Возможности оптимизации функционирования агроэкосистем

1. Исходная характеристика агроэкосистемы № 04

1. Местоположение хозяйства: 

Район Красно-Баковский

Хозяйство колхоз «Заветы Ильича».

Таблица 1.1

Общая характеристика агробиоценоза  № 04

Таблица 1.2.

Экспликация земель

Таблица 1.3

Уровень развития растениеводства (в среднем за 5 лет)

Таблица 1.4

Характеристика изучаемого севооборота

Основным производственным направлением хозяйства является возделывание сельскохозяйственных культур по интенсивной технологии, а именно оно специализируется на выращивании продовольственного и фуражного зерна,  так же для животноводческого комплекса выращивается клевер.

В структуре посевных площадей на первом месте находятся  зерновые и силосные культуры. Средняя урожайность озимых зерновых культур 21,5 ц/га, яровых – 17,3 ц/га (что соответствует средней урожайности зерновых по области 15-16 ц/га). Средняя урожайность картофеля в хозяйстве составляет 195 ц/га, кормовых корнеплодов - 360 ц/га, кукурузы на силос – 210 ц/га. Кроме этого растениеводческая отрасль хозяйства включает в себя в себя выращивание многолетних бобовых и злаковых трав, однолетних смешанных посевов на зеленую массу.

Почвы хозяйства дерново-подзолистые  песчаные, супесчаные, легкочуглинистые. Данная почва имеет реакции почвенного раствора от среднекислой до близкой к нейтральной.

Гранулометрический  состав  определяет  водопроницаемость,  водоудерживающую  и  водоподъемную  способность. Почвы  данного  хозяйства  дерново-подзолистые с  легким  супесчаным  механическим составом,  поэтому  они  плохо  удерживают  воду,  но  будут  быстрее  прогреваться [3].

       Наиболее  благоприятна  для  роста   растений  плотность  почвы  1,10-1,25  г/см³, плотность  почв  хозяйства  (1,11-1,22 г/см³)  вполне  соответствует  этому  требованию.

Различные  растения  имеют  неодинаковый интервал  рН,  благоприятный  для  их  роста  и  развития и  обладают  разной  чувствительностью  к  отклонению  реакции  от  оптимальной. Почвы  хозяйства  имеют  среднекислую  реакцию  среды  в  диапазоне  4,3-5,0. На  таких  почвах  хорошо  растет  рожь,  овес. Чувствительны и малочувствительны  к  среднекислой  реакции  среды  озимая  пшеница  (благоприятная  реакция  среды  6,3-7,5),  клевер  (6,0-7,0), картофель (4,5-6,3) [2]. Наиболее  благоприятны  для  его  роста  слабокислые почвы  (5,5-6,0). Таким  образом,  можно  сделать  вывод о  том,  что  почвы  хозяйства  по  кислотности  вполне  благоприятны  для  выращивания  выбранных  культур.

Дерново-подзолистые  почвы  отличаются низким  плодородием - невысоким  содержанием  питательных  элементов  и  гумуса [2]. Содержание  фосфора  варьирует  в пределах 72-93  мг/кг,  тогда как наиболее  благоприятным  является  содержание  150  мг/кг. Содержание  калия  также  невелико 54-74 мг/кг  (норма 150  мг/кг). Однако, недостаток элементов питания отчасти восполняется внесением органических и минеральных удобрений.

Значительное  влияние  на  рост  и  развитие  растений, на  их  химический  состав,  помимо  генетического  фактора, оказывают  экологические  условия. Избыток  тех  или  иных  химических  элементов  в  окружающей  среде  нередко  отрицательно  сказывается  на  качестве  продукции,  росте  и  развитии  растений.

Вследствие  антропогенной  деятельности  может   происходить  загрязнение  почвы  тяжелыми  металлами. Основным  источником  являются  выхлопные  газы  автотранспорта,  сельхозтехники. Повышенное  содержание  в  почве  тяжелых  металлов  может  сопровождаться  нарушением  деятельности  ферментов  в  растении,  снижением  содержания  витаминов,  замедление  роста  растений.

Загрязнение  почвы  тяжелыми  металлами  приводит  также  к  уменьшению  содержания  биологически  важных  веществ,  к  утрате  ее  плодородия,   к  снижению  урожайности  сельскохозяйственных  культур. Доступность тяжелых  металлов  растениям  зависит  от  кислотности  почвы,  ее  механического  состава,  содержания  в  ней  органического  вещества. С  увеличением  уровня  кислотности  возрастает  фитотоксичное  действие  металлов. Внесение  органических  удобрений  может  снизить  доступность  тяжелых  металлов  для  растений  в  результате  образования  труднорастворимых  комплексных  соединений.

Таким  образом,  следует  отметить,  что  необходимы  соответствующие  меры  по  предотвращению  загрязнения  почвы,  гидросферы  промышленностью,  техникой  и  автотранспортом.

При  проведении  агрохимических  исследований  важно  учитывать  баланс тяжелых  металлов  в  агроэкосистемах  с  учетом  всех  источников  их  поступления,  в  том  числе  и  из  атмосферы.  

В сельскохозяйственном производстве существует связь между соотношением видов угодий. Наличие лишь одного вида ведет к быстрой деградации почвы. Распаханность не должна превышать 50% к общей площади земельных  угодий. Леса, кустарники и луга должны составлять не менее 25-30%, доля урбанизированной площади не более 10%. Площадь одного поля не должна превышать 100-150 га.  
Из таблицы 1.2 видно, что ни один из параметров баланса не нарушен.

2. Оценка устойчивости почв к антропогенному воздействию

Устойчивость – это  способность возвращаться после  возмущения в исходное состояние  и сохранять производительную способность  в социально-экономической системе. Для почв могут выделяться различные  виды устойчивости: геохимическая –  способность к самоочищению от продуктов загрязнения и снижению их токсичности; биологическая – восстановительные и защитные свойства растительности; физическая – устойчивость литогенной основы (противоэрозионная устойчивость).

Наибольший интерес  представляет оценка интегральной устойчивости, которая определяет устойчивость почв ко всему комплексу антропогенных воздействий.

Для определения интегральной устойчивости почв сельскохозяйственных угодий предлагается следующая система  оценок в баллах:

1. выбирается ряд показателей, описывающих изучаемый объект, и наиболее рельефно характеризующий его устойчивость к техногенезу;
2. показатели ранжируются в порядке усиления их роли в поддержании устойчивости;
3. для каждого объекта находится сумма баллов по всем выбранным показателям. Можно использовать систему баллов в целых числах (от 0 до 4, от 0 до 5 и т.п.). Однако, рекомендуется проводить нормирование баллов от 0 до 1 (0 – 0,25 – 0,50 – 0,75 – 1,0 и т.п.).

На основании суммарной балльной оценки, почвы делятся на категории (от крайне неустойчивой до высокоустойчивой).

Почвообразующие породы. Почвообразующие  породы  являются  одним  из  основных  факторов,  определяющих  устойчивость  почв  к  эрозионным  процессам,  усиливающимися  в  результате  деятельности  человека.

Наибольшая  устойчивость  свойственна  почвам,  сформированным  на  породах,  имеющих:

• хорошую  водопроницаемость,  снижающую  возможность  образования  интенсивного  поверхностного  стока (при  этом  следует учитывать,  что хорошая водопроницаемость свойственна не  только  почвам,  сформированным  на  песчаных  отложениях,  но и  тяжелосуглинистым  хорошо  оструктуренным  почвам);
• высокую  степень  связанности,  обусловленную  присутствием   полуторных  окислов  и  карбонатов;
• определенный  гранулометрический  состав  с  преобладанием  мелкопылеватой  и  илистой  фракции,  в наибольшей  степени  благоприятствующий  формированию  прочной  структуры [5].

Устойчивость по почвообразующим  породам составляет 0,25 балла по всем полям, то есть  данные  почвы малоустойчивы  к  антропогенному  фактору.

Рельеф. Основной  характеристикой  рельефа,  определяющей  устойчивость  почвы  к  деструктивным  процессам  (главным  образом  к  водной  эрозии)  является  уклон  местности. При  возрастании  угла  наклона  соответственно  увеличивается  скорость  и  энергия  поверхностного  стока  (плоскостного и  линейного),  что  ведет  к  снижению  устойчивости  почвы. Рельеф  ранжируется  на  3  категории [5].

Крутизна склонов определяет вид использования, поэтому для правильного использования агроландшафтов необходим правильный подбор сельскохозяйственных культур. На склонах должны проводиться мероприятия, защищающие земли от разрушения.

На участках с уклоном  от 1-3⁰ может проявляться слабый смыв почвы. Для защиты вспашку следует проводить поперек склона.

При крутизне склона от 3-5⁰ проявляется средний смыв, рекомендуется участие многолетних трав в севообороте и сокращение в них пропашных культур с обязательным выполнением соответствующих противоэрозионных мероприятий.

На участках с уклоном  от 5-8⁰ проявляется сильный смыв и используются почвозащитные севообороты [6].

В данном хозяйстве севооборот соответствует требованиям предъявляемым к подбору сельскохозяйственных культур: в нем присутствует достаточное количество многолетних трав и умеренное количество пропашных. В таком случае можно сказать, что все почвозащитные меры уже соблюдены.

Устойчивость по рельефу  по полям 1, 2, 4 и 5 составляет 1,0 балл, а по полю 3 – 0,5 балла.

Увлажненность. Условия  увлажненности  сельскохозяйственных  территорий ранжируются  в  зависимости  от  дренированности  территории,  гранулометрического  состава  почв  и  типа  севооборота. По  данному  показателю  почвы  ранжируются  на  5 категорий [5]. Устойчивость по увлажненности составляет 0,0 балла по всем полям.

В  таких  почвах  формируется  промывной  водный  режим. При  этом  режиме  толща  над  грунтовыми водами  промачивается  на  всю  глубину. Основной  статьей  прихода  влаги  являются  атмосферные осадки,  которых в среднем за год в хозяйстве выпадает  612  мм,  расходуется влага на  транспирацию  и увлажнение.

Гранулометрический  состав  почв  хозяйства  обладает  низкой  влагоемкостью  и  водоудерживающей  способностью,  в  результате  чего  почвам  присваивается  низший  балл.

Теплообеспеченность Почвы  хозяйства  в  целом  получают  одинаковое  количество  солнечного излучения,  однако  ряд  факторов – увлажненность,  мезорельеф (экспозиция  склона)  и  микрорельеф,  цвет  почвы (влияющий  на   величину  альбедо),  гранулометрический  состав, – в значительной  степени  обуславливают  вариабельность  теплообеспеченности  в  пределах  даже  небольшого  района. Условия  теплообеспеченности  ранжируются на  4  категории [5]. Устойчивость по теплообеспеченности составляет 0,33 балла по всем полям.

Запас гумуса в  слое 0 – 20 см. Высокое  содержание  гумуса  является  основным  фактором,  определяющим  оструктуренность  почвы,  богатство  ее  элементами  питания,  оптимальные  водно-физические  свойства,  что  снижает  ее  подверженность  водной  эрозионным  процессам.

Гумус  обладает  феноменальной,  в  сотни  раз  большей,  чем  у  равного  по  массе  количества  глины,  способностью удерживать  воду  и  питательные  элементы. Положительное  влияние  запаса  гумуса  проявляется  и  в  экстремальных  ситуациях:  в  засушливые  периоды  благодаря  повышенной  влагоемкости  высокогумусированных  почв,  а  при  химическом  загрязнении  почв – благодаря  высокой  сорбционной  способности  органических  веществ.

При  сельскохозяйственном  использовании  почв  большое  значение  имеют  также  энергетические  и  экономические  аспекты  проблемы,  так  как  гумусовое  состояние  почв  в  значительной  мере  определяет  затраты  механической  энергии  на  обработку  почв. Данный  показатель  ранжируется  на  6  категорий [5]. Устойчивость по запасам гумуса составляет 0,4 балла по всем полям.

Степень насыщенности почв основаниями. Степень  насыщенности  почв  основаниями  тесно  связана  с  такими  почвенными  характеристиками,  как  реакция  среды,  степень  оструктуренности,  устойчивость  почвенного  поглощающего  комплекса,  биологическая  активность  и  некоторыми  другими. Увеличение  значения  данного  показателя  оказывает  благоприятное  воздействие  на  устойчивость  почв. Данный  показатель  ранжируется  на  5 категорий [5].Устойчивость по степени насыщенности основаниями составляет 0,5 балла по всем полям.

Кислотность. Почвы,  имеющие  высокую  степень  кислотности,  обусловленную  как  условиями  почвообразования,  так  и  антропогенным  воздействием,  значительно  отличаются  от  почв  с  нейтральной  реакцией  среды.

Наиболее  значимыми  отличиями  кислых  почв  являются  более  слабая  оструктуренность  и  связность,  высокая  скорость  выщелачивания  биогенных  элементов  и  большие их  потери,  слабое  развитие  почвенного  покрова,  высокая  подвижность  ионов  тяжелых  металлов  и микроэлементов,  а  также некоторые  другие  неблагоприятные  особенности,  что  в  целом  обуславливает  невысокую  устойчивость таких почв  к  техногенным  процессам. Кислотность  почв ранжируется на  3 категории [5].Устойчивость по кислотности составляет 0,5 балла по всем полям.

Степень сельскохозяйственной освоенности. В  связи  с  тем,  что  сельскохозяйственное  освоение  территории чаще  всего  ухудшает  свойства  почв  (потеря  гумуса,  развитие  эрозионных  процессов,  подкисление  и  т.п.),  данному  показателю  целесообразно  присвоить  отрицательный  балл. Показатель  ранжируется на  3  категории [5]. Устойчивость по степени сельскохозяйственной освоенности по полям 1, 2, 3 и 5 составляет -1,00, а по полю 4 - -0,33.

Первичная биологическая продуктивность. Высокая биологическая продуктивность территории является косвенным свидетельством экологического благополучия почвы и, следовательно, ее высокой устойчивости к антропогенному воздействию. В то же время, она оказывает совершенно определенное прямое влияние на устойчивость почв, поскольку высокая биологическая продуктивность обуславливает регулярное поступление органического вещества в почву и является фактором улучшения гумусного состояния, вводно-воздушного, термического и других режимов почвы.

Показателем  первичной  биологической  продуктивности  может служить  величина  урожая  биомассы  (включающая  товарную  и  побочную  продукцию,  корневые  и  пожнивные  остатки). Однако,  учитывая  тот  факт,  что  большая  биомассы ежегодно  удаляется  за  пределы  агроэкосистемы,  в  данном  показателе  следует  учитывать  лишь  количество  корневых  и  пожнивных  остатков,  которое  рассчитывается  в  среднем  за  год в  севообороте. Показатель  ранжируется на  5  категорий [5].

Устойчивость по биологической  продуктивности по всем полям составляет 0 баллов.

Показатель устойчивости определенного  участка почвенного покрова оценивается  путем суммирования баллов по всем анализируемым показателям, с учетом чего выделяют отдельные категории интегральной устойчивости почв.

Для характеристики устойчивости почв хозяйства в целом можно использовать средневзвешенный балл устойчивости, рассчитываемый по формуле:

Б = [(б₁ * S₁) + (б₂ * S₂) + (б₃ * S₃) + … + (б_n * S_n)] / S,

где    Б – средневзвешенный балл устойчивости;

б_1,2,3…n – интегральные баллы устойчивости по отдельным полям хозяйства;

S_1,2,3…n – площади отдельных полей;

S – суммарная обследуемая площадь.

Средневзвешенный балл устойчивости исследуемого севооборота равен:

Б = [(1,98 * 95) + (1,98 * 96) + (1,48 * 100) + (3,65 * 110) + (1,98 * 99)] / 500 = (188,10 + 190,08 + 148,00 + 401,50 + 196,02) / 500 = 1123,7 / 500 = 2,25.

Исходя из полученного  средневзвешенного балла делаем вывод, что почвы данного севооборота по степени интегральной устойчивости относятся к неустойчивым.

Результату устойчивости по всем показателям устойчивости на каждом исследуемом поле, а также  средневзвешенный балл устойчивости и  степень устойчивости почв в среднем по севообороту приведены в сводной ведомости в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Сводная ведомость оценки почвенного покрова по показателям, определяющим его интегральную устойчивость

Данные  по  устойчивости  почв  хозяйства  к  антропогенному  воздействию  позволят  дать  квалифицированное  заключение  о  качестве  почвы  в  наблюдаемое  время  и  спрогнозировать  его  изменения  в  будущем,  оптимизировать  размещение  промышленных  предприятий,  степень  очистки  выбросов  веществ,  загрязняющих  природную  среду,  и  провести  экологическую  экспертизу  территории [5].

Средневзвешенный бал  составляет 5, почва в хозяйстве  «Завет Ильича» Краснобаковского района неустойчива к антропогенному воздействию. Необходимо пересмотреть систему применения удобрений и севооборот. Правильно составленный севооборот и сбалансированное внесение удобрений приведет к процессу гумусообразования и усилению биологической активности.

3. Оценка степени деградации почв

Деградация почв представляет собой совокупность процессов, приводящих к изменению функций почвы  как элемента природной среды, количественному  и качественному ухудшению ее свойств и режимов, снижению природно-хозяйственной  значимости земель. При этом под природно-хозяйственной значимостью понимается качество земель, лимитирующее характер и эффективность их хозяйственного использования, участия почвенного покрова в обеспечении функционирования экосистем (в том числе и агроэкосистем) и существования природных ландшафтов.

Деградация земель (почв) может быть вызвана и химическим загрязнением, т.е. изменением химического  состава почв под воздействием промышленности, сельского хозяйства, бытовой и  иной деятельности человека, что также  приводит к снижению качества земель и плодородия почв.

Таким образом, ухудшение  свойств почвы, как среды обитания биоты, в результате воздействия  природных или антропогенных  факторов называется деградацией, а  почвы, в которых негативные процессы природного или антропогенного характера привели к снижению продуктивности растительной продукции или ее качества, называют деградированными.

Под степенью деградации почв и земель в целом понимается характеристика их состояния, отражающая ухудшение качества их состава и  свойств. Крайней степенью деградации является уничтожение почвенного покрова.

В качестве критериев  деградации почв, как правило, применяются  не абсолютные значения показателей, а  их изменение (кратность) по отношению  к исходному или принимаемому за контроль состоянию почвы. За норму или эталон почвы при определении степени ее деградации может быть использована однотипная условно ненарушенная почва или данные предшествующих исследования.