Экологическое картографирование

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 При развитии сельского хозяйства важнейшей задачей естественных и агрономических наук является разработка теоретических и методологических основ перехода от традиционных энергоресурснозатратных систем земледелия, вызывающих деградацию природной среды к адаптивно-ландшафтным системам нового поколения, способствующих повышению  биопродуктивности возделываемых культур с воспроизводством в первую очередь, почвенного плодородия в агроэкосистемах. Успешное решение этой актуальной и приоритетной проблемы сельскохозяйственного производства возможно только на основе всесторонней экологизации процессов землепользования.

Важное условие экологизации сельского хозяйства - использование биоценологических экосистемных принципов. Экологизация систем землепользования, как и всего АПК, входит составной частью в государственную концепцию устойчивого развития России, так как экологизация земледелия в настоящее время, а тем более в будущем - единственный гарант обеспечения населения продуктами питания и продовольственной безопасности страны.

В связи с этим разработка научно обоснованных приёмов, технологий и систем земледелия, обеспечивающих устойчивость функционирования агроэкосистем и агроэколандшафтов, было и остаётся самым актуальным и приоритетным направлением исследований в агроэкологии.

Цель проекта - установление экологических критериев устойчивости функционирования агроэкосистем: первый - биоутилизации азота за ротацию севооборота в зависимости от системы земледелия; второй - сбалансированности продукционного и природообразовательного процессов; третий - экологически оптимальной урожайности.

 

 

 

Задачи:

  • расчет показателей расхода азота на образование биомассы, отчуждаемого урожая как основной составляющей части продукционного процесса в агроэкосистеме;

  • определение потерь азота почвы в севообороте за счет водной эрозии, инфильтрации и дефляции;

  • выявление количественных параметров аккумуляции азота в приросте гумуса как основного показателя процесса почвообразования;

  • расчет критерия экологического равновесия продукционного и средообразовательного процессов в агроэкосистеме;

  • установление экологически оптимальной продуктивности агроценоза в сравниваемых системах земледелия.

  • расчет энергетической эффективности сравниваемых систем земледелия по результатам за ротацию;

  • агроэкологическая оценка традиционной и альтернативной систем земледелия и разработка комплекса агротехнических мероприятий по поддержанию устойчивости функционирования агроэкосистем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОЙ ТЕМЫ

Сельскохозяйственная, деятельность человека осуществляется в границах целостных природных образований - ландшафтов. Деятельность человека приводит к значительным и устойчивым изменениям природной среды.

Использование традиционной системы земледелия с широким применением пестицидов – обязательное условие поддержания высокой продуктивности агроэкосистемы, что компенсирует возможные экологические издержки. Считается, что интенсификация традиционных систем земледелия не только не является причиной деградации компонентов агроэкосистемы, но и обеспечивает более высокий уровень их стабильности, предотвращение снижения природного плодородия почв [12].

Интенсивное земледелие нацелено на повышение урожайности культур благодаря эффективному использованию средств химизации, биологических способов защиты растений, мелиоративных приемов, внедрению прогрессивных технологий, учитывающих зональную почвенно-экологическую специфику, что, в конечном счете, способствует повышению плодородия почв и охране агроландшафтов от загрязнения и деградации [14]

Основной наиболее распространенной системой земледелия является традиционная, основанная на применении минеральных удобрений. Наряду с традиционными приемами ведения сельского хозяйства во многих странах развивается альтернативное земледелие, основанное на применении органических удобрений и запашки пожнивных корневых остатков. Основным недостатком данной системы является ухудшение фитосанитарной обстановки на полях. Целью альтернативного земледелия является сохранение и повышение плодородия почвы; защита окружающей природной среды; активизация круговоротов веществ и переноса энергии в агроэкосистемах; снижение энерго - и материалоемких получаемой продукции; экономия ресурсов невосполнимой энергии; улучшение качества производимой продукции; производство гарантированного количества продукции; обеспечение устойчивости агроэкосистем.

 

2. ХАРАКТЕРИСТИКА УСЛОВИЙ  ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

 

2.1. Физико-географическая  характеристика района

 

 Новобурасский район Саратовской области расположен в северной части правобережья. Территория района расположена на Приволжской возвышенности с преобладающими высотами 200 — 250 м. Наибольшие высоты на северо-востоке достигают 320 м, низшие точки в долине реки Чардым — 30 м.

 

            Поверхность территории  сложена отложениями юрской и  меловой систем на юге и  палеогеновой на севере (песчаники, пески, глины, опоки, мергели). Из полезных ископаемых имеется месторождение известняков. Расчлененность территории овражно-балочной сетью средняя и слабая, степень эродированности почв повышается от центра к периферии района от 50 до 75%[2].

2.2. Климат

Климат умеренно - континентальный. Зима (декабрь - середина марта) - морозная, малоснежная, с оттепелями. Температура воздуха днем  -7°... -10° С, ночью - 12°...-18° С. В холодные зимы морозы держатся до -30° С. Снежный покров в феврале достигает толщины до 40 см. Средняя глубина промерзания грунта около 70 см. Весна (середина марта - май) - теплая, быстрая. Осадков мало, грунт быстро подсыхает. Ночные заморозки наблюдаются до конца апреля. Лето (июнь-середина сентября) - жаркое, засушливое. Средняя температура воздуха днем +23°...+27° С, в июле -выше +30° С, осадки выпадают обычно в виде ливневых дождей. Осень (середина сентября - ноябрь) - в первой половине - теплая, во второй - прохладная, с увеличением количества осадков. Заморозки начинаются в первой декаде октября. Многолетняя среднегодовая температура – + 8° С,  средняя многолетняя температура зимы – -10°С, средняя многолетняя температура лета – +24°С.  Среднегодовая норма солнечных дней – 120-180 дней. Температурный режим отличается от среднеширотного - зимой холоднее в среднем на 5° С, летом теплее в среднем на 4.5° С. Средние суточные амплитуды температуры воздуха довольно высоки (летом до +13.5° С и зимой 7...8° С). Иногда суточная амплитуда температуры воздуха может достигать 21° С летом и 22° С зимой. Вертикальный градиент температуры воздуха лежит в пределах 0.8° ...1.0°С (относится к условиям ясной солнечной погоды). Повторяемость инверсий (задерживающих слоев) составляет 37...40%. Сочетание приземных инверсий и слабых ветров приводит к застою воздуха. Наиболее теплым месяцем является июль со средней температурой +21°С. Среднемесячное количество осадков - 44 мм с максимумом, приходящимся на июль (47 мм) и минимумом -на апрель (25 мм). Количество дней в году без осадков ~120. Преобладающее среднегодовое направление ветров – западное и северо-западное. По временам года преобладающее направление  ветров  наблюдается:  зимой – юго-восточное и  западное; весной - юго-восточное и восточное;  
летом - западное и северо-западное; осенью - западное,  северо-западное и юго-восточное. Средняя скорость ветров составляет 2-5 м/с, временами бывают сильные ветры  (до 25 м/с). Максимум прихода солнечной радиации приходится на июнь-июль (~900 Мдж/кв.м в месяц) и минимум на декабрь (~122 Мдж/кв.м в месяц). Число ясных дней по общей облачности  за год составляет -47 и по нижней облачности -125.Число пасмурных дней по общей облачности - 138 и по  нижней облачности - 65. Наиболее опасные метеоусловия, с точки зрения загрязнения нижних слоев атмосферы выбросами промышленных предприятий крупных административно-территориальных единиц (муниципальных образований), создаются именно в пасмурные дни, особенно при наличии нижней облачности, сопровождающейся, как правило, инверсиями (задерживающими слоями) [1].

2.3. Рельеф

Территория Новобурасского муниципального района в геоморфологическом отношении расположена на Приволжской возвышенности и приурочена к денудационной, пологоволнистой с различной степенью всхолмленности, равнине. Общий уклон поверхности наблюдается с северо-востока на юго-запад. Общий характер рельефа холмисто-грядовой, плоско-вершинные или холмисто-увалистые возвышения чередуются  с понижениями – седловинами. Водоразделы южного направления обычно короткие, а северного гораздо длиннее, с ровными пологими склонами. Поверхность района значительно расчленена овражно-балочной сетью, которая отличается однотипностью. Вершины балок имеют вид плоских понижений с очень пологими склонами, постепенно переходящими в хорошо разработанные русла с покатыми, крутыми, задернованными местами обнаженными берегами. Овраги северного направления в большинстве своем глубокие, разветвленные, длиной 8-10 км. Восточные и южные скаты их круты, в некоторых местах обрывисты с обнажениями пород. Днища оврагов и балок часто с водотоками, много родников, вследствие чего днища оврагов размыты, иногда сильно заболочены, закустарены и совершенно непроходимы. Многие из оврагов действующие[3].

 

2.4. Гидрология

Гидрографическая сеть на территории района представлена реками: Чардым с притоками (Красная, Соколка, Сокурка), Медведица, а также оврагами и балками, впадающими в эти реки. Река Чардым относится к Волжскому бассейну, а р. Медведица – к Донскому. По гидрологическому режиму реки района относятся к типу равнинных смешанного питания. Среднегодовые расходы воды в них составляют менее 1 куб. м/ сек., вследствие чего водоотбор из рек допустим лишь не более 10 % минимального расчетного стока. Питание рек в основном происходит в весенний период за счет таяния снега и в меньшей степени за счет грунтовых и дождевых вод. Для всех рек района характерно неравномерное распределение стока в году, наибольшая часть его наблюдается в период весеннего половодья и составляет 76 % всего годового стока. Течение рек постоянно, за исключением  мелких. Подъем уровня воды в реках начинается в среднем в начале апреля и заканчивается в конце апреля – начале мая. За время половодья уровень воды на реках Чардым и Медведица повышается в среднем на 1,5- 3 м, а на притоках до 1,2- 2 м. Вода в это время заливает всю пойму. Зимний режим характеризуется устойчивым ледяным покровом, ледостав устанавливается с середины ноября по середину марта и начало апреля, продолжительность его 109-142 дня, толщина льда от 45 до 85 см, максимальная – 103 см (р. Медведица). Температурный режим рек меняется в зависимости от сезонов года наиболее интенсивный нагрев водной поверхности происходит в июне-августе и колеблется от +18 до +22оС. Максимум наступает в июле + 230. Продолжительность купального сезона на реках и водоемах со среднесуточной температурой воды выше +170С  – 85-90 дней. Самой крупной рекой на территории муниципального образования является река Чардым, она пересекает территорию с северо-запада на юго-восток, а затем сделав поворот, с севера на юг. Долина реки хорошо разработана с ассиметричными склонами, правый высокий и крутой, а левый чаще всего пологий. Река имеет хорошо развитую пойму. Характеристики других рек аналогичны названной. Вода в реках района пресная, обладает хорошими  питьевыми качествами. В районе преобладают ветры юго-восточного, северо-западного и западного направлений. Муниципальное образование относится к зоне сейсмического риска первой категории [2].

 

2.5. Почвы

В соответствии с климатическими и геоморфологическими условиями, горными породами почвообразовательный процесс на территории района протекает по лесостепному типу с образованием черноземных  почв.

 В почвенном покрове доминируют выщелоченные черноземы в северной части и обыкновенные на юге [5].

Гипс и легкорастворимые соли в профиле почв отсутствуют. Содержание гумуса в верхних 10 см — 6-10%, падение его вниз по профилю постепенное. В составе гумуса гуминовые кислоты преобладают над фульвокислотами, отношение Сг : Сф = 1,5-2,0. В верхней части гумусового горизонта реакция среды близка к нейтральной или нейтральная, и лишь к нижней границе гумусового горизонта происходит ее слабое подкисление. Почвы имеют высокую емкость поглощения (40-50 мг-экв на 100 г почвы), в подгумусовом горизонте — 25-35 мг-экв на 100 г почвы, поглощающий комплекс практически полностью насыщен основаниями. Валовой состав говорит об отсутствии заметного передвижения полуторных окислов в профиле почв; отмечается некоторая (до 10-15%) обедненность полуторными окислами и илом верхней части гумусового горизонта. Выщелоченные черноземы и обыкновенные черноземы не содержат поглощенного водорода. Обыкновенные черноземы насыщены Са++ и Mg++ и лишь в отдельных случаях в них встречаются следы поглощенного Na+ [3].

В связи с такой насыщенностью почвенных коллоидов основаниями рН солевой вытяжки обыкновенных черноземов колебляется около 7,0; нейтральная или близкая к ней.

 

 

2.6. Растительный и животный  мир

Территория муниципального района расположена в зоне луговых степей (северная часть района) и разнотравно-типчаково-ковыльных степей, (центральная часть района) и типчаково-ковыльных степей (южная часть). Леса в основном расположены на вершинах и склонах водоразделов, представлены они ольшаниками, дубравами, осиновыми и березовыми волнами. Кроме того, на территории района есть лесополосы и лесонасаждения вдоль оврагов, состоящие из клена, акаций, лоха, дуба, смородины золотистой и других пород. Общая площадь лесного фонда 24,3 тыс. га. В долинах речек, балок и оврагов растут ивняк, ветла, дуб, береза, черемуха и др. Естественная травянистая растительность сохранилась в основном  в балках, оврагах, на нижних частях склонов, вдоль оврагов и речек, на крутых склонах холмов, бугров и уступов к долинам рек. В лесах района встречаются: куница, крот, заяц-беляк, соня-лесная и соня-полчек, сурки, слепыши, барсуки, кабаны, лоси, лисицы, ежи, барсуки, белки, лесная мышь, желтогорлая мышь ласка, горностай, волки, благородный олень, тетерев [11].

 

2.7. Современное экологическое  состояние района проведения  исследований

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу муниципального Новобурасского района в 2012 году составили 1,797 тыс. т, в том числе:

• от стационарных источников – 0,197 тыс. т;

• от автотранспорта – 1,6 тыс. т.

По сравнению с предыдущим годом суммарный объем выбросов от источников муниципального района уменьшился на 0,302 тыс. т. основным источником выбросов в атмосферу является автотранспорт.

Забор воды из водных объектов, всего на 2012 год составили 3,23 млн.м3, в том числе:

  • из поверхностных 2,83 млн.м3
  • из подземных 0,4 млн.м3

Сброшено в поверхностные водоемы загрязненных сточных вод, всего 2,33 млн.м3.

По данным министерства строительства и ЖКХ области вывезено всего отходов ТБО – 217 тыс.м3[8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. СХЕМА ОПЫТА ПРОВЕДЕНИЯ  ИССЛЕДОВАНИЙ

Таблица 1

Полевой севооборот

№ поля

Культуры севооборота

Площадь, га

1

Пар

100

2

Озимая пшеница

150

3

Овес

150

4

Подсолнечник

150


 

 

В полевом севообороте, приведенном в таблице 3, использованы одни из важнейших возделываемых культур.

Чистый пар – поле, свободное от возделывания сельскохозяйственных культур в течение летнего периода. На этом поле проводят систематическую обработку почвы, вносят удобрения, осуществляют другие мероприятия по подготовке поля под посев последующей культуры [11].

Озимая пшеница – важнейшая зерновая культура. По посевным площадям занимает 1-ое место и является главной продовольственной культурой. Пшеничный хлеб характеризуется высокой питательностью, вкусовыми качествами, а за усвояемость превосходит хлеб из муки других зерновых культур. Также является важной кормовой культурой. Пшеничные отруби – ценный концентрированный корм для всех сельскохозяйственных животных. А главное, озимая пшеница самый хороший предшественник для других культур севооборота[11].

Овёс – важная продовольственная, кормовая и техническая культура. Овёс возделывают в самых различных почвенно-климатических зонах, что характеризует его относительную приспособленность к любым почвам. Также он неприхотливое к почвам и климату растение со сравнительно коротким (75—120 дней) вегетационным периодом, семена прорастают при +2°С, всходы переносят небольшие заморозки[11].

Подсолнечник является типичным растением степной и лесостепной полосы. Обладает высокой пластичностью, которая позволяет возделывать его в различных климатических условиях. Подсолнечник — основная масличная культура, из которых получают пищевое и техническое масло. Жмыхи используются в корм сельскохозяйственным животным; из золы стеблей получают поташ или применяют её как удобрение[11].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Оценка устойчивости  агроэкосистем при различных  системах земледелия

4.1 Влияние традиционного  и альтернативного земледелия  на продукционный процесс агроэкосистемы.

  В системе удобрений  севооборотов должно преобладать  основное удобрение, вносимое с  осени под вспашку. Это исключает  возможность смыва и сноса  ветром удобрений и газообразные  потери азота, и  дает часто  более высокую прибавку урожая  сельскохозяйственных культур.

Таблица 2

Системы удобрений в сопоставляемых системах земледелия

№

Системы земледелия

Поля севооборота

пар

Озимая пшеница

Овёс

Подсолнечник

1

Без удобрения

-

-

-

-

2

Традиционная

P60

N60

N60P60

N30P30

3

Альтернативная

30 т/га навоза

-

Запашка соломы  3 т/га солома

-

4

Интегральная  (комплексная)

18т/га навоза

N60

N30P30

-


 

 

Из таблицы 2 видно, что при традиционной системе земледелия применяются минеральные удобрения. При размещении озимой пшеницы по чистому пару после бобовых азотные удобрения не применяются, только фосфорные и калийные. Под овёс вносим фосфорные удобрения, они повышают содержание крахмала в зерне. Под подсолнечник вносим азотные и фосфорные удобрения.

При альтернативной системе по чистому пару вносили 30 т/га навоза, что способствует озимой пшеницы повысить урожай. Под посев овёс заделывали солому, которая способствует хорошему развитию культуры и повышению плодородия почвы.

При интегральной системе по чистому пару запахивали навоз (18 т/га) под озимую пшеницу, под овёс и подсолнечник – азотные и фосфорные удобрения.

 

 

Таблица 3

Влияние систем земледелия на урожайность культур и продуктивность севооборота в целом (т/га)

№

Системы земледелия

Поля севооборота

В целом за ротацию севооборота (в зерновых единицах)

1-ое

2-ое

3-е

4-ое

Пар

Озимая пшеница

Овес

Подсол-нечник

1

Без удобрений

-

2,0

1,36

1,54

4,9

2

Традиционная

-

2,2

1,52

1,68

5,3

3

Альтернативная

-

2,4

1,44

1,96

5,8

4

Экологическая

-

2,6

1,84

2,24

6,68


 

 

На основании полученных результатов (таблица 3) можно заключить, что самая высокая продуктивность при экологической системе земледелия (6,68 т/га), а самая низкая продуктивность без внесения удобрений (4,9 т/га).

 

 

 

4.2. Расчет выноса азота  с отчуждаемым урожаем культур  севооборота

 

Расчет выноса азота с культурами севооборота:

Без удобрений: урожай зерна озимой пшеницы 20 кг/га  при расходе азота 3,5 кг на образование 1 ц зерна и сопутствующей побочной продукции (соломы) выносит азота – 70 кг; овёс –17 при расходе азота 3,1 кг на образование 1ц зерна выносит азота - 52,7 кг; подсолнечника –11 ц/га при расходе азота 60 кг на образование 1ц зерна выносит азота – 66 кг. В целом за ротацию севооборота вынос азота составляет 188,7 кг.

Традиционная система земледелия: урожай зерна озимой пшеницы 22 кг/га  при расходе азота 3,5 кг на образование 1 ц зерна и сопутствующей побочной продукции (соломы) выносит азота – 77 кг; овёс –19 при расходе азота 3,1 кг на образование 1ц зерна выносит азота - 58,9 кг; подсолнечника –12 ц/га при расходе азота 60 кг на образование 1ц зерна выносит азота – 72 кг. В целом за ротацию севооборота вынос азота составляет 207.9 кг.

Альтернативная система земледелия: урожай зерна озимой пшеницы 24 кг/га  при расходе азота 3,5 кг на образование 1 ц зерна и сопутствующей побочной продукции (соломы) выносит азота – 84 кг; овёс –18 при расходе азота 3,1 кг на образование 1ц зерна выносит азота - 55,8 кг; подсолнечника –14 ц/га при расходе азота 60 кг на образование 1ц зерна выносит азота – 84 кг. В целом за ротацию севооборота вынос азота составляет 223.8 кг.

Экологическая система земледелия: урожай зерна озимой пшеницы 26 кг/га  при расходе азота 3,5 кг на образование 1 ц зерна и сопутствующей побочной продукции (соломы) выносит азота – 91 кг; овёс –23 при расходе азота 3,1 кг на образование 1ц зерна выносит азота – 71.3 кг; подсолнечника –16 ц/га при расходе азота 60 кг на образование 1ц зерна выносит азота – 96 кг. В целом за ротацию севооборота вынос азота составляет 258.3 кг.

 

Таблица 4

Хозяйственный вынос азота культурами севооборота (кг / га)

№

Системы земледелия

Поля севооборота

В целом за ротацию севооборота

1-ое

2-ое

3-е

4-ое

Пар

Озимая пшеница

Овес

Подсол-нечник

1

Без удобрений

-

70

52,7

66

188,7

2

Традиционная

-

77

58,9

72

207,9

3

Альтернативная

-

84

55,8

84

223,8

4

Экологическая

-

91

71,3

96

258,3


 

 

Наиболее высокий вынос хозяйственного азота также отмечался на экологической системе земледелия и составил 258,3 кг/га, а самый низкий вынос азота оказался на системе земледелия без удобрений и составил 188,7 кг/га.

 

4.3 Реальный баланс гумуса  за ротацию севооборота

Реальный баланс гумуса в отличие от расчетного устанавливается на основе прямого определения количества гумуса в почвы до и после ротации севооборота.

Только прямое определение реального баланса может дать объективную оценку изменения гумусового состояния почвы в течение ротации под влиянием различных технологий выращивания культур и систем земледелия.

Пересчет количество гумуса в т/га осуществляется по формуле:

П=Т*Нг*d, где 

П - количество гумуса, т/га

Т – содержание гумуса, %

Нг – глубина пахотного слоя, см (22)

d – объемная масса, г/см3  (1,25) 

Таблица 5

Реальный баланс гумуса в слое почвы 0 - 30 см

 

№

Системы земледелия

Содержание гумуса

Сальдо +_

В начале ротации

В конце ротации

%

т/га

%

т/га

1

Без удобрения

3,5

96,25

3,45

94,88

- 1,37

2

Традиционная

3,8

104,5

3,75

103,13

-1,37

3

Альтернативная

4,1

112,75

4,05

111,38

-1,37

4

Экологическая

4,4

121

4,45

122,38

1,38


 

 

 Из данных таблицы 5 видно, что прирост  гумуса происходит при экологической системе земледелия.

 

4.4 Расчет общей биоутилизации  азота за ротацию и биоутилизации  его из применяемых удобрений

  Минерализация органического  вещества почвы количественно  выражается в значительной степени  выносом азота урожаями культур, а процессы гумусообразования  непосредственно связаны с накоплением  азота в почве.