Агроэкологическая оценка земель в условиях повышенной пестроты почвенного покрова Владимирского Ополья

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Лаборатория агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

Агроэкологическая оценка земель в условиях повышенной пестроты почвенного покрова Владимирского Ополья - работа выполнена при частичной поддержке грантов Ведущей научной школы НШ-4266.2014.47, Рамочной Программы ЕС № 603542 и Правительства РФ № 11.G34.31.0079.

Морев Д.В.

Васенев И.И.

Аннотация

агроэкосистема урожайность почва

Проведена агроэкологическая оценка земель двух представительных полевых агроэкосистем Владимирской и Ярославской областей с повышенной пестротой серых лесных и дерново-подзолистых почв, с выявлением основных агроэкологических факторов, лимитирующих урожайность зерновых культур. Серые лесные почвы исследованы во Владимирском НИИСХ на пологом склоне западной экспозиции крутизной до 3°, с яровой пшеницей сорта «Сударыня». Дерново-подзолистые почвы изучались в АО «Дружба» Переславского района Ярославской области на двух супротивно расположенных склонах: северной экспозиции крутизной 1-3° и южной экспозиции крутизной 3-5° с озимой рожью сорта «Московская 12». На каждом поле были исследованы десять элементарных ключевых участков с анализом почв, учетом засоренности и биометрических показателей культур, включая определение биологической урожайности в четырёхкратной повторности на площадках 0,25 м2. Проведенные исследования показали значительное (более чем 2-кратное) внутрипольное варьирование урожайности исследованных зерновых культур в условиях обеих представительных агроэкосистем. В условиях более «богатой» агроэкосистемы с суглинистыми серыми лесными почвами основными лимитирующими факторами стали плотность сложения (R=0,72) и оглеение почв, количественно диагностируемое по мощности границы залегания второго гумусового горизонта (R=-0.52), отражающего внутрипочвенный микрорельеф. В относительно «бедных» легкосуглинистых дерново-подзолистых почвах лимитирующим фактором стало содержание подвижной формы калия (R=0,88), что качественно отличает эти почвы от рассмотренных ранее серых лесных почв и определяет приоритетные меры повышения их реального плодородия. Выявленные в результате закономерности повышенной пространственной дифференциации агроэкологического качества исследованных представительных агроэкосистем актуализируют задачи их системного анализа при агроэкологической оптимизации применяемых технологий для снижения основных экологических и экономических рисков сельскохозяйственного производства в условиях характерной для Центрального региона России повышенной пестроты почвенного покрова.

Ключевые слова: АГРОЭКОЛОГИЯ, АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ УРОЖАЙНОСТЬ, ВНУТРИПОЛЬНАЯ ПЕСТРОТА, СЕРЫЕ ЛЕСНЫЕ ПОЧВЫ, ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫЕ ПОЧВЫ, ЛИМИТИРУЮЩИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Введение

Одной из приоритетных задач современной агроэкологии и почвоведения является устойчивое, экологически безопасное и рентабельное повышение продуктивности агроэкосистем - за счет выявления и последующей минимизации негативного воздействия лимитирующих урожайность основных сельскохозяйственных культур агроэкологических факторов [1-5]. Актуализированная глобальными изменениями климата и принятой в России стратегии на импортозамещение продовольствия интенсификация земледелия, с использованием элементов прецизионного земледелия [6, 7], определяет необходимость агроэкологической оптимизации применяемых агротехнологий, с учетом внутрипольной организации почвенного покрова [8], комплексной агроэкологической оценки земель [9, 10].

Для Центрального региона России характерна повышенная региональная дифференциация и внутрипольная пестрота почвенного покрова, определяемые его относительной молодостью, литологическими неоднородностями и сложной историей голоценовой эволюции, природных и антропогенных сукцессий, применения различных систем и технологий земледелия - на фоне нередко завышенного размера агроэкологически неоднородных полей и рабочих участков [11-13]. Особый интерес представляют агроэкологические районы с интразональными структурами почвенного покрова, литолого-геоморфологические особенности которых определяют, с одной стороны, повышенное плодородие почв, с другой стороны - их повышенную неоднородность.

Классическим примером такого района является Владимирское Ополье, почвы которого характеризуются относительно высоким для таежно-лесной зоны России содержанием гумуса, обеспечивающего хорошую структуру и агрофизические параметры верхних почвенных горизонтов [14]. Благодаря высоким показателям плодородия и характерному для влажного состояния чёрному цвету пахотного горизонта эти почвы часто называли Владимирскими или Юрьевскими черноземами [15]. Традиционно, эти территории активно используются в интенсивном сельскохозяйственном производстве, однако структура почвенного покрова часто бывает серьезно осложнена процессами оглеения на фоне локального гидроморфизма даже в пределах одного поля [16]. Сложнейшее сочетание почвенно-агроэкологических условий обуславливает необходимость детального изучения внутрипольной пестроты почв и урожайности основных культур с анализом регулируемых лимитирующих агроэкологических факторов плодородия.

Цель нашей работы - агроэкологическая оценка и анализ лимитирующих факторов внутрипольной пестроты почвенного покрова и урожайности зерновых в условиях представительных полевых агроэкосистем Владимирского Ополья с серыми лесными дерново-подзолистыми почвами.

Объекты и методы

Полевые исследования проводили в двух представительных агроэкосистемах Владимирского Ополья, расположенных в Суздальском районе Владимирской области и Переславском районе Ярославской области (рис.1).

Рис. 1. Схема расположения исследуемых полевых агроэкосистем в мезорельефе на территории: 1а - Владимирского НИИСХ; 2b - АО «Дружба»

Первая из них расположена на территории Владимирского НИИСХ, недалеко от п. Новый, Суздальского района Владимирской области на пологом склоне западной экспозиции крутизной до 3°. Выращиваемая культура - яровая пшеница сорта «Сударыня». Здесь было заложено десять ключевых участков по направлению склона в четырехкратной повторности с шагом в 50 м. Почвенный покров представлен серыми лесными среднесуглинистыми почвами на лессовидных суглинках. Климат - умеренно-континентальный, сумма активных температур 1900-2000°, средняя годовая сумма осадков - 550-580 мм [17].

Вторая исследуемая полевая агроэкосистема расположена на территории хозяйства АО «Дружба», близ деревни Алексино Переславского района Ярославской области. Элементарные площадки размером 0,25 м2 были заложены в четырехкратной повторности на пяти ключевых участках для каждого из двух супротивно расположенных склонов увала с крутизной около 1-3° на северной экспозиции и 3-5° - на южной. Расстояние между ключевыми участками составляло по 30 м. Исследуемой сельскохозяйственной культурой на данном участке является озимая рожь сорта «Московская 12». Почва - дерново-слабоподзолистая легкосуглинистая на покровных суглинках окультуренная. Среднемноголетние показатели климата по сумме активных температур и среднегодовых осадков практически идентичны Суздальскому району Владимирской области [18].

На каждом ключевом участке проводилось бурение глубиной до 150 см с отбором образцов из каждого почвенного горизонта. В них определялось содержание гумуса по методу Тюрина в модификации ЦИНАО, подвижных форм фосфора и калия методами Кирсанова и Чирикова с фотометрическим окончанием, актуальная и обменная кислотность - потенциометрически [19], в верхних горизонтах - также плотность сложения почвы [20]. Температура пахотного горизонта и его объемная влажность - определялись с использованием портативных почвенных влагомера (Thetaprobe P 14 26) и термометра (Checktemp). Привязка на местности и определение высоты проводились с помощью системы точного позиционирования DGPS Stonex S9 [21].

На каждой элементарной площадке был произведен учет засоренности в баллах [20] и отобрана надземная биомасса растений. В дальнейшем, были произведены измерения сухой массы и длины стеблей отобранных растений, густоты стояния продуктивного стеблестоя, проведен учет средней длины колоса, количества зерна в колосе, массы тысячи зерен, а также биологическая урожайность для каждой площадки [22].

Результаты и обсуждение

Проведенные исследования основных показателей биологической продуктивности сельскохозяйственных культур в обеих исследуемых представительных агроэкосистемах показали их существенное внутрипольное варьирование (табл. 1).

Таблица 1. Основные показатели биологической продуктивности зерновых культур в исследуемых полевых агроэкосистемах

В агроэкосистеме с серыми лесными почвами, расположенной на пологом склоне западной экспозиции биологическая урожайность яровой пшеницы изменялась почти в 2,5 раза: в пределах 15,5-37,8 ц/га. Основной тренд к снижению четко прослеживается вниз по склону. Другим лимитирующим агроэкологическим фактором является микрорельеф. Большая часть площадок с минимальной биологической урожайностью приходится на локальные понижения и микрозападины. Масса надземной части растений, в большей степени, определяется густотой стояния продуктивного стеблестоя (R=0,74).

В агроэкосистеме с дерново-подзолистыми почвами, расположенной на супротивных склонах увала, разброс биологической урожайности также был в 2,4 раза: 19,2 - 46 ц/га, причем, на пологом склоне северной экспозиции она оказалась, в среднем в 1,7 раза выше, чем на крутом склоне южной, который имеет более высокий средний балл засоренности.

Рожь на пологом склоне увала имеет, в среднем, на 10% большую высоту стеблестоя - по сравнению с той, что растет на более крутом. Аналогичные соотношения наблюдаются в показателях длины колоса и выполненности зерна. Таким образом, и в данном случае одним из лимитирующих урожайность экологических факторов выступает мезорельеф.

Другим важным фактором существенной пространственной дифференциации биологической продуктивности изучаемых являются почвы с их зональной, интразональной и внутрипольной изменчивостью морфогенетических и агроэкологических показателей (табл. 2).

Серые лесные среднесуглинистые почвы исследуемой полевой агроэкосистемы Владимирского НИИСХ имеют значительно более мощный гумусово-аккумулятивный горизонт и более высокое содержание органического вещества - по сравнению с дерново-подзолистыми почвами. Их характерной особенностью является повышенное содержание подвижных форм не только фосфора, но и калия (пятый - шестой класс обеспеченности), достаточное для выращивания не только яровых зерновых, но и овощных культур.

Такие высокие показатели содержания подвижных форм этих элементов связаны с особенностями минералогического состава почв [23]. Обменная кислотность пахотного горизонта изменяется от среднекислой до близкой к нейтральным и существенного влияния на биологическую урожайность не оказывает.

Таблица 2. Основные агроэкологические показатели пахотных горизонтов почв исследуемых полевых агроэкосистем

На этом фоне плотность сложения пахотного горизонта варьирует в значительных пределах: 1,06-1,38 г/см3 - и, диагностируя локальные процессы оглеения, является доминирующим лимитирующим агроэкологическим фактором формирования биологической урожайности яровой пшеницы (R=0,72 - рис. 2а). Преимущественно дерново-слабоподзолистые легкосуглинистые окультуренные почвы, исследуемые в АО «Дружба», характеризуются более низким, чем серые лесные, но достаточно высоким потенциальным плодородием и имеют повышенные для этого типа почв агроэкологические показатели.

2а 2b

Рис. 2. Графики зависимости биологической урожайности исследуемых культур от лимитирующих агроэкологических факторов: 2а - пшеницы на серых лесных почвах от плотности сложения; 2b - ржи на дерново-подзолистых почвах от содержания подвижного калия.

Почвы исследуемых склоновых участков имеют близкую к нейтральной обменную и актуальную кислотность пахотного горизонта, повышенное содержание гумуса и подвижных форм фосфора. Четвертый, а на некоторых участках - пятый класс обеспеченности фосфором достаточен для выращивания озимых зерновых.

На этом фоне характерное для почв легкого гранулометрического состава низкое содержание подвижного калия становится лимитирующим урожайность ржи агроэкологическим фактором (R=0,88 - рис. 2b), т.к. оно соответствует только второму классу обеспеченности, что недостаточно для выращивания озимой ржи. Отдельно следует отметить, что пространственная неоднородность проявляется и в сильных различиях плотности почвы (1,19-1,70 г/см3), но на фоне сильно выраженного дефицита калия характерная для опесчаненных горизонтов почв повышенная плотность сложения коррелирует с ареалами калийного дефицита.

Таким образом, исследуемые представительные полевые агроэкосистемы традиционных опытных полей научного (Владимирский НИИСХ) и учебного (АО «Дружба») хозяйств с серыми лесными и дерново-подзолистыми почвами достаточно сильно отличаются не только на внутрирегиональном уровне в рамках Ополья, но и в пределах исследуемых полей, что обусловлено морфогенетическими и агроэкологическими особенностями почв, определяемыми их гранулометрическим, минералогическим составом и положением в современном и палео-рельефе.

Выводы

Проведенные исследования показали значительное (более чем 2-кратное) внутрипольное варьирование урожайности исследованных зерновых культур в условиях представительных для Владимирского Ополья агроэкосистем с серыми лесными и дерново-подзолистыми почвами, обусловленное их морфогенетическими и агроэкологическими особенностями, определяемыми гранулометрическим, минералогическим составом и положением в современном и палео-рельефе.

В условиях более «богатой» агроэкосистемы с суглинистыми серыми лесными почвами основными лимитирующими факторами стали плотность сложения (R=0,72) и оглеение почв, количественно диагностируемое по отрицательной корреляции (R=-0.52) урожайности пшеницы с мощностью гумусово-аккумулятивного горизонта - нижней границей залегания второго гумусового горизонта, отражающего внутрипочвенный микрорельеф.

В относительно более «бедных» исследованных легкосуглинистых дерново-подзолистых почвах лимитирующим фактором плодородия стало содержание подвижной формы калия (R=0,88). На фоне сильно выраженного дефицита калия характерная для опесчаненных горизонтов почв повышенная плотность сложения (до 1,70 г/см3) хорошо коррелирует с ареалами калийного дефицита и не выделяется в качестве основного лимитирующего фактора.

Отдельного внимания заслуживают организационно-технологические факторы фитосанитарного состояния посевов и, прежде всего, засоренность полей. На каждый 1 балл засоренности, в среднем, приходится снижение урожайности почти на 10 ц/га озимой ржи и до 5 ц/га яровой пшеницы, выращиваемых на исследуемых участках.

Выявленные закономерности повышенной пространственной дифференциации агроэкологического качества исследованных представительных агроэкосистем актуализируют задачи их системного анализа при агроэкологической оптимизации применяемых технологий - для снижения основных экологических и экономических рисков сельскохозяйственного производства в условиях характерной для Центрального региона России повышенной агроэкологической пестроты почвенного покрова.

Список использованных источников

Агроэкология: Методология, экономика, технология / Ред. Черников В.А., Чекерес А.И. - М.: КолосС. - 2004. - 400 с.

Schulp C.J.E., Verburg P.H.: Effect of land use history and site factors on spatial variation of soil organic carbon across a physiographic region // Agriculture, Ecosystems and Environment. - 2009. - V. 133: - P. 86-97.

Васенев И.И., Бузылёв А.В., Курбатова Ю.А., Руднев Н.И., Тиунов А.И., Чистотин М.В. Агроэкологическое моделирование и проектирование. - М.: РГАУ-МСХА, 2010. - 260 с.

Vasenev I.I., Vasenev V.I., Valentini R. Agroecological issues of soil carbon pools and GHG fluxes analysis in frame of regional ecological monitoring system RusFluxNet // Агроэкология. - 2014. - № 1. - С. 8-12.

Vasenev I.I. Soil and land-use planning // Task Force: Soil Matters - Solutions under Foots / S. Nortcliff edit. - Catena Verlag: GeoEcology Essays. - 2015. - P. 100-104.

Васенёва Э.Г., Васенёв И.И., Щербаков А.П., Шнуг Э., Ханеклаус С. Внутрипольная пестрота почвенного покрова и урожайности в центре черноземной зоны России // Антропогенная эволюция черноземов» / Ред. Щербаков А.П., Васенёв И.И. - Воронеж: ВГУ, 2000. - С. 330-362.

Васенев И.И., Васенева Э.Г. Информационно-методическое обеспечение прецизионных систем земледелия в черноземной зоне // Информационно-справочные системы по оптимизации землепользования в условиях ЦЧЗ / Ред. Васенёв И.И., Черкасов Г.Н. - Курск. 2002. - С. 91-102.

Васенев И.И., Васенева Э.Г. Перспективы использования цифровых почвенных карт и специализированных систем поддержки принятия решений для агроэкологической оптимизации земледелия в условиях Центрально-Черноземного региона России // Цифровая почвенная картография: теоретические и экспериментальные исследования. М., 2012. С. 155-176.

Методика агроэкологической типизации земель в агроландшафте / Ред. Васенёв И.И. - М.: Россельхозакадемия, 2004. - 80 с.

Васенев И.И., Бузылёв А.В. Автоматизированные системы агроэкологической оценки земель. - М.: РГАУ-МСХА, 2010. - 174 с.

Васенёв И.И. Анализ средневременной динамики черноземов антропогенно измененных лесостепных экосистем. - Курск: ЦНТИ. 2003. - 120 с.

Васенев И.И. Почвенные сукцессии. - М.: ЛКИ. - 2008. - 400 с.

Агроэкологическая оценка земель и оптимизация землепользования / Черногоров А.Л., Чекмарев П.А., Васенев И.И., Гогмачадзе Г.Д. - М.: Издательство МГУ. - 2012. - 268 с.

Morev D.V., Vasenev I.I., Mazirov I.M., Sherbakova S.V. Organic spring wheat yield and land agroecological quality assessment in conditions of high soil cover variability at the Vladimirskoe Opolje // Congress materials. 7th Congress of the European Society for Soil Conservation "Agroecological assessment and functional-environmental optimization of soils and terrestrial ecosystems". M. 2015. С. 100 - 103.

Докучаев В.В. О так называемом Юрьевском чернозёме // Тр. С-Петербургского общества естествоиспытателей, Серия. 15. - 1884. № 2. - С. 48-77.

Шеин Е.В., Иванов А.Л., Бутылкина М.А., Мазиров М.А. Пространственно-временная изменчивость агрономических свойств комплекса серых лесных почв в условиях интенсивного сельского хозяйства // Почвоведение, 2001. № 5. - С. 578-584.

Агроклиматические ресурсы Владимирской области. - М.: Гидрометеоиздат, 1968. - 145 с.

Добровольский Г.В., Урусевская И.С. География почв. М.: МГУ. 2004. - 400 с.

Кидин В.В., Дерюгин И.П., Кобзаренко В.И. Практикум по агрохимии. - М.: КолосС, 2008. - 599 с.

Баздырев Г.И., Туликов А.М., Сафонов А.Ф. Земледелие. Практикум. - М.: Инфра-М, 2015. - 424 с.

Васенев И. И., Мешалкина Ю.Л., Грачев Д.А. Геоинформационные системы в почвоведении и экологии. - М.: РГАУ-МСХА, 2010. - 189 с.

Посыпанов Г.С. Растениеводство. Практикум. М.: НИЦ ИНФРА-М, 2015. 255 с.

Поветкина Н.Л. Состояние и резервы калия и фосфора в серых лесных почвах Владимирского ополья Ярославской области: Автореф. дис. канд. биол. наук. - М.: РГАУ-МСХА, 2008. - 20 с.

Размещено на Allbest.ru