги и элементов питания – определила физиология растений, согласно которой интегральным показателем является отношение растительности к перечисленным абиотическим факторам. В основе принятия мелиоративных решений должен быть именно ландшафтный подход, позволяющий получить сведения о пространственных закономерностях формирования установленных режимов. Только проанализировав естественный «механизм» продуктивности производственно-территориальных комплексов, целесообразно его модифицировать.
Во многом работах по внедрению ландшафтного подхода в земледелии дало новое развитие в концепции агроландшафта (К.К. Высоцкий, (1962); М.И. Долги-левич, (1970); М.Е. Васильев, (1980); В.А.Николаев, (1987); В.С.Преображенский, (1988). По их понятиям – агроландшафт – это природ-но-антропогенная ресурсо-воспроизводящая и средопреобразующая геоэко-система, служащая объектом сельскохозяйственной деятельности. В последнее время появилось много работ где агроландшафтом называют любую систему – и склон и территорию любого хозяйственного формирования.
В.А. Николаев (1993) отмечает, что под агроландшафтом следует подразумевать не любую агрогеосистему, а лишь определенной (региональной) размерности, собственно того же геосистемного уровня, который свойствен природному ландшафту (в его региональном понимании). Агроландшафт – это трансформированный сельскохозяйственным производством природный ландшафт, как правило, сохраняющий его исходные границы. Пространственная дифференциация природных ландшафтов, обусловленная главным образом геологогео- морфологическим и гидро-климатическим факторами, остается значимой и для агроланд-шафтов. Ландшафтоведение вместе с экологией рассматриваются как одно из эффективных способов предотвращения кризисных явлений в окружающей среде и упорядочения использования природных ресурсов М.И. Лопырев, (1995). Большое значение приобретает совершенствование систем земледелия в адаптивно-ландшафтном аспекте. В настоящее время сформировано новое направление в агрономической науке, именуемое ландшафтным земледелием А.Т. Барабанов, (1993); М.И. Лопырев, (1995); Ю.И.Васильев, (1997), А.Н. Каштанов, (1984, 1992, 1999); В.И. Кирюшин, (1995, 1996, 2005); А.И. Шабаев, (1999, 2003); Н.Г. Петров, (1997); Е.А.Гаршинев, (1999); С.Н. Немцев, (2005, 2008, 2010, 2011).
В ландшафтоведении концепцию оптимизации развивали Д.Л. Арманд, (1975); Н.М.Глазов, (1976), А.Г. Исаченко (1980, 1991), В.Г. Басов (1988), Е.С. Павловский, (1992); в экологии и природопользовании Н.Ф. Реймерс (1990); Б.В. Виноградов, (1993, 1994); в ландшафтно-географическом подходе в агролесомелиорации Г.Г.Данилов, (1963), К.Н. Кулик, (2001); А.С. Рулёв (2007).
А.Г. Исаченко (1989, 1991) дал понятие «Культурные ландшафты», в которых структура рационально изменена и оптимизирована на научной основе и интересах общества. Ему должны быть присущи два главных качества: 1) высокая производительность и экономическая эффективность и 2) оптимальная среда для жизни людей, способствующая сохранению здоровья, физическому и духовному развитию человека. До сих пор эти два качества редко совмещались: временный экономический эффект часто достигался ценой ухудшения жизненной среды человека, что типично для нарушенных ландшафтов. Однако при должном научном подходе экономические, экологические, а также культурно-эстетические интересы не противоречат друг другу.
Одно из основных условий при формировании культурного ландшафта – достижение максимальной производительности возобновимых природных ресурсов, и, прежде всего биологических. Помимо бесспорного хозяйственного эффекта это одновременно позволит улучшить санитарно-гигиенические условия и эстетические качества среды. В культурном ландшафте должны быть по возможности предотвращены нежелательные процессы как природного, так и техногенного происхождения (смыв почвы, эрозия, заболачивание, наводнения, обмеление рек, сели, загрязнение воды, воздуха, почв).
Согласно исследованям А.Г.Исаченко (1991) различают три главных направления оптимизации ландшафтов: 1) активное воздействие с использованием различных мелиоративных приемов; 2) «уход за ландшафтом» (например, санитарные рубки, противопожарные мероприятия) с соблюдением строгих норм хозяйственного использования; 3) консервация, т.е. сохранение спонтанного состояния. Последнее направление необходимо в научных интересах для сохранения генофонда растений и животных, а также в водоохранных, почвозащитных, санитарных и других целях. Итак, научная организация территории должна основываться на морфологии ландшафта, на использовании ее потенциала. Задача сводится к тому, чтобы найти наилучшее применение каждой морфологической единице ландшафта и в то же время найти для каждого применения (вида использования) наиболее подходящие урочища или фации. При этом необходимо учитывать горизонтальные связи, т.е. сопряженность фаций и урочищ. (Е.П.Денисов, 2004, 2013, 2015).
Эколого-мелиоративные требования и ограничения к защите почв от деградации, критерии и нормализованные оценочные показатели реализации концепции адаптивно-ландшафтного обустройства земель
Защита земель от деградационных процессов системами организационно-хозяйственных, агро-, фито-, лесо и гидромелиортивных мероприятий предполагает определенные эколого-мелиоративные требования и ограничения. Для этих целей разработаны критерии и нормализованные оценочные параметры почв и вод Почвенным институтом им. В.В. Докучаева и др. (1996), которые были дополнены нами: распаханность, мелиорированность и лесистость, характеризующие экологический каркас агроландшафтов; агрофизические и эрозионной опасности: водопрочность почвенных агрегатов-соотношение агрономических ценных частиц при мокром и сухом фракционировании; водопроницаемость мёрзлых почв; доля удельной внутренней поверхности почвы от общей; допустимая величина эрозии (А+В 0,5 м) (табл. 6).
Дополнительные исследования и их обобщение позволили разработать особенности агротехнологий с экологическим оптимумом распаханности, лесистости и мелиорированности в каркасе объектов лесных, противоэрозионных, гидротехнических мелиораций.
Определение оптимальной площади ЗЛН, места и характера их расположения, а также ширины ЛП, схем смешения, конструкции, необходимо производить с учетом типа агроландшафта (рис. 12,13,14,15; табл. 6,7,8).
Полезащитные ЛП (ПЗЛП) создаются на склонах до 2 поперек господствующих ветров (отклонение до 30) продуваемой и ажурной конструкции в степных и сухостепных районах для равномерного распределения снега и защиты почв от дефляции.
Расстояние между ПЗЛП принимаются в зависимости от почвенно-климатических условий:
-в степи - 500 м на обыкновенных черноземах, 400 м на южных черноземах;
- в сухой степи на темно-каштановых и каштановых почвах из-за дефицита влаги – экологический каркас пойменных, байрачных лесов и ЗЛН вдоль рек, балок, оврагов, котловин, лиманов, понижений, каналов, оросителей, прудов -мест с лучшими лесорастительными условиями. Применение кустарниковых кулис в лесопастбищах. Ширина ПЗЛП до 15 м.
Стокорегулирующие лесные полосы (СЛП) создаются контурно на склонах 2-8, ажурной конструкции с кустарником в верхней и валом – канавой в нижней опушках. Расстояния между СЛП в степи составляют 100-550 м в зависимости от типа почв и крутизны склонов. Ширина СЛП – до 15 м.
На склонах крутизной более 3 с каштановыми почвами альтернативно создаются контурные 2-рядные кустарниковые кулисы с межкулисным расстоянием 20-50 м.
Приовражные и прибалочные лесные полосы (ПрЛП) создаются ажурной конструкции для равномерного распределения снега на прилегающих полях и пастбищах. Наряду с ПЗЛП, СЛП, ПрЛП существенная роль в стабилизации земледелия принадлежит куртинным, полосным, кормовым насаждениям (например, терескеновым) на пастбищах и неудобных землях, насаждениям вдоль дорог, каналов, вокруг поселков, водоемов и др.
Защита земель от почворазрушающих процессов и деградации системами организационно-хозяйственных, агро-, фито-, лесо и гидромелиортивных мероприятий предполагает определенные эколого-мелиоративные требования и ограничения. Для этих целей выработаны критерии и нормализованные оценочные параметры почв и вод при реализации концепции адаптивно-ландшафтного обустройства земель. Ведущими критериями являются распаханность, лесистость и мелиориро-ванность ландшафтов, которые регламентируются типами агроландшафта. Лесистость – всеобъемлющий показатель и при дифференцированном размещении защитных насаждений, усиленных гидротехническими сооружениями, на водосборах от водораздела до гидрографической сети с соблюдением агротехники обеспечивает защиту земель от эрозии, дефляции и др. почворазрушающих процессов.
В межрубежных пространствах защиту почв от эрозии, дефляции выполняют агро-, фито- мероприятия: почвозащитные севообороты, безотвальная обработка почвы, буферные полосы, многолетние травы (фитомелиорация), щелевание, мульчирование, удобрения – высокая культура земледелия.
Почвы и воды постмелиоративного воздействия оценивают нормализованные показатели: агрофизические, физико-химические, биохимические, минералогические, гидрохимические с приведением предельных данных параметров, характеризующих неблагополучное состояние компонентов ландшафта.
Критерии и показатели почв и вод, разработанные Почвенным институтом им. В.В. Докучаева, МГУ им. М.В. Ломоносова и др. (под редакцией Б.А. Зимовца, 1996), были дополнены нами (А.И. Шабаев, П.Н. Проездов, Д.А. Маштаков 2011, 2012). В частности предложены основные (ведущие) критерии: распаханность, ме-лиорированность и лесистость, характерезующие экологический каркас агроланд-шафтов. Дополнены агрофизические и эрозионной опасности показатели: водопроч-ность почвенных агрегатов-соотношение агрономических ценных частиц при мокром и сухом фракционировании; водопроницаемость мёрзлых почв; доля удельной внутренней поверхности почвы от общей; допустимая величина эрозии с (А+В) 0,5 м (П.Н. Проездов, Д.А. Маштаков, А.А. Панфилов, 2017).
Предложенное нами теоретическое обоснование адаптивно-ландшафтных систем агролесомелиорации и земледелия может быть использована для совершенствования «Инструктивные указания по проектированию и выращиванию защитных лесных насаждений на землях сельскохозяйственных предприятий» (1979). В этом направлении проводится совместная работа с ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук» (бывший ВНИАЛМИ, Волгоград).
Воздействие лесных полос, кустарниковых кулис на экологические факторы среды, элементы водного баланса и эрозию в сухостепном Поволжье
В районах опустынивания долгосрочным мелиоративным приемом является создание защитных лесных насаждений, которые в межполосных пространствах могут быть дополнены кустарниковыми кулисами, или альтернативно создание только кустарниковых кулис ( Агролесомелиорация, А.Л. Иванов, К.Н. Кулик, П.Н.Проездов и др., 2006).
Исследование совместного мелиоративного влияния лесных полос и кулис из кустарника проводилось в условиях сухостепной зоны на каштановых почвах Ровенского района Саратовской области (объект 5, опыт 12, опыт 13).
Объектами исследований являлись стокорегулирующие и приовражные лесные полосы, кустарниковые кулисы, сельскохозяйственные культуры (яровая пшеница, подсолнечник) и пастбище.
В результате проведенных исследований были выявлены лесоводственная и мелиоративная характеристики опытных ЛП и кустарниковых кулис, которые приводятся в таблицах 15 и 16.
ЛП на опытном водосборе представляют собой насаждения с главными породами вязом приземистым и ясенем ланцетным, кустарниками - смородиной золотистой, лохом узколистным. Кулисы состоят из 2-х рядов смородины золотистой через 30-80 м: при крутизне склона 1-30 -80 м, 3-50 -30 м.
Наиболее важными мелиоративными характеристиками опытных ЛП и кустарниковых кулис являются их ветропроницаемость и ажурность, которые влияют на микроклимат.
Из данных таблицы 15 видно, что у первых двух лесных полос (приовражных и стокорегулирующей с валами) ветропроницаемость в стволовой части и кронах довольно низкая (конструкция ЛП - плотная).
Стокорегулирующая ЛП №2 на северном склоне имеет ажурную конструкцию с наличием сквозных мелких просветов около 25% (Агролесомелиорация, 2006). Двухрядные кустарниковые кулисы из смородины золотистой имеют ажурную конструкцию. Бонитет древесных пород в ЛП –IV-V, сохранность – 47-58% (табл.16).
От конструкции насаждения зависит скорость ветра в зоне защиты. Наблюдения проводились при ветре ЮВ направления, под углом подхода к ЛП 700 и скорости ветра в открытой степи 8,5 м/с. Фактический экспериментальный материал приведен в таблице 17.
Зона хозяйственно-эффективного влияния ЛП распространяется на 25 Н. В этой зоне скорость ветра на 34-40% ниже, чем на контроле (водоразделе). Наибольшее суммарное снижение скорости ветра наблюдается за приовражной ЛП, у которой по сравнению со стокорегулирующей ЛП этот показатель меньше на 6-7 %.
Это объясняется тем, что ширина межполосного поля, занятого яровой пшеницей, составляет 300 м, и на ветер оказывает влияние не только приовражная ЛП, но и стокорегулирующая с валами, влияющая своей наветренной опушкой: в пункте 5Н скорость ветра достигает 62 % от первоначальной скорости.
Заметное влияние на скорость ветра оказывают двухрядные кустарниковые кулисы, в среднем в межкулисном пространстве этот показатель составил 75-78% от скорости ветра в открытой степи.
В целом, средняя скорость ветра на южном склоне, по сравнению с северным (в нашем случае заветренном склоне), была выше на 5-8%:
- ЛП ажурной конструкции, по сравнению с плотной, снижает скорость ветра меньше в пунктах, прилегающих к ЛП, в среднем на 15% из-за перекрытия их влияния на ветер (ЛП взаимодействуют);
-на южном склоне ветровой режим более напряженный, чем на северном. Следовательно, условия для роста и развития сельскохозяйственных растений на северном склоне более благоприятные.
ЛП способствуют также лучшему снегозадержанию, но не все они обеспечивают равномерное его распределение на полях (табл.18).
Причем наибольшая высота снега наблюдается не в центре лесополосы, а ближе к северной заветренной опушке, так как зимой года исследований преобладали метели ЮЗ направления. Такое скопление снега на северной опушке имеет положительное и отрицательное значения. Положительное состоит в том, что на северной опушке снег тает менее интенсивно по сравнению с южной, и вода успевает впитаться в почву. Отрицательная сторона заключается в запоздалом весеннем таянии снега, что создает неудобства в проведении весенних полевых работ.
На полях, защищенных полосами плотной конструкции, снега накапливается незначительно больше по сравнению с открытой степью: на расстоянии 8 Н от приовражной ЛП высота снега составляет 60 см, а, начиная с 10 Н, высота снега такая же, как и на открытом поле (50 см). Несколько лучше обстоит дело с насаждениями ажурной конструкции, где их влияние распространяется до 15 Н, причем снег распределяется более равномерно. Запасы воды в снеге в зоне 0-25 Н составили 195-202 мм (64-67% НВ), что на 39-46 мм больше, чем на контроле. На распределение снега оказывают влияние рельеф местности и экспозиция склонов. На северном склоне отмечались высота снега на 8 см и запасы воды в снега на 24мм больше, чем на южном. Степень весеннего увлажнения почвы тесно связана с характером снегоотложений. Наибольшие запасы влаги в почве наблюдаются в зонах снежных шлейфов и лесополосах. Так, например, в среднем в ЛП запас влаги в метровом слое составляет 281 мм, в зоне 0-25 Н- 258 мм (85,1% НВ), а за пределами влияния ЛП (контроль)- 226 мм (74,6% НВ), т.е. ЛП позволяют накопить 32 мм дополнительной влаги только в метровом слое почвы.
Формирование фотосинтетического и продукционного потенциала люцерны в зависимости от нормы высева семян и конструкций лесных полос в сухостепном Поволжье
Исследования выполнены на объекте 4, опыт 8. В процессе фотосинтеза образуются до 90-95 % сухой биомассы растений, поэтому в формировании урожая этому процессу принадлежит ведущая роль (Г.П. Устенко, 1963; А.А. Ничипоро-вич, 1963, 1966). Листьям принадлежит ведущая роль в процесе фотосинтеза, что определено филогенезом самого растения.
Показатели площади листьев, продолжительность их работы и накопление сухой биомассы определяют продуктивность фотосинтетической деятельности посевов. Площадь листьев посевов даёт объктивное представление о ходе роста растений в течение вегетации, но не дает полную характеристику фотосинтетической деятельности посевов, так как важно время, когда сформировалась максимальная площадь листьев и сколько дней она работала на урожай. Поэтому только фотосинтетический потенциал раскрывает наибольшую полноту деятельности посева.
Лесные полосы защищают посевы сельскохозяйственных культур от неблагоприятных факторов среды. Непосредственное влияние лесные полосы оказывают на скорость ветра. Основные показатели эффективности лесных полос: дальность влияния; степень максимального снижения скорости ветра; защита от него. Существует мнение, что снижение скорости ветра на 10 % способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Изменение структуры и скорости ветра под воздействием лесной полосы летом определяет воздействие на влажность воздуха и его температуру, а также испаряемость, а зимой на снегозадержание. Главной задачей сельского хозяйства всегда было и есть получение стабильных высоких урожаев сельскохозяйственных культур. В сухостепном Заволжье выполнение этой задачи возможно лишь на орошении под защитой лесных полос.
Важнейшую роль в орошаемом агроценозе играет использование фитоме-лиорантов в системе лесных полос, особенно бобовых трав, среди которых выделяется люцерна. Формирование фитомассы орошаемой люцерны под воздействием нормы высева и конструкций лесных полос в сухостепном Заволжье является актуальным направлением в исследованиях и проводится в аналогичных условиях впервые.
В ходе проведения наблюдений было установлено, что динамика нарастания площади листьев различается по вариантам опыта. Максимальная площадь листьев также была получена на варианте с нормой высева 14 кг/га и достигла 51,0-55,1 тыс. м2/га. Минимальное значение листовой поверхности агроценоза люцерны (37,7 тыс. м2/га) отмечается на варианте с нормой высева 16 кг/га.
Между накоплением сухого вещества и формированием листовой поверхности имеется прямая связь. По мнению А. Л. Ничипоровича (1967) площадь листьев 40-50 тыс. м2/га – оптимальная структура посева, так как именно этот размер листовой поверхности поглощает максимальное количество солнечной энергии. Развитие мощного фотосинтетического аппарата важно для люцерны, так как товарной продукцией являются листья и стебли. Если при норме высева 14 кг/га средний показатель максимальной площади листьев за годы исследований 49 тыс. м2/га, то при нормах высева 16 кг/га и 12 кг/га данный показатель снижается из-за уменьшения площади листьев на этих вариантах и составляет 43,3 и 43,8 тыс. м2/га соответственно.
При рассмотрении посева как фотосинтезирующей системы урожай сухой массы, создаваемый за вегетационный период, или его прирост за определенное время зависит от величины средней площади листьев, продолжительности вегетации и чистой продуктивности фотосинтеза. Динамика площади листьев в посеве подчиняется определенной закономерности. После появления всходов площадь листьев медленно повышается, затем темпы нарастания увеличиваются. К моменту прекращения образования боковых побегов и роста растений в высоту площадь листьев достигает максимальной за вегетацию величины, затем начинает постепенно снижаться в связи с пожелтением и отмиранием нижних листьев. Повысить эффективность использования солнечной энергии в ходе фотосинтеза можно, расположив растения на оптимальном расстоянии друг от друга, что достигается оптимальным количеством растений на 1 га, которое определяется нормой высева семян люцерны.
Фотосинтетический потенциал посева - это величина, характеризующая возможность использования посевами сельскохозяйственных культур солнечной радиации для фотосинтеза в течение вегетации. Рассчитывается умножением интегральной площади листовой поверхности растений (м2/га) на число дней периода активной работы листьев. Наибольшие показатели фотосинтетического потенциала люцерны отмечены на варианте с нормой высева 14 кг\га. Его среднее значение за 3 года исследований составило 0,45 млн. м2 сут/га, при норме высева 16 кг\га - 0,40 млн. м2 сут/га, 12 кг\га – 0,42 млн. м2 сут/га (табл. 44).
Продуктивность фотосинтеза - показатель, характеризующий количество общей сухой биомассы, образованной растениями в течение суток в расчете на 1 м2 листьев. Среднюю продуктивность работы листьев за весь период вегетации можно определить путем деления массы общего биологического урожая на показатель фотосинтетического потенциала. Эта величина является важной слагающей формирования урожаев и в течение вегетации. Данный показатель увеличивается в фазу отрастания и уменьшается в период наибольшего развития листовой поверхности. Наибольшее значение данного показателя отмечено на варианте с нормой высева 14 кг\га - 6,0 г\м2 сут., наименьшее -3,5 г\м2 сут., при норме высева - 16 кг\га (табл. 46). НСР05 для продуктивности: норма высева – 0,058 т/га; конструкция ЛП – 0,067 т/га; расстояние от ЛП – 0,049 т/га.
Установлено, что оптимальная норма высева люцерны независимо от конструкции лесных полос – 14 кг/га. Наибольшая продуктивность и фотосинтетический потенциал люцерны получены под влиянием лесных полос продуваемой конструкции, наименьшая – плотной. Формирование конструкции ЛП увеличивает продуктивность культуры на 12,2 – 19, 2 %, площадь листовой поверхности – 5,0 – 11,5 %, а фотосинтетический потенциал за сутки – 7,0 – 18,4 %. Максимал-ные значения продуктивности и фотосинтетической деятельности агроценоза люцерны получены в 1-й год пользования (1 год жизни люцерна была под покровом яровой пшеницы). На 2-ой и 3-ий годы пользования независимо от нормы высева люцерны и конструкции ЛП показатели фотосинтетического потенциала снижается: во 2-ой г. п. но относительно к 1-му г. п. до 10,5 %, в агроценозе 3-го г.п. – до 18,4 % (табл. 44).
На варианте с нормой высева 14 кг\га и продуваемой конструкцией лесной полосы создаются наиболее оптимальные условия для распределения листьев не вызывая затемнения нижнего яруса. Это приводит к развитию мощного фотосинтетического аппарата, что влияет на урожайность люцерны. При нормах высева 12 кг\га и 16 кг\га растения люцерны не реализуют свои потенциальные возможности как кормовой многоукосной культуры. Продуктивность люцерны под влиянием лесной полосы плотной конструкции, минимальная. Установлено, что оптимальная норма высева люцерны независимо от конструкции ЛП – 14 кг/га, за исключением 2-го укоса для ажурной ЛП, где наилучшей оказалась норма высева 16 кг/га, но с несущественной разницей в продуктивности, что подтверждается дис-сперсионным анализом (табл. 47). Наибольшая продуктивность люцерны с существенной разницей – под влиянием ЛП продуваемой конструкции, наименьшая – плотной ЛП. Максимальная продуктивность люцерны получена в 1-й год пользования, затем урожайность закономерно снижается (прилож. 17).