Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Оптимизация экологического состояния и функционирования базовых компонентов черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки

Специальность: 03.02.08 - экология (биология)

Высоцкая Елена Анатольевна

Москва - 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный педагогический университет"

Научный консультант: Доктор биологических наук, профессор

ФГБОУ ВПО "Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева" Васенев Иван Иванович

Официальные оппоненты: Аканова Наталья Ивановна

доктор биологических наук, профессор,

главный научный сотрудник ГНУ

"Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им.Д.Н. Прянищникова"

Гогмачадзе Гулади Джемалович

доктор биологических наук, профессор,

Генеральный директор ФГУП

"Всероссийский научно-исследовательский институт Агроэкоинформ"

Добрынин Николай Дмитриевич

доктор биологических наук, профессор,

профессор кафедры ботаники, защиты растений, биохимии и микробиологии ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный аграрный университет им. императора Петра I"

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО "Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова"

Защита состоится 25 декабря 2013 года в 14 час.30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д.15 (тел. /факс: 8 (499) 976-24-92, E-mail: dissovet@timacad.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан "____" ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета О.В. Селицкая

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из основных проблем современной экологии является антропогенная деградация базовых компонентов агроэкосистем в условиях повышенной агрогенной и техногенной нагрузки ("Агроэкология", 2000; 2004). "Устойчивое развитие России, высокое качество жизни и здоровья населения может быть достигнуто только при условии, если будет обеспечено сохранение надлежащего качества природных систем, несмотря на постоянное антропогенное воздействие" ("Экологическая доктрина РФ", 2009).

Локально идущая интенсификация сельскохозяйственного производства обусловливает необходимость уточнения научно обоснованных и экспериментально подтвержденных компромиссов между экономическими интересами сельхозтоваропроизводителей и необходимостью экологически рациональной организации землепользования с минимизацией рисков деградации качества почв и загрязнения получаемой продукции (Каштанов, 1993; Кирюшин, 2000; Козловский, 2003; Васенев и др., 2010; Гогмачадзе, 2010; Добровольский и др. 2010; Черников и др., 2013).

Центрально-Черноземный регион исконно являлся, наравне с южными регионами страны, основной житницей России, и возделывание наиболее прибыльных зерновых и технических культур всегда имело приоритетное направление в его хозяйствах (Щербаков и др., 2000). На современном этапе сельскохозяйственного производства возрастает насыщенность полевых севооборотов сахарной свеклой и подсолнечником - особенной в районах с хорошо развитой инфраструктурой и дорожной сетью (Высоцкая и др., 2012).

В связи с приходом в регион новых инвесторов и постоянно нарастающим производством наиболее рентабельных, но объемных технических культур, возникает необходимость максимального использования наиболее доступных для транспорта и обеспеченных производственной инфраструктурой земельных ресурсов, включая земли придорожных агроландшафтов. Несмотря на их общее повышенное загрязнение, такие земли активно используются в большинстве стран Западной и Центральной Европы, поскольку имеют хорошую транспортную доступность для сельскохозяйственной техники. В России они, как правило, выведены из активного сельскохозяйственного использования в системе основных полевых севооборотов, следствием чего является не вовлечение в хозяйственный оборот тысяч га плодородных и удобно расположенных черноземов (Гогмачадзе, 2010).

Согласно принятым в России нормативам, придорожные полосы устанавливаются с каждой стороны полосы отвода в зависимости от категории дорог шириной: для автомобильных дорог V категории - 25м, IV и III категорий - 50 м., I-II категорий - 75 м. По данным Главного управления автомобильных дорог и дорожной деятельности Воронежской области (2012), протяженность дорог общего пользования на ее территории составляет 9403,7 км при площади территории Воронежской области - 52,4 тыс. квадратных километров (табл.1).

Таблица 1. Сравнительный анализ протяженности автомобильных дорог региона и района исследований

Территория	Протяженность автодорог, км
Центрально-Черноземный регион, всего	46141,7
Воронежская область, всего	9403,7
в т. ч. федеральных	801,8
плотность дорог общего пользования Воронежской области, на тысячу квадратных километров	179,5
Эртильский район Воронежской области, всего	253,4

Современные процессы интенсификации сельскохозяйственного производства предусматривают использование в системе свекловодства большого набора агрохимикатов, содержащих широкий комплекс биофильных ионов тяжелых металлов, активно поглощаемых выращиваемыми техническими культурами и адсорбируемых почвенным поглощающим комплексом (Гуреев, 2004; Минеев, 2007; Черников и др., 2009; Гогмачадзе, 2010; Жуков, Батура, 2010).

Сахарная свекла и подсолнечник могут интенсивно поглощать тяжелые металлы, что актуализирует агроэкологические исследования с экологическим тестированием районированных сортов и гибридов данных культур и оценкой воздействия на них тяжелых металлов, содержащихся в активно применяемых агрохимикатах и верхних горизонтах почв придорожных агроэкосистем (Черников и др., 2001; 2013; Высоцкая и др., 2010).

Тяжелые металлы легко поглощаются свекловичными растениями даже при относительно невысоком содержании их в почве. В то же время, в некоторых случаях грамотная интенсификация технологий растениеводства позволяет сгладить локальное негативное воздействие тяжелых металлов на базовые компоненты придорожных черноземных агроэкосистем. В этом отношении особый интерес представляет изучение возможности использования севооборотов с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы - для повышения общей биологической продуктивности и улучшения экологического равновесия придорожных агроэкосистем.

Цель работы состоит в проведении комплексных агроэкологических исследований базовых компонентов представительных придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России (ЦЧР) в условиях повышенной антропогенной нагрузки на них от автомобильного транспорта и интенсивных технологий выращивания подсолнечника и сахарной свеклы - с оценкой воздействия на их экологическое состояние повышенной концентрации тяжелых металлов и возможности их использования в интенсивных полевых севооборотах.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

агроэкологический черноземный антропогенная нагрузка

1. Системный анализ основных экологических рисков и регионально-типологических особенностей функционирования базовых компонентов (почвы, растительность) представительных вариантов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы.

2. Исследование сезонной и многолетней динамики содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах черноземов придорожных агроэкосистем с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы в севооборотах с короткой ротацией культур.

3. Оценка воздействия автотранспорта и областной дорожной сети на экологическое состояние черноземов придорожных агроэкосистем восточной части ЦЧР и выращиваемых на них районированных сортов сахарной свеклы и подсолнечника.

4. Биологическая диагностика экологического состояния черноземов с изучением аборигенных видов почвенных беспозвоночных на предмет содержания в них тяжёлых металлов в условиях различного уровня антропогенной нагрузки в условиях исследуемых агроэкосистем.

5. Анализ лимитирующих факторов биологической продуктивности и устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами районированных сортов сахарной свеклы и подсолнечника в условиях придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземья.

6. Уточнение рационального размера придорожного землеотвода в условиях представительных вариантов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части Центрального Черноземного региона России с интенсивными технологиями выращивания подсолнечника и сахарной свеклы.

7. Оценка эколого-биологической и экономической эффективности возделывания основных технических культур ЦЧР (подсолнечника и сахарной свеклы) в придорожных черноземных агроэкосистемах с повышенной антропогенной нагрузкой на них от автотранспорта и интенсивных агротехнологий.

Научная новизна работы состоит в проведении системного анализа основных экологических рисков и регионально-типологических особенностей функционирования базовых компонентов придорожных черноземных агроэкосистем с разработкой модели минимизации рисков при использовании интенсивных технологий выращивания подсолнечника и сахарной свеклы. Комплексный анализ ресурсного экологического потенциала и биологической продуктивности базовых компонентов придорожных черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки позволил выявить основные закономерности разнонаправленной сезонной динамики подвижных форм тяжелых металлов в верхних почвенных горизонтах и их содержания в различных частях выращиваемых растений.

В зоне 0-20 м от автодороги менее интенсивно развивалась листовая поверхность сахарной свеклы. В целом, ее формирование определяется характером увлажнения. В засушливых условиях рост листовой пластинки замедляли удобрения. Более интенсивно происходило нарастание листовой поверхности гибрида Фрейя по сравнению с сортом Рамонская односемянная-47. Степень концентрации токсических элементов в корнеплодах сахарной свеклы в несколько раз меньше, чем в листьях. Повышенные концентрации тяжелых металлов снижают технологические качества корнеплодов сорта Рамонская односемянная-47, увеличивая содержание азота и потери сахара, снижая сахаристость и выход сахара. Гибрид Фрейя обладает повышенной экологической толерантностью к содержанию тяжелых металлов в почве и растении, и соответственно более высокими технологическими качествами.

К концу вегетационного сезона увеличивается содержание подвижной меди, снижается концентрация кадмия, цинка, марганца и никеля. Происходит увеличение содержания железа и цинка в листьях сахарной свеклы. Прослеживается закономерное увеличение концентраций Cd и Pb, как в листьях, так и в корнеплодах на вариантах с внесением удобрений на расстоянии 0-20 м от автодороги. Там же наблюдаются более высокие концентрации Fe, Mn и Zn. Корнеплоды в более высоком количестве накапливают Cu, Zn, Mn, Co, Pb и Ni. В листьях преимущественно аккумулируются Cd и Fe. Максимальный уровень накопления ТМ в корнях подсолнечника чаще всего приурочен к середине вегетации, минимальный - к ее концу, особенно на вариантах с двойной дозой удобрений. Поглощение тяжелых металлов надземной массой подсолнечника последовательно возрастает от начала к концу вегетации: в среднем в 2 - 3 раза.

В работе установлены аборигенные почвенно-беспозвоночные биоиндикаторы загрязнения исследуемых черноземов тяжелыми металлами: дождевые черви видов Allolobophora r. rosea и Dendrobaena octaedra, с коэффициентом биологического накопления некоторых металлов до 20 и более.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Техногенное загрязнение почв придорожных черноземных агроэкосистем дорог IV категории восточной части ЦЧР в условиях интенсивных технологий выращивания сахарной свеклы и подсолнечника, как правило, не приводит к превышению ПДК содержания тяжелых металлов в выращиваемых культурах и почвах.

2. Основная зона придорожного загрязнения черноземов тяжелыми металлами от дорог IV категории восточной части ЦЧР может быть ограничена полосой отвода не более 25 м.

3. В качестве эффективных почвенно-беспозвоночных биоиндикаторов загрязнения тяжелыми металлами исследуемых черноземов придорожных агроэкосистем восточной части ЦЧР могут выступать аборигенные виды дождевых червей Allolobophora r. rosea и Dendrobaena octaedra,

4. В придорожных черноземных агроэкосистемах с посевами подсолнечника минеральные удобрения существенно повышают поступление и накопление тяжелых металлов во всех органах растения, способствуя их существенному выносу из почвы.

5. Существующие полосы отвода от дорог IV категории могут быть существенно сокращены в восточной части ЦЧР - с вовлечением в интенсивные севообороты выращивания сахарной свеклы и подсолнечника значительных дополнительных площадей плодородных и удобно расположенных черноземов.

Практическая значимость результатов исследований.

В результате проведенных исследований изучено агроэкологическое состояние представительных вариантов широко распространенных придорожных черноземных агроландшафтов стандартной полосы отвода земель дорог IV категории в восточной части ЦЧР. Идентифицированы основные источники техногенного загрязнения, проведена комплексная оценка влияния абиотических и биотических факторов, разработаны и апробированы методические и практические приемы оптимизации экологического состояния черноземных агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки.

Обосновано применение четырехпольного севооборота с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы (пар - озимая пшеница - сахарная свекла - подсолнечник) на придорожных территориях восточной части Центрального Черноземья, подверженных повышенному техногенному загрязнению тяжелыми металлами - с вовлечением в оборот плодородных и удобно расположенных черноземов.

Выявлены районированные сорта и гибриды сахарной свеклы и подсолнечника, обладающие высокой биологической продуктивностью и повышенной экологической толерантностью к действию неблагоприятной экологической ситуации в придорожных черноземных агроэкосистемах восточной части ЦЧР.

Отработаны технологические приемы уборки с поля нетоварной части урожая подсолнечника (стерни) для усиления деконтаминационного эффекта высокой биологической продуктивности подсолнечника, улучшения экологического состояния базовых компонентов агроэкосистем, повышения биологической продуктивности и качества основной продукции последующих культур.

Степень достоверности полученных результатов и обоснованность полученных положений и выводов. Достоверность полученных результатов и обоснованность основных положений и выводов работы обусловлены применением современных методов почвенно-экологических исследований и агроэкологической оценки лимитирующих факторов экологического качества базовых компонентов исследуемых представительных придорожных агроландшафтов. Использованием современных методов компьютерной обработки данных полевых и лабораторных исследований, а также сравнения полученных результатов собственных исследований с данными других авторов и результатами региональных обобщений лаборатории агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международных, всероссийских и региональных научных и научно-практических конференциях в ВГПУ, ВГАУ, ВГЛА, ВИСХАГИ, НГТУ, СибГТУ, ПетрГУ, РГАУ-МСХА, включая: "Опыт и проблемы природопользования при реализации президентских программ в Центральном Черноземье России" (Воронеж, 2005), "Инновации в науке" (Новосибирск, 2012), "Современное состояние естественных и технических наук" (Москва, 2012), "Ресурсный потенциал растениеводства - основа обеспечения продовольственной безопасности" (Петрозаводск, 2012), "Сельскохозяйственные науки и агропромышленный комплекса на рубеже веков" (Новосибирск, 2013), "Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы" (Ставрополь, 2013), "Глинковские чтения" (Воронеж, 2013), "Анализ экологических функций почв и сервисов экосистем: мониторинг и моделирование" (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 52 научные работы, включая монографию, 51 статью, в том числе 16 - в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов исследования по теме докторских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов и рекомендаций производству. Общий объём работы - 311 страниц. Она содержит 37 таблиц,20 рисунков, 29 приложений. Список использованной литературы включает 297 работ, в т. ч.34 - на иностранных языках.

Содержание работы

Глава 1. Теоретические основы оптимизации экологического состояния и функционирования базовых компонентов агроэкосистем восточной части ЦЧР в условиях повышенной антропогенной нагрузки

Одной из основных проблем современной агроэкологии является рациональное и устойчивое использование сельскохозяйственных земель в условиях постоянного нарастания антропогенного воздействия и необходимости удовлетворения растущего спроса на рентабельное производства качественной и экологически безопасной продукции ("Агроэкология", 2004; Васенев и др., 2010; Черников и др., 2013).

Центрально-черноземный регион России традиционно относится к основным сельскохозяйственным житницам страны, ежегодно производя большие объемы сахарной свеклы, подсолнечника, пивоваренного ячменя и озимой пшеницы (Щербаков и др., 1996; 2000; Васенев, 2003; Черногоров и др., 2012).

Преобладающие в его почвенном покрове черноземы, с одной стороны, отличаются высоким и относительно устойчивым природным плодородием, с другой стороны - повышенной устойчивостью к агрогенной и техногенной нагрузке (Козловский, 1987; 1991; 2003; Добровольский и др., 1992; Васенев и др., 1996; 2000; 2004; Щеглов, 1999; Девятова, 2006).

Проблема техногенного и агрогенного загрязнения почв, растительности и сельскохозяйственной продукции тяжелыми металлами традиционно находится в центре внимания агроэкологов, почвоведов и агрохимиков (Овчаренко, 1997; Жидеева и др., 2000; Черников, Соколов, 2001; 2009).

К перспективным направлениям снижения экологических рисков загрязнения базовых компонентов агроэкосистем с интенсивными полевыми севооборотами относится использование севооборотов с короткой ротацией при размещении подсолнечника после сахарной свеклы (Воронин и др., 2007).

Данная комбинация обладает наилучшими показателями продуктивности и выраженными деконтаминационными свойствами, что способствует улучшению экологического состояния всех компонентов агроэкосистем: почвы, возделываемой культуры, почвенной биоты (рис.1).

Современные процессы интенсификации сельскохозяйственного производства предусматривают использование в системе свекловодства широкого набора агрохимикатов, содержащих комплекс биофильных ионов тяжелых металлов, активно поглощаемых выращиваемыми техническими культурами и адсорбируемых ППК (Гуреев, 2004; Жуков, Батура, 2010).

Рис.1. Экологическая модель управления и оптимизации агроэкосистемы в условиях повышенной антропогенной нагрузки

В ряде случаев уровень агрогенной нагрузки поступления в интенсивные полевые агроэкосистемы тяжелых металлов становится сопоставимым с техногенной нагрузкой их поступления от автодорог V-III категорий в зоны традиционного придорожного отвода (Высоцкая, 2012), размер которых в России в 2-2,5 раза превышает их аналоги в большинстве стран Западной и Центральной Европы.

При сопоставимости техногенного и агрогенного потоков тяжелых металлов за пределами узких придорожных зон актуализируются вопросы экологически обоснованной экономической оптимизации придорожных зон землеотвода. Прежде всего, это актуально для условий черноземных агроландшафтов восточной части ЦЧР. Для них характерно повышенное содержание гумуса, редкая встречаемость кислой реакции среды и выраженный дефицит земельных ресурсов с развитой транспортной инфраструктурой - для расширения сырьевой базы производства сахарной свеклы в рамках выполнения целевой задачи на импортозамещение продовольствия.

Глава 2 Объекты и методы исследований

Основная часть исследований проводилась в представительных черноземных агроландшафтах, характерных для восточной части Центрально-Черноземного региона - на территории двух смежных хозяйств: ООО "Агрокультура-Эртиль" и ООО "Исток" Эртильского филиала ГУП "Воронежинвест" (Эртильский район Воронежской области - рис.2).

Восточная часть ЦЧР характеризуется неустойчивым увлажнением со значительными колебаниями по годам и сезонам. Годовая сумма осадков изменяется от 550-575 мм на севере зоны до 480-450 мм на юго-востоке. Максимум осадков почти на всей территории наблюдается в июле. В теплое время года, в среднем, раз в 3-4 года наблюдаются засухи. Гидротермический коэффициент составляет в среднем 0,9-1,3. (Адерихин, 1983).

Климатические показатели благоприятны для выращивания высокорентабельных сельскохозяйственных культур, предъявляющих умеренные требования к тепловым ресурсам, прежде всего - подсолнечника и сахарной свеклы.

Основным лимитирующим фактором формирования агрофитоценозов на данной территории являются характерные для континентального климата значительные колебания количества выпадающих осадков по годам. Этот фактор, несомненно, сказывается и на динамику поведения в почвенных горизонтах тяжелых металлов, попадающих туда как из техногенных (прежде всего - транспорт и транспортная инфраструктура), так и агрогенных источников.

Рис.2. План-схема размещения основных объектов исследования

При проведении опытной части исследований изучалась продуктивность и декоминационная функция агроэкосистем с посевами сахарной свеклы и подсолнечника в придорожной полосе при загрязнении тяжелыми металлами, а также возможность использования посевов данных сельскохозяйственных культур на придорожных территориях в качестве буферных зон, препятствующих миграции тяжелых металлов вглубь поля.

По территории сельхозтоваропроизводителей, в землепользовании которого закладывались опыты, вне населенных пунктов проходят следующие основные автодороги:

- участок автодороги Архангельское-Семеновский (IV категория) с шириной придорожной полосы в 50 м;

- участок автодороги Эртиль - Терновка - п. Дзержинский (IV категория) с шириной придорожной полосы в 50 м.

- автодорога "Эртиль-Терновка" - п. Введенка (V категория) с шириной придорожной полосы в 25 м;

- автодорога "Эртиль-Терновка" - п. Баженовка (V категория) с шириной придорожной полосы в 25 м;

- автодорога "Эртиль-Терновка" - п. Знаменка (V категория) с шириной придорожной полосы в 25 м;

- автодорога "Эртиль-Терновка" - с. Перво-Эртиль (V категория) с шириной придорожной полосы в 25 м;

Основные исследования проводились в придорожной зоне представительных участков автодороги "Эртиль-Терновка" (рис.3 и 4, табл.2 и 3) с выровненным характером мезорельефа, при углах наклона не более 1-2^?.

Анализировалась сезонная и ротационная динамика биологической продуктивности, а также роста и развития растений сахарной свеклы и подсолнечника при различных концентрациях тяжелых металлов в почве, с оценкой связанных с этим экологических рисков и доминирующих факторов поступления в растения и продукцию тяжелых металлов.

Оценка качественных характеристик сахарной свеклы и количественных показателей поглощенных ею тяжелых металлов производилась согласно общепринятым "Методическим указаниям…" (1973, 1976, 1985, 1993). Изучали районированный сорт сахарной свеклы Рамонская односемянная-47 и перспективный гибрид Фрейя F1 (рис.5).

Посевы свеклы размещались в четырехпольном севообороте, после озимой пшеницы, идущей по чистому пару. Подсолнечник возделывался в том же четырехпольном севообороте (на техническое масло), по предшественнику сахарной свекле (рис.6).

Полевые опыты были заложены систематическим методом (Доспехов, 1985). Повторность опытов - 3-кратная, общая площадь делянки - 50 м^{2 (}10Ч5) учетная площадь 32 м² (8Ч4). В опыте сравнивались контроль (без применения удобрений и гербицидов) и варианты с удобрениями и гербицидами (включая отдельное и комбинированное применении ем удобрений и гербицидов).

Отбор проб почвы проводился в соответствии с "Требованиями к отбору проб почв при общих и локальных загрязнениях" (ГОСТ 17.4.3.01 - 83, ГОСТ 17.4.4.02 - 84, ГОСТ 28168 - 89), а также "Методическими указаниями по агрохимическому обследованию почв сельскохозяйственных угодий" (1985).

Рамонская односемянная - 47 Фрейя F1

Расстояние от автодороги	20-50м	3	6	9	12	15	18	21	24
	10-20м	2	5	8	11	14	17	20	23
	5-10 0-5м	1	4	7	10	13	16	19	22

автотрасса Эртиль - Терновка

Рис.3. План-схема размещения вариантов модельного опыта с посевами сахарной свеклы

Таблица 2. Схема опытов по изучению агроэкосистем с посевами сахарной свеклы

№ варианта	Сорт/ Гибрид	Вносимые элементы
1-3	Рамонская односемянная-47	контроль
4-6	Рамонская односемянная-47	контроль +удобрения
7-9	Рамонская односемянная-47	контроль + гербициды
10-12	Рамонская односемянная-47	Удобрения + гербициды
13-15	Фрейя F1	Удобрения + гербициды
16-18	Фрейя F1	контроль + гербициды
19-21	Фрейя F1	контроль +удобрения
22-24	Фрейя F1	контроль

ПР62А91 ПР63А83

Расстояние от автодороги	20-50м	3	6	9	12	15	18	21	24
	10-20м	2	5	8	11	14	17	20	23
	5-10 0-5м	1	4	7	10	13	16	19	22

автотрасса Эртиль - Терновка

Рис.4. План-схема размещения вариантов модельного опыта с посевами подсолнечник

Рис.5. Организационные и технические приемы воздействия на агроэкосистемы с посевами сахарной свеклы

Таблица 3. Схема опытов по изучению агроэкосистем с посевами подсолнечника

№ делянки	Гибрид	Примечания
1-3	ПР62А91	Контроль (К)
4-6	ПР62А91	Контроль + гербициды (Кг)
7-9	ПР62А91	Удобрения одинарная доза + гербициды (1NPK)
10-12	ПР62А91	Двойная доза удобрений + гербициды (2NPK)
13-15	ПР63А83	Контроль (К)
16-18	ПР63А83	Контроль + гербициды (Кг)
19-21	ПР63А83	Удобрения одинарная доза + гербициды (1NPK)
22-24	ПР63А83	Двойная доза удобрений + гербициды (2NPK)

Рис.6. Организационные и технические приемы воздействия на агроэкосистемы с посевами подсолнечника

Прим. (КП91) - условное обозначение варианта

Образцы смешанных проб почв отбирались на глубине пахотного и подпахотного слоев через интервалы 0-30 и 30-60 см соответственно, на расстоянии 0 - 5, 5 - 10, 10 - 20,20 - 50 м от автодороги Эртиль - Терновка.

Для определения содержания тяжелых металлов образцы почв отбирались: после схода снега; во время ранневесенней культивации; через день после сева с внесением припосевного удобрения; в основные фазы развития свекловичного и подсолнечного агрофитов; после уборки (сентябрь-октябрь). Пробы растений отбирались на тех же участках и в те же периоды, что и пробы почвы.

Наличие почвенной биоты устанавливалось по общепринятым методикам (Гиляров, 1985; 1987) при отборе образцов почв на содержание тяжелых металлов в почвах опытного участка после внесения удобрений. Определение тяжелых металлов в почве и доминирующих видах почвенных беспозвоночных проводилось методом атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной и беспламенной атомизацией в ВГАУ им. Петра I, а также в ФГБУ Государственный центр агрохимической службы "Воронежский"

В растительных пробах тяжелые металлы определялись в их зольных растворах на атомно-абсорбционном спектрофотометре.

Математическую обработку результатов исследований проводили методами корреляционного, дисперсионного анализов (Доспехов, 1985, 2011) на ПВМ с использованием Excel 2000, Statistica 5.5.

Глава 3. Агроэкологическая оценка почв агроэкосистем восточной части Воронежской области

Почвы Эртильского района Воронежской области, на которых проводились опытные изыскания, интенсивно используются в аграрном производстве. Общая площадь сельскохозяйственных угодий в районе по состоянию на январь 2013 г. составляла 116321 га или 82% (рис.7).

Доля пашни составила 89,2 % от общей площади сельскохозяйственных угодий. Из нее, 58% земель расположены в рабочих участках, непосредственно примыкающих к автомагистралям и автодорогам V-III категорий. Это свидетельствует не только о высокой распаханности земель, но и высокой антропогенной нагрузке на них со стороны автотранспорта.

Рис. 7. Экспликация землепользования района исследований

По рабочей агроэкологической классификации Воронежской области (Лопарев, 1998), земли исследуемых агроэкосистем относятся к 1 категории, лимитирующими факторами являются управляемые, к способам преодоления которых можно отнести: оптимизация NPK, подбор районированных сортов и гибридов культур, система севооборотов.

Преобладающее значение на территории исследования имеют черноземы выщелоченные среднемощные и типичные среднемощные, которые и в районе исследования занимают более 63,5% от площади всех разновидностей почв. Агрофизические свойства (табл.4) близки к оптимальным и характерны для преобладающих в Эртильском районе окультуренных старопахотных черноземов агроландшафтов с низким уровнем развития эрозии (рис.8). Это позволяет их не рассматривать среди экологических факторов, лимитирующих современное экологическое состояние и функционирование исследуемых черноземов придорожной зоны влияния с интенсивным кратко-ротационным севооборотом.

Таблица 4. Агрофизические параметры агроэкологического качества основных видов почв исследуемых агроэкосистем

Почва	Плотность, г/см3	Влажность, %	Содержание фракций, % (по размерам фракций, мм)
			>10	10-0,25	<0,25
Чернозем типичный среднемощный	1,13	25,2	13	80	7
Чернозем выщелоченный, среднемощный	1,16	24,1	15	77	8

По реакции среды почвы участков проведения эксперимента в основном нейтральные, близкие к нейтральным и слабокислые: при преобладании рН_H2O выше 6,5 и рН_KCl не ниже 5,3.

Кислотность почвенного раствора (pH водной) до начала закладки опытов и применения агротехнических приемов, колебалась в зависимости от года в слое 0-30 см от 6,44 до 7,0 и увеличивалась в слое 60-90 см до 7,36-7,30. Соответственно pH солевой суспензии в почвенном слое 0-30 составила 5,23 - 5,3. С увеличением глубины до 90 см, pH солевой варьировалась в пределах 6,34 - 6,48.

Рис.8. Картосхема агроэкологической оценки эродированности земель района исследования.

Таблица 5. Физико-химическая и агрохимическая характеристика черноземов опытных участков исследования

Глубина отбора образцов, см	pH*	Гумус, %	Общий азот, %	Нитратный азот, мг/кг	P2О5мг/кг	К2О мг/кг	Hгидрол., мг-экв/ 100г почвы
0-30	6,92 5,37	6,5	0,238	11,2	142,4	119,5	25,3
30-60	6,79 5,54	5,31	0,217	9,5	107,2	76,2	11,6
60-90	7,33 6,41	-	0, 209	-	61,5	67,4	5,4

Прим.: * числитель - pH водной суспензии, знаменатель - pH солевой суспензии.

В нижней части гумусово-аккумулятивного профиля отчетливо выражен геохимический барьер. Значительный диапазон различий рН_H2O и рН_KCl также свидетельствует о повышенной устойчивости исследуемых черноземов к агрогенному подкислению и, следовательно, их загрязнению тяжелыми металлами.

По содержанию гумуса в пахотном горизонте, среднее значение которого составило 6,98 на начало исследований (Высоцкая, 2007), почвы относятся к IV группе: 6,1-8,0% с повышенным содержанием гумуса (Гогмачадзе, 2010). Вниз по профилю отмечается снижение содержания гумуса до 5,31 в подпахотном горизонте (табл.5).

Среднее содержание подвижного фосфора и калия в пахотном горизонте исследуемых черноземов составило, соответственно, 142,4 и 119,5 мг/кг, при значительных колебаниях по годам, после применения под сахарную свеклу повышенных доз минеральных удобрений. Гидролитическая кислотность варьировалась от 25,3 в слое 0-30 см, до 5,4 в слое 60-90 см.

Таким образом, почвы исследуемых агроэкосистем, отличаются хорошими агроэкологическими показателями, высокими характеристиками потенциального плодородия и повышенной устойчивостью к преобладающей в этой части ЦЧР агрогенной и техногенной нагрузке на пахотные почвы. Вариации ключевых параметров агроэкологической оценки почв наблюдались в пределах 2-10% в рамках одного опытного поля.

Глава 4. Эколого-биологическая оценка динамики загрязнения тяжелыми металлами базовых компонентов агроэкосистем с посевами сахарной свеклы

В почвах исследуемых агроэкосистем, вовлеченных в интенсивный севооборот с применением повышенных доз минеральных удобрений, предполагается два основных источника поступления тяжелых металлов: среднеинтенсивная автодорога IV категории "Эртиль-Терновка" и активно применяемые агрохимикаты.

При отборе проб почв после схода снега существенной разницы между содержанием тяжелых металлов на делянках контроля и делянках с удобрениями не обнаружено (табл.6). Однако наблюдалась разница в содержании тяжелых металлов на различных расстояниях от автомагистрали.

Наиболее высокие концентрации тяжелых металлов наблюдаются на расстоянии 0 - 10 м. Выявлены превышения ПДК по кадмию и свинцу, что позволяет сделать вывод о том, что источниками поступления этих элементов является автотранспорт. На расстоянии 10 - 20 м от автодороги отмечено снижение их концентраций (наиболее явное при сравнении с придорожной зоной 0-5 м). На расстоянии 20 - 50 м выявлено значительное снижение концентраций тяжелых металлов по всем элементам.

Таблица 6. Изменение содержания тяжелых металлов в пахотном горизонте исследуемых черноземов на различном расстоянии от дороги до и после применения минеральных удобрений под подсолнечник, мг/кг (средние данные за период исследования в 2005-2011 гг.)

Расстояние от автомагистрали	Zn	Cu	Mn	Fe	Co	Ni	Сd	Pb
0-5 м	5,17* 5,49	0,97 1,29	32,21 36, 19	16,14 18,72	1,37 1,61	1,37 2,11	0,79 0,87	5,49 5,64
5-10 м	4,68 5,08	0,84 1,21	29,06 35,36	15,30 18, 19	1,23 1,57	1,21 1,98	0,65 0,76	4,82 5,12
10-20 м	3,18 5,09	0,75 1,02	28,92 35,91	14,68 17,96	0,91 1,52	1,01 1,93	0,58 0,72	3, 19 3,59
20-50 м	2,27 5,81	0,63 1,12	27,36 35,27	13,53 18,13	0,78 1,49	0,82 1,87	0,51 0,71	2,89 3,48

* - после схода снега (числитель) и внесения удобрений (знаменатель)

После ранневесеннего боронования до внесения удобрений сохранялась тенденция уменьшения концентраций элементов с увеличением расстояния 20 и более м от автодороги. После внесения удобрений концентрации тяжелых металлов достоверно повысились по всем элементам (в 0,2 - 1,8 раза), кроме свинца. Следовательно, минеральные удобрения являются существенным источником загрязнения исследуемых черноземов тяжелыми металлами, по уровню превышений местных фоновых значений сопоставимым с влиянием автодороги IV категории (Высоцкая, 2012).

Повышение содержания тяжелых металлов в почве произошло на всех вариантах с внесением удобрений. Увеличение концентраций тяжелых металлов по мере приближения к автомагистрали происходило на всех вариантах опыта, как на контроле, так и с удобрениями, однако использование удобрений повышало концентрации тяжелых металлов на всех расстояниях от автодороги.

Изучение динамики тяжелых металлов/микроэлементов в течение вегетационного периода показало, что концентрации железа, никеля, кобальта, меди и цинка в почве достоверно изменяются по основным фазам вегетации сахарной свеклы, а кадмия и свинца - существенно не меняются (на примере Zn и Pb см. рис.9). Динамика содержания подвижных форм ТМ в течение вегетации зависит от соотношения доз вносимых удобрений и уровня техногенных загрязнений, достоверно проявляясь в пахотном и подпахотном горизонтах.

Рис.9. Изменение содержания подвижных форм Pb и Zn в пахотном горизонте исследуемых черноземов на различном расстоянии от дороги по основным фазам вегетации сахарной свеклы (средние данные за период исследования в 2005-2011 гг.).

Изучение влияния экологического состояния на качество урожая и биологическую продуктивность агроэкосистем с посевами сахарной свеклы, показало, что фотосинтетическая активность гибрида Фрейя F1 значительно выше, чем у сорта Рамонская односемянная-47, независимо от увлажнения и содержания в почве тяжелых металлов (Высоцкая, 2013).

Максимальная урожайность корнеплодов (511 ц/га) у Рамонской односемянной-47 наблюдалась при внесении удобрений в дозах N₁₅₀P₁₄₀K₁₂₀ совместно с гербицидами и на значительном удалении от автомагистрали, самая низкая урожайность отмечена на контроле (366,6 ц/га) при минимальном удалении от автодороги, т.е. при максимальном загрязнении тяжелыми металлами. Максимальная урожайность гибрида Фрейя (598,6 ц/га) отмечена по варианту без гербицидов, но с удобрениями, минимальная (491 ц/га) - на контроле, удаленном от автодороги на 20-50 м (рис.10).

Изучение накопления тяжелых металлов в фитомассе сахарной свеклы показало, что корни и листья сахарной свеклы обладают различной поглотительной способностью по отношению к тяжелым металлам. Концентрация фитотоксичных элементов происходит преимущественно в надземной части сахарной свеклы. Так, в натурально-влажной массе листьев сахарной свеклы не выявлено превышения ПДК концентраций большинства микроэлементов. Однако прослеживается закономерное увеличение концентраций кадмия и свинца, как в массе листьев, так и в корнеплодах (рис.11) на вариантах с удобрениями и расположенных на расстоянии до 20 м от автодороги. Такая же закономерность по содержанию железа и меди отмечена в корнеплодах. При этом, на фоне удобрений накопление меди происходит менее интенсивно, чем железа.

Рис.10. Биологическая продуктивность сахарной свеклы в исследуемых агроэкосистемах (2004-2010 гг., - расшифровка вариантов в табл.2)

Рис. 11. Изменение содержания тяжелых металлов в корнеплодах сахарной свеклы районированного сорта и перспективного гибрида на различном расстоянии от дороги по основным вариантам опыта

При внесении удобрений вблизи придорожной полосы наблюдается превышение ПДК по свинцу и повышенное содержание кадмия и других тяжелых металлов, а также увеличение содержания общего азота в листьях и корнеплодах. На удобренных вариантах возрастает содержание сухого вещества в листьях и корнеплодах гибрида Фрейя F1, в отличие от Рамонской односемянной-47.

Максимальная сахаристость (16,8%) у сорта Рамонская односемянная-47 была получена при внесении удобрений N₁₅₀P₁₄₀K₁₂₀ совместно с гербицидами - на значительном удалении от автодороги, то есть от техногенного источника загрязнения тяжелыми металлами. Минимальная сахаристость (15,5%) - в вариантах без удобрений и гербицидов, но с загрязнением тяжелыми металлами вплоть до некоторого превышения ПДК. Максимальная сахаристость гибрида Фрейя выше (17,6%) и также отмечена по вариантам с удобрениями и гербицидами, при большей устойчивости к загрязнению. Минимальная сахаристость (16,2%) - на контроле, то есть без удобрений и гербицидов (Высоцкая, 2012).

Таким образом, даже в наиболее неблагоприятных условиях (отсутствие внесения удобрений и гербицидов, превышение ПДК в почве по свинцу) сахаристость испытываемого перспективного гибрида Фрейя была значительно выше, чем у районированного сорта Рамонский. Повышенная устойчивость биологической продуктивности, урожайности и сбора сахара у гибрида Фрейя даже в неблагоприятных условиях загрязнения почв тяжелыми металлами (где они близки к урожайности и сбору при оптимальном уходе и минимуме антропогенного загрязнения) позволяет говорить об агроэкологической и экономической целесообразности выращивания данного гибрида на слабо загрязненных почвах в зоне влияния дорог и периферийной части придорожной полосы.

Глава 5. Эколого-биологическая оценка динамики загрязнения тяжелыми металлами базовых компонентов агроэкосистем с посевами подсолнечника

В агроэкосистемах подсолнечника нами были продолжены исследования, выполненные ранее по предшествующим посевам сахарной свеклы в придорожной полосе, для уточнения выявленных ранее закономерностей влияния дороги и агротехнологий на экологическое состояние базовых компонентов придорожных агроэкосистем (рис.12).

Результаты исследований показали, что после схода снега содержание тяжелых металлов в контроле и в опытных вариантах существенно не отличалось. В то же время их содержание существенно изменялось в зависимости от расстояния до автодороги. Так, на расстоянии 20-50 м концентрации тяжелых металлов во всех вариантах опыта была в 1,5-2 раза ниже, чем у дороги.

Рис.12. Изменение содержания тяжелых металлов в пахотном горизонте исследуемых черноземов на различном расстоянии от дороги до и после применения минеральных удобрений под сахарную свеклу (средние данные за период исследования в 2005-2011 гг.).

Исследования почвенного покрова после схода снега показали, что наибольшему загрязнению тяжелыми металлами от автотранспорта подвергается полоса шириной 0-20 м от автомагистрали. Однако превышение ПДК по содержанию в почве было отмечено только в отношении свинца. Содержание остальных исследуемых тяжелых металлов не превышало установленные для них величины ПДК.

Исследования содержания тяжелых металлов после внесения минеральных удобрений показывают (рис.12), что удобрения достоверно повышают содержание большинства тяжелых металлов в почве агроэкосистем с подсолнечником, однако максимальное загрязнение почв особо токсичным элементом - свинцом, очевидно, является следствием выбросов автомобильного транспорта, поскольку оно несущественно зависит от вносимых удобрений. При внесении удобрений в наибольшем количестве в почву попадают такие элементы, как железо, марганец, цинк, медь, но они не превышают значений их предельно допустимого содержания в почве.

Для проведения исследований с подсолнечником были выбраны гибрид короткого срока созревания ПР62А91 и среднепоздний гибрид ПР63А83, поскольку, обладая различной скоростью развития, они должны неодинаково поглощать химические элементы. Накопление тяжелых металлов в органах обоих гибридов шло неодинаково как по сроку вегетации, так и по вариантам опыта (рис.13 и 14). Практически по всем тяжелым металлам минимальное накопление отмечалось в соцветиях, максимальное - в надземной биомассе, анализируемой в целом.

Внесение удобрений повышает содержание тяжелых металлов во всех органах подсолнечника. Максимальное поглощение корнями цинка, меди и никеля наблюдалось в середине вегетации, а свинца и кадмия - в конце. В надземной части максимальное количество всех тяжелых металлов наблюдается в конце вегетации (рис.13).

Сравнение с критическими уровнями тяжелых металлов (Башкин, 1999) в растениях позволяет сделать заключение, что этого уровня растения гибрида ПР62А91 не достигали практически по всем изучаемым тяжелым металлам. Этот вывод согласуется также с допустимыми количествами тяжелых металлов в почвах с учетом устойчивости к ним растений (Минеев, 1990),

Изучение содержания тяжелых металлов в фитомассе среднепозднего гибрида ПР63А83 показало, что, имея более продолжительный вегетационный период, он накапливал меньшие количества тяжелых металлов во всех органах.

Тем не менее, выявленные нами закономерности накопления тяжелых металлов в различных органах гибрида ПР62А91 подтверждаются и для гибрида ПР63А83. Критических уровней накопления тяжелых металлов гибридом ПР63А83, также как и ПР63А83 не достигался практически по всем изучаемым элементам.

Планки погрешностей со стандартными отклонениями

Рис.13. Содержание тяжелых металлов в фитомассе подсолнечника ПР63А83, среднее за 2005 - 2011гг., надземная часть (по вариантам опыта).

Рис.14. Содержание тяжелых металлов в фитомассе подсолнечника ПР63А83, среднее за 2005-2011гг., корни (по вариантам опыта).

Что касается гербицидов, то они оказывают неоднозначное влияние на накопление тяжелых металлов в растениях подсолнечника. Так, на варианте контроля с внесением гербицидов в корнях культуры незначительно повышалось содержание цинка, меди и свинца.

Анализируя динамику накопления рассмотренных выше элементов, можно заключить, что на протяжении всего периода онтогенеза подсолнечника преимущественным связыванием тяжелых металлов характеризуются надземные органы, а не корневая система культуры (см. рис.13 и 14).

При этом максимальный уровень данных элементов в корнях чаще приурочен к середине вегетации, а минимальный - к ее концу, особенно на вариантах с двойной дозой удобрений (Высоцкая и др., 2012). Поглощение тяжелых металлов надземной фитомассой подсолнечника последовательно возрастает от начала к концу вегетации, увеличиваясь в среднем в 2 - 3 раза.

Ранний гибрид ПР62А91 в течение всего вегетационного периода активно накапливает медь и цинк, причем во всех органах. Максимально интенсивно эти элементы накапливаются в надземной части, затем в соцветиях и корнях.

Применение одинарной дозы минеральных удобрений незначительно повышает аккумуляцию меди и цинка в корнях. Внесение двойной дозы минеральных удобрений повышает аккумуляцию цинка и меди в 1,2 и 1,4 раза соответственно. В надземной части влияние минеральных удобрений на активность накопления меди и цинка оказывается меньшим, чем в корнях.