Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы
2. Природно-экологические условия
2.1. Климатические условия
2.2. Почвенные условия
2.3. Растительный покров
3. Цель, задачи и методика проведения исследований
4. Агрофизические свойства почвы
4.1. Структурно-агрегатный состав
4.2. Объемная масса и сложение почвы
4.3. Водопрочность и водопроницаемость Выводы
5. Проявление эрозионных процессов
5.1. Влияние природных факторов на величину эрозии
5.2. Влияние антропогенных факторов на величину эрозии
5.3. Математический анализ данных по смыву
5.4. Определение эрозионных потерь расчетным методом Выводы
6. Состояние пастбищного травостоя
6.1. Ботанический состав травостоя
6.2. Плотность травостоя и проективное покрытие 91
6.3. Корневая система 95 Выводы 100
7. Урожайность и качество корма 102
7.1. Продуктивность угодий 102
7.2. Питательная ценность корма 104
7.3. Энергетическая оценка корма 108
7.4. Сбор питательных веществ и энергии 110
Выводы 114
Общие выводы 115
Предложения производству 119
Список использованной литературы
- Почвенные условия
- Объемная масса и сложение почвы
- Влияние антропогенных факторов на величину эрозии
- Плотность травостоя и проективное покрытие
Введение к работе
Актуальность проблемы. Исторически сложившиеся традиции, природно-климатические условия и ряд экономических причин обусловили исключительно важное значение лугопастбищного хозяйства для агропроиз-водства горных районов Северного Кавказа. Природные сенокосы и пастбища, представленные здесь в основном субальпийскими и альпийскими лугами, занимают площадь более 1,6 млн. га, что составляет около 60% площади всех сельскохозяйственных угодий.
Эти территории имеют огромный, недостаточно полно используемый потенциал. Его реализация позволит существенно укрепить кормовую базу для животноводства, а также высвободить значительные площади пахотных земель из-под кормовых культур под зерновые, технические и овощные.
Однако существующая в настоящее время технология производства пастбищных кормов основывается в основном на бессистемном использовании кормовых угодий, что в сочетании с отсутствием элементарных мелиоративных мероприятий по уходу за травостоями ведет к катастрофическому снижению их продуктивности, а нередко и к полной деградации.
В силу наличия уклонов, сложности рельефа, маломощности и невысокой противоэрозионной устойчивости почвенного покрова, частого выпадения осадков ливневого характера, частичного или полного отсутствия почвозащитных мелиоративных мероприятий и ряда других причин в горных лу-гопастбищных агроэкосистемах имеет место прогрессирующее развитие эрозионных процессов.
На современном этапе процессы эрозии изучены достаточно хорошо, но в основном эти работы проводились на пахотных землях равнинных территорий. Глубоких исследований по эрозии и деградации природных кормовых угодий недостаточно, особенно это касается горных областей, характеризующихся специфичностью, индивидуальностью и многообразием природно-климатических, экологических и организационно-хозяйственных условий.
В этой связи существует объективная необходимость разработки эффективных противоэрозионных мероприятий на всех типах сельскохозяйственных угодий, в том числе на пастбищах горной зоны. Для поддержания высокой продуктивности травостоев горных пастбищ в течение длительного периода времени первостепенное значение имеет их рациональное использование, основой чего является нормированный выпас скота.
Поэтому изучение условий формирования и разработка практических методов сокращения и предотвращения эрозионных процессов на естественных горных кормовых угодьях является актуальной задачей науки и производства.
Цель и задачи исследований. Целью наших исследований являлось изучение различных по интенсивности режимов использования пастбищ на проявление эрозионных процессов, состояние почвенного покрова и продуктивность лугопастбищных фитоценозов субальпийского пояса Северного Кавказа.
В программу исследований входили следующие задачи:
— изучить изменения агрофизических свойств почвы под влиянием выпаса;
— установить влияние режима выпаса на интенсивность эрозионных процессов в зависимости от крутизны склона и количества осадков;
— выявить изменения флористического состава и продуктивности пастбищных фитоценозов под влиянием различной интенсивности выпаса; - дать экологическую и энергетическую оценку различных режимов
использования горных пастбищ;
- рекомендовать производству оптимальные с экологической и хозяйствен ной точки зрения режимы выпаса с дифференциацией их по агроландшафтам с различными морфологическими признаками и экологическим состоянием.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые в условиях субальпийского пояса РСО-Алания:
- дана комплексная оценка различных режимов выпаса.
- расчитаны уравнения регрессии зависимости стока и смыва от природных и антропогенных факторов эрозии.
- установлены коэффициенты детерминации изученных факторов в общем варьировании эрозионных потерь.
- установлены параметры изменений агрофизических свойств почвы от интенсивности антропогенного воздействия.
- определена динамика изменчивости фитоценозов в зависимости от интенсивности выпаса.
- выявлены закономерности изменения продуктивности угодий при различных режимах использования.
Исследования являются составной частью тематического плана научно-исследовательских работ Горского Государственного аграрного университета, номер Госрегистрации 01.09.80003166.
На защиту выносятся следующие положения: 1. Влияние режимов выпаса на агрофизические свойства горно-луговых субальпийских почв. 2. Природные и антропогенные условия формирования поверхностного стока и смыва почвы.
3. Количественные и качественные изменения в луговых фитоценозах при различной антропогенной нагрузке на пастбищную экосистему.
4. Экологическая и энергетическая оценка различных по интенсивности режимов выпаса.
Практическая значимость и реализация результатов. Материалы исследований использованы при составлении рекомендаций по рациональной эксплуатации горных пастбищных угодий.
Разработаны оптимальные уровни нагрузки на пастбища с дифференциацией по эколого-мелиоративному состоянию угодий. Внедрение разработанных рекомендаций в государственных и частных сельскохозяйственных предприятиях позволило снизить интенсивность эрозионных процессов до экологически допустимого уровня, повысить урожайность угодий на 15-20%, улучшить качество стравливаемой овцами массы травостоя, а также увеличить емкость пастбищ в среднем на 25-30%.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на региональных и республиканских научно-практических конференциях Северо-Кавказского НИИГПСХ и Горского ГАУ (1998-2002 гг.); на III Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий» (21-26 сентября 1998 г.); на IV Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы сотрудничества и региональной политики горных районов» (23-26 сентября 2001 г.); на Международной научно-практической конференции «Растительные ресурсы и биотехнология в агропромышленном комплексе» (1998 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Горные и склоновые земли России. Пути предотвращения деградации и восстановления их плодородия» (20-25 апреля 1998 г.).
По материалам диссертации опубликовано 9 работ, поданы 2 заявки на изобретение.
Личный вклад автора. Автором совместно с научными руководителями разработана программа исследований и схема эксперимента, самостоятельно проведена закладка опытов, отбор почвенных и растительных проб, их анализ. Более 80% данных получены самим автором, часть данных имеет соавторство с сотрудниками лаборатории горного луговодства СКНИИГПСХ и кафедры общего и мелиоративного земледелия ГГАУ. Соискатель выражает глубокую благодарность всем работникам оказавшим научную, методическую и практическую помощь в осуществлении исследований и написании настоящей работы.
Место и годы проведения опытов. Работа выполнялась в соответствие с планом аспирантской работы с 1998 по 2000 г. Полевые исследования проводились в субальпийском поясе Даргавской котловины на горном стационаре СКНИИГПСХ.
Экспериментальные исследования автора по диссертационной работе проведены с использованием современных методических и аналитических методов, полученные данные обработаны статистически с использованием компьютера (с помощью электронных таблиц Microsoft Excel) и достоверны по существу.
Почвенные условия
Республика Северная Осетия-Алания расположена на северном склоне Центрального Кавказа и прилегающих к нему предгорных наклонных равнинах, а также на Терско-Кумской равнине в пределах Моздокского административного района.
Территория РСО-Алания располагается между 4238/ и 43507 с.ш., 4325/ и 4557; в.д. Наибольшая протяженность республики с севера на юг составляет 130 км, с запада на восток 122 км. Несмотря на незначительные раз-меры территории (площадь 7,98 тыс.км ), перепад абсолютных высот местности колеблется в пределах от ПО до 5047 м над уровнем моря. По мере продвижения с севера на юг и роста абсолютных высот местности степные ландшафты сменяются лесостепными, на передовых хребтах лесными, в высокогорье - лугово-степными и луговыми, на высотах более 3700 м н.у.м. — снежниками и вечными ледниками. Это создает четко выраженную вертикальную зональность природных условий на территории республики (35, 39, 80).
Горная часть территории РСО-Алания расположена на северных склонах Главного Кавказского хребта и Казбекского массива. Центральное положение в системе Большого Кавказа занимает Водораздельный, или Главный Кавказский хребет - самый южный, с высотами 4500-5200 м н.у.м. Севернее, параллельно ему, проходит другой высокий хребет, который на западе называется Передовым, а к востоку от Эльбруса - Боковым. В восточной части он даже превышает Водораздельный хребет. Передовой и Боковой хребты отделены от Главного системой узких продольных впадин. К востоку от реки Ар-дон Главный хребет переходит в Боковой, к северу от которого находится Скалистый хребет и кряжи Черных гор. Для сельскохозяйственной характеристики территории важнейшее значение имеет климат, т.е. многолетний режим погоды, который обусловлен притоком солнечной радиации, характером земной поверхности и циркуля-циями масс атмосферного воздуха. Климат оказывает решающее воздействие на почвообразовательный процесс, формирование растительности и эффективность хозяйственной деятельности человека.
Благодаря расположению в низких широтах, Северный Кавказ получает много солнечного тепла в течении всего года. Годовая суммарная радиа-ция составляет 120-130 ккал на 1 см земной поверхности, что почти на 50% больше, чем в центральных районах России (68). Таким образом, Центральное Предкавказье является регионом, благоприятным в аграрном отношении (6).
Известно, что атмосферное давление падает по мере поднятия в горы через каждые 11-12 м на 1 мм рт.ст. (6, 9). С подъемом в горы на каждые 200 м температура воздуха снижается в среднем на 0,5С. В зависимости от времени года и суток, высоты местности, экспозиции склона и других факторов эта величина может колебаться от 0,1 до 0,8С и более (8). Для сравнения отметим, что в равнинных условиях падение температуры на 1С наблюдается при движении от экватора к полюсу на каждые 2 широты, т.е. примерно через 20Q км (27).
Однако в некоторых случаях в горах с увеличением абсолютных высот может наблюдаться не понижение, а наоборот - повышение температуры. Это явление называется инверсией. Оно наблюдается вследствие излучения тепла с поверхности земли в свободной атмосфере, «стекания» холодного воздуха в отрицательные формы рельефа или подтока теплых воздушных масс. Инверсия довольно часто встречается во всех горных системах, но может иметь совершенно разные причины возникновения и различную степень проявления (68,27).
На формирование климата заметное влияние оказывают экспозиция и крутизна склона. Как правило, более теплые и сухие - южные склоны, более холодные и влажные - северные. Восточные и западные склоны занимают промежуточное положение.
Таким образом, климат в горных областях определяется сложным взаимодействием трех основных факторов - широтных, склоновых и высот-но-поясных.
Наши исследования проводились в Даргавской котловине, отделяющей Главный и Суганский Хребты от Скалистого. Даргавская котловина расположена в координатах 4251 с.ш. и 4426/ в.д. в шестом агроклиматический районе, характеризующимся гористым рельефом, сильно пересеченным спускающимися с гор притоками р.Терек. Высота хребтов в пределах района достигает 1500 м н.у.м. и более. Разница высот, судя по урезу реки Гизельдон в котловине 168 м на расстоянии 9 км.
Район прохладный, достаточно увлажненный, с ГТК 1,4-3,2. Сумма температур за вегетационный период колеблется в пределах 2400-2500С.
Зима в районе наступает в конце ноября - начале декабря. Средняя месячная температура января -3...4С. Абсолютный минимум температуры воздуха может понижаться до -28С.
Снежный покров в среднем появляется во второй-третьей декадах ноября. В третьей декаде ноября происходит образование устойчивого снежного покрова. В течении зимы довольно часто наблюдаются оттепели. За пери-од с декабря по февраль их насчитывается около 65 дней. Значительное число дней с оттепелью способствует частому разрушению снежного покрова и сказывается на накоплении его высоты. В результате этого в 45% зим снежный покров неустойчив, а наибольшая из максимальных высот снежного покрова не превышает 20 см.
Во второй декаде февраля происходит разрушение устойчивого снежного покрова, а окончательный его сход приходится на конец марта. Со снежным покровом в году насчитывается около 70 дней.
Объемная масса и сложение почвы
Стравливание проводилось имитационным методом. Выпас имитировался путем скашивания растительной массы, при достижении ею высоты 15-20 см, с последующим прикатыванием поверхности имитационным катком весом 40 кг (средний вес овцы).
Изучение эрозионных процессов проводили в модельных опытах. Полевой модельный опыт представляет собой особую форму научно-исследовательской работы в агрономии. Его важнейшее преимущество состоит в высокой информативности. Моделирование позволяет изучить определенное множество факторов, варьируя при этом их напряженность в нужных для экспериментатора градациях. Нет необходимости ждать возникновения определенных условий в природной среде, можно и нужно самому воссоздавать их. Модельный опыт позволяет в значительной степени исключить сезонность проведения научных работ и повторять наблюдения необходимое количество раз. Таким образом, мы имеем дело с активным экспериментом, а при правильно выбранном виде анализа и его структуре можно существенно расширить объем научных материалов.
На вариантах трижды за вегетацию отбирались почвенные монолиты и размещались в гидролотках размером 100x40x10 см. Для моделирования крутизны склона гидролотки устанавливали под различным углом наклона: 7, 14,21 и 28.
Для изучения эрозионных процессов на лотки подавался искусственный дождь. Принципиальная схема имитации дождя аналогична применяемым в производстве системам дождевания. Дождевание осуществляли ранцевым опрыскивателем. Интенсивность дождя регулировалась количеством загружаемой воды и временем его подачи на изучаемую поверхность. На гидролотки подавалось количество воды из расчёта 10, 20 и 30 мм осадков с интенсивностью, соответствующей ливневому характеру. Дождевание осуществлялось с высоты в 1 м через специальную насадку модели Г.И.Швебса (195), способствующую капельному распределению воды на всю площадь гидролотка.
Согласно методике П.Ф.Горбачёва (52) создаваемый нами дождь характеризуется как горный ливень сила его оценивается в 35 баллов. Расчет произведён по формуле:
A=iV7; где: Д - сила дождя; і - интенсивность дождя, мм/мин; t - продолжительность дождя, мин. Образующаяся в процессе дождевания стекающая масса попадала в приемник гидролотка, откуда извлекалась и термостатно-весовым методом определялась величина стока и смыва с последующим пересчетом на 1 га. Полученные результаты подвергались математической обработке для выявления зависимостей эрозионных потерь от изучаемых факторов.
В ходе экспериментальной работы проводились следующие учеты, наблюдения и анализы: 1. Структурно-агрегатный состав и водопрочность почвенных агрегатов устанавливали методом «сухого» и «мокрого» просеивания на ситах с различным диаметром отверстий по Н.И.Саввинову; 2. Объемная масса определялась термостатно-весовым методом в образце почвы с ненарушенным сложением; 3. Сложение почвы, определяли расчетным методом после насыщения влагой патронов с почвой; 4. Водопроницаемость почвы определяли методом заливных площадок; 5. Сток и смыв почвы определяли методом моделирования; 6. Флористический состав определяли методом разбора растительного образца на хозяйственно-ботанические группы (злаки, бобовые, разнотравье); 7. Корневая система определялась методом промывания почвенного образца известного объема по горизонтам 0-5, 5-10, 10-15, 15-20 см; 8. Плотность травостоя определяли путем подсчета побегов на стационарных площадках; 9. Проективное покрытие устанавливали по шаблону сеточки Л.Г. Раменско-го; 10.Учет урожая определяли сплошным методом. Продуктивность на вариантах складывалась из массы травы пошедшей на отчуждение имитационным методом и отавной массы; 11.Химический состав травостоя: протеин - по Кьельдалю, фосфор и калий — по Левицкому, клетчатка - по Геннебергу и Штоману, жир - методом Со-кслета, БЭВ - расчетным методом. 12.Химический состав смыва: общий азот- по Кьельдалю, обменный фосфор и калий — по Чирикову. 13.Химический анализ стока проводили по утвержденным методикам Государственного комитета по охране окружающей среды. 14. Энергетическая оценка корма проводилась по методике Григорьева Н.Г. и ДР. (1989); Полученные результаты подвергались математической обработке по Б.А.Доспехову, с использованием компьютера (при помощи электронных таблиц Microsoft Excel).
Влияние антропогенных факторов на величину эрозии
В практике земледелия важной агротехнической характеристикой почвы является показатель объемной массы, т.е. массы единицы объема абсолютно сухой почвы в ее естественном сложении или ненарушенном состоянии. Для минеральных почв этот показатель колеблется в пределах 0,8-1,8 г/см3 (7). Он дает определенное представление о сложении почвенного профиля, его значение зависит от различных факторов, среди которых основными являются гранулометрический состав, содержание гумуса и органического материала, структурно-агрегатный состав.
Известно, что объемная масса или средняя плотность почвы достаточно динамична и во многом зависит от антропогенного воздействия. При механическом давлении на почву движителями сельскохозяйственной техники или копытами животных происходит увеличение объемной массы, что негативно сказывается на водно-воздушном режиме почвы. В процессе уплотнения почвенного профиля уменьшается общий объем пор и их размер, сокращается содержание доступной для растений влаги, ухудшаются аэрация и условия роста корневых волосков, снижается инфильтрационная способность. Все это в совокупности ведет к снижению плодородия почв и активизации эрозионных процессов.
Проведенные нами исследования свидетельствуют, что объемная масса почвы является показателем динамичным и достоверно зависит от интенсивности механического воздействия на поверхность почвенного покрова (рис.4). Как видно из рисунка, на контрольном варианте существенных изменений объемной массы почвы за годы исследований не наблюдалось. Колебания были временные, связанные с периодом вегетации растений и зимним уплотнением почвы. За три года исследований объемная масса на контрольном варианте варьировала в пределах 1,18-1,23 г/см3 и достоверно не отличалась от уровня исходного (до закладки опыта) значения - 1,22 г/см3.
Вариант с однократным отчуждением, но максимальным количеством выпасаемых животных (1/15) характеризовался увеличением объемной массы почвы после выпаса до 1,27 г/см3. Далее процесс уплотнения тормозится и. в результате активизации действия подземных органов отавирующих растений, переходит в процесс разуплотнения. Значение объемной массы снижается до 1,24 г/см3. Однако в динамике за три года исследований, ввиду повышенной нагрузки, объемная масса почвы увеличивалась до 1,31 г/см во второй год и до 1,32 г/см в третий. Но к концу вегетационного периода, вследствие процессов разуплотнения, она стабильно уменьшалась до приемлемого уровня.
На варианте с двукратным стравливанием (2/15) почвенный покров не успевал восстанавливаться в полной мере. После первого отчуждения почва уплотнялась до 1,27 г/см3 и до 1,30 г/см3 после второго. Во второй год объемная масса почвы возросла до 1,35 г/см3 ,а в третий год до 1,41 г/см3. Полученные данные свидетельствуют, что на анализируемом варианте процессы разуплотнения почвы за счет растительности не компенсируют изменений, вызванных выпасом. В этой связи возникает необходимость проведения мелиоративных агроприемов или прекращения стравливания на определенный срок времени.
Вариант с максимальной нагрузкой и трехкратным отчуждением (3/15) характеризовался следующими цифрами. За первый год исследований объемная масса почвы увеличивалась с 1,26 г/см3 после первого отчуждения до 1,30 и до 1,33 г/см после двух следующих. Во второй год исследований объемная масса почвы увеличилась до 1,36-1,41 г/см . Заключительный год ха-растеризовался уплотнением с 1,42 до 1,50 г/см . Полученные размеры и темпы увеличения объемной массы следует признать катастрофическими. В почве протекают необратимые деградационные процессы. В этой связи следует сделать вывод о неприемлемости использования режима выпаса 3/15 на горно-луговых субальпийских почвах.
Для характеристики водно-воздушного режима почв, наряду с объемной массой, важным агрономическим показателем является сложение почвенного профиля, т.е. соотношение объемов твердой фазы почвы и различных видов пор. Оно определяется взаимным расположением почвенных комков, частиц и агрегатов и зависит от гранулометрического состава, структурности, а также от развития корневых систем растений и деятельности почвенной фауны.
Наиболее оптимальные условия для роста растений складываются в почве, где около половины объема приходится на поры. Вместе с тем, для оценки условий развития корневой системы растений и почвенной биоты большое значение имеет качественный состав пор. В оптимально увлажненной почве межагрегатные пространства, носящие некапиллярный характер, заполнены воздухом, а влага занимает наиболее тонкие капиллярные поры, размещающиеся внутри почвенных агрегатов. Соотношение капиллярных и некапиллярных пор определяет водопроницаемость, влагоемкость, испаряемость, аэрацию, что в свою очередь оказывает влияние на водно-воздушный режим и биологическую активность почвы.
Плотность травостоя и проективное покрытие
На кормовых угодьях оценка любого приема должна сопровождаться наблюдением за состоянием травостоя. Характеристику фитоценоза можно проводить как по качественным (ботанический состав, поедаемость, кормовая ценность и т.д.), так и по количественным показателям. Количественные параметры оценивают степень или мощность развития растительной массы.
Развитие надземной части растительности пастбища, в первую очередь, характеризуется урожаем зеленой массы. Однако в луговодстве существует еще и специальные показатели, среди которых плотность травостоя и проективное покрытие.
Плотность травостоя, т.е. количество развитых растительных побегов на единице площади, является показателем динамичным. По оценкам специалистов он зависит от почвенных и погодных условий, а также от механического воздействия на растения в результате сенокошения или выпаса (11, 68, 84, 102, 119, 134, 154). В этой связи, мы провели наблюдения за плотностью травостоя с целью установления его зависимости от режима выпаса (рис. 14).
Из рисунка видно, что вследствие выпаса плотность травостоя достоверно снижается. Так, даже на варианте 1/5 указанный показатель уменьшил-ся в сравнении с контролем на 64 шт/м , т.е. на величину превосходящую НСРо5 (55,0 шт/м2).
Дальнейшая интенсификация выпаса еще больше подавляет регенера-ционную способность травостоя. При самом напряженном выпасе в среднем за три года исследований плотность побегов составила 1854 шт/м . Это меньше, чем на контроле, на 551 шт/м" или на 22,9%.
Для более глубокого анализа нами были рассмотрены изменения плотности травостоя в динамике. При этом для нивелирования действия погодных условий года мы перешли к относительному выражению (табл. 13).
Из данных таблицы видно, что на вариантах с малой интенсивностью выпаса (1/5, 1/10) плотность травостоя в первый год достоверно уменьшается, но потом стабилизируется на постоянном уровне (отмечаемые изменения не выходят за пределы допустимых отклонений).
Дальнейшая интенсификация использования травостоя приводит к прогрессирующему сокращению его плотности. Так, на варианте 1/15 в первый год наблюдений плотность побегов снизилась на 7,7%, во второй - на 0,9%, в третий - на 3,3%. На варианте 2/15 эти цифры соответственно составили 12,3; 3,2 и 3,3%, а на варианте 3/15-9,1; 3,5 и 5,2%. Минимальные сокращения плотности травостоя отмечены во второй год наблюдений. Это обусловлено тем, что в 1999 г. были наиболее благоприятные условия увлажнения, в связи с чем наблюдалось активное развитие растительности и хорошая ее отавность.
Другой важной характеристикой травостоя является проективное покрытие, показывающее какая часть поверхности почвы прикрыта надземной растительной массой. Проективное покрытие непосредственно влияет на величину эрозии. Растительность своей надземной массой оберегает поверхность почвы от прямого попадания на землю дождевой капли, существенно снижая ее кинетическую энергию и предотвращая тем самым почвенный всплеск. Кроме того, надземная часть растений удерживает до 10% и более массы осадков, не допуская их участия в формировании поверхностного сто ка. Вместе с тем почва, прикрытая растительностью от прямого солнечного луча, тратит значительно меньше продуктивной влаги на физическое испарение.
