Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Національний аграрний університет
ЕДАФО-ФІТОЦЕНОТИЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ
ФОРМУВАННЯ ТА ФУНКЦІОНУВАННЯ
СТІЙКИХ АГРОЕКОСИСТЕМ
НА РЕКУЛЬТИВОВАНИХ ЗЕМЛЯХ СТЕПУ УКРАЇНИ
03.00.16 - екологія
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора сільськогосподарських наук
КИЇВ –
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Дніпропетровському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України
|
Науковий консультант - |
доктор біологічних наук, професор, академік УААН Масюк Микола Трохимович |
|
Офіційні опоненти: |
доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Тараріко Олександр Григорович, Державний екологічний інститут, проректор з наукової роботи |
|
доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Бабич Анатолій Олександрович, Інститут кормів УААН, завідувач відділу селекції і технології зернобобових культур |
|
|
Доктор біологічних наук, професор Григора Іван Михайлович, Національний аграрний університет, професор кафедри ботаніки |
|
|
Провідна установа - |
Інститут агроекології та біотехнології, відділ моніторингу та біотехнології мікроорганізмів і вірусів, м. Київ |
Захист відбудеться 25 березня 2005 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.02 у Національному аграрному університеті за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв оборони, 15, навчальний корпус № 3, аудиторія № 65
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, м. Київ, вул. Героїв оборони, 13, навчальний корпус № 4, к. 41
Автореферат розісланий 11 лютого 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Мороз М.С.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. У сучасних умовах кожні 15 років відбувається подвоєння загальносвітового видобутку корисних копалин із надр Землі. Україна, займаючи менше 0,5 % світової площі, видобуває, переробляє і залучає у виробництво близько 5 % світового обсягу мінерально-сировинних ресурсів (Трегобчук, 1997). Це зумовило формування потужного гірничодобувного комплексу, який призводить до величезних навантажень на довкілля, у тім числі й на земельні ресурси. Тому урядом України прийнята “Концепція поліпшення екологічного становища гірничодобувних регіонів України” (1999), в якій вказується на необхідність розробки комплексу заходів, спрямованих на стійке функціонування природних екосистем та приведення довкілля у стан, що гарантує безпеку життя і здоров’я людей.
Рекультивація порушених земель передбачена Земельним кодексом (ст. 166) та Законом “Про охорону земель” (ст. 52). За даними Держкомзему України, на початок 2002 р. в степовій зоні зареєстровано 87,5 тис. га порушених земель, негативний вплив яких поширюється на значно більшу територію.
Оптимізація ландшафтів порушених територій складна еколого-економічна, соціальна і технічна задача проблема. Сформовані на рекультивованих землях агроекосистеми в даний час переважно не відзначаються екологічною стійкістю та високою продуктивністю агрофітоценозів. Для них властива висока амплітуда річних та зональних коливань урожайності вирощуваних культур унаслідок низької адаптованості системи „агроценоз – екотоп”. Тому одним із напрямків вирішення проблеми є створення на рекультивованих землях високопродуктивних багаторічних складних агрофітоценозів з вираженими фітомеліоративними властивостями.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконували у відповідності до державної НТП "Продовольство-95" за темою "Вдосконалення системи створення і використання рекультивованих земель в техногенних ландшафтах степової зони України" (№ д.р. 0194U021015); НТП 01.04 "Охорона і відтворення земельних ресурсів" за темою "Технологія біологічного відновлення і підвищення родючості порушених гірничими роботами земель на ранніх етапах рекультивації у степовій зоні" (№ д.р. 0196U021023); НТП "Родючість і охорона ґрунтів" за темою "Розробити технологію поліпшення родючості рекультивованих та еродованих земель шляхом створення довговегетуючих фітомеліоративних агроценозів" (№ д.р. 0101U004233).
Мета і задачі досліджень. Мета досліджень –теоретичне обґрунтування та практична реалізація програми формування стійких високопродуктивних агроекосистем на рекультивованих землях, які відповідають концепціям природоохоронного землекористування та біологізації землеробства, створюють умови для інтенсивного ґрунтотворного процесу в штучних едафотопах степової зони України. Для досягнення мети були поставлені такі основні завдання:
– установити едафічні та фітоценотичні чинники, що визначають стійкість і стабільність функціонування системи “агрофітоценозедафотоп” на техноземах;
– визначити спроможність розкривних гірських порід до грунтотворення за їх біоенергетичними та термодинамічними характеристиками;
– дослідити динаміку едафічних властивостей літоземів при тривалому сільськогосподарському використанні залежно від варіантів направленого фітомеліоративного сингенезу та дотацій невідновлюваної енергії;
– установити кількісні і якісні показники багаторічного впливу рослинності на грунтотворення і гумусонакопичення у літоземах;
– на основі дослідженння взаємозв’язку між зміною властивостей штучних едафотопів у часі та структурною організацією багаторічних складних агрофітоценозів визначити еколого-біологічні та фітоценотичні фактори, що забезпечують високу довголітню продуктивність складних багаторічних агрофітоценозів на літоземах;
– обґрунтувати необхідність збільшення тривалості стабілізаційно-фітомеліоративного періоду при рекультивації земель сільськогосподарського призначення;
– розробити для літоземів основні елементи технології створення багаторічних складних агрофітоценозів з інтенсивною ґрунтоутворювальною здатністю, високою продуктивністю, ресурсо- та енергозберігаючим характером;
– обґрунтувати і встановити оптимальні параметри моделей техноземів для сільськогосподарської рекультивації залізорудних шламосховищ;
– дати якісну оцінку продукції сільськогосподарських культур, що вирощуються на рекультивованих землях.
Об’єкт досліджень едафічні і фітоценотичні чинники, що визначають рівень продуктивності агрофітоценозів на рекультивованих землях.
Предмет досліджень штучні едафотопи та агрофітоценози як блоки агроекосистем рекультивованих земель степової зони України.
Методи досліджень: польові, лабораторно-польові та вегетаційні експерименти зі спостереженнями та порівнянням; лабораторно-аналітичні, розрахунково-порівняльні, математично-статистичні.
Методологічною основою досліджень був системний аналіз та оцінка можливостей і способів створення високопродуктивних стійких агроекосистем на рекультивованих територіях, теоретичною вчення про ґрунти та материнські породи; біо- та ноосферу; біогеоценоз; стійкість та біорізноманіття екосистем; екоморфи; оптимізацію агроекосистем та агроландшафтів; первинні екотопи і сукцесії; роль рослинності в ґрунтоутворенні та ін.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено едафічні та фітоценотичні чинники, що обумовлюють стійкість та високу продуктивність агроекосистем на рекультивованих землях; набуло подальшого розвитку вчення про біоекологічну роль та спрямованість геохімічних, агрохімічних і агрофізичних процесів, які відбуваються в трансформованих едафотопах степової зони України при довготривалому сільськогосподарському використанні; вперше розроблено принципи керування зміною домінантів складного багаторічного агрофітоценозу залежно від динаміки властивостей штучних едафотопів при їх біологічному освоєнні; обґрунтовано необхідність удосконалення технології рекультивації земель сільськогосподарського призначення шляхом збільшення тривалості стабілізації спланованих відвалів та введення в технологію рекультивації земель стабілізаційно-фітомеліоративного періоду; вперше запропоновано структурно-функціональні параметри раціональних моделей техноземів для сільськогосподарської рекультивації залізорудних шламосховищ; визначено найбільш пристосовані до умов літоземів види багаторічних сільськогосподарських культур, які у складі бобово-злакових агрофітоценозів забезпечують високу довготривалу продуктивність та фітомеліоративний вплив на едафотоп; розроблені основні елемменти технології створення й вирощування багаторічних бобово-злакових агрофітоценозів з високою довготривалою продуктивністю на рекультивованих землях без покриття родючим шаром ґрунту; встановлена залежність рівня урожайності сільськогосподарських культур від параметрів штучних едафотопів на рекультивованих залізорудних шламосховищах.
Практичне значення одержаних результатів. Рекомендовані високопродуктивні агрофітоценози для рекультивованих земель відповідають концепції стійких екосистем, забезпечують стале виробництво високоякісної сільськогосподарської продукції з мінімальними витратами енергетичних і матеріальних ресурсів, високим природоохоронним і ґрунтотворним ефектом.
Введення в технологію рекультивації стабілізаційно-фітомеліоративного періоду дозволяє використовувати сплановані відвали кар'єрів ще до їх покриття ґрунтовою масою під посіви багаторічних трав з урожайністю 3557 ц/га сіна. За цей період проводять 12 планування поверхні, що суттєво зменшує її деформацію, створює умови для формування позитивних властивостей штучного едафотопу, що забезпечує якісне проведення агротехнічних заходів, економію фінансових і матеріальних ресурсів на ремонт деформованих площ.
Рекомендований добір екологічно і фітоценотично сумісних видів багаторічних трав, адаптованих до умов техноземів, дозволяє створювати в постфітомеліоративний період складні багаторічні бобово-злакові агрофітоценози з тривалістю господарського використання 5–7 років із середньорічною продуктивністю 3364 ц/га сіна, економити на 24-му роках життя щорічно до 90 кг/га азоту завдяки фітомеліорації. Запропонована технологія створення багаторічних складних агрофітоценозів вже впроваджена на 4 тис. га рекультивованих земель Степу України й щорічно ця площа збільшується на 100-200 га.
За результатами досліджень розроблено рекомендації, які використовуються Інститутом землеустрою УААН при розробці проектів біологічної рекультивації порушених земель, сільськогосподарськими підприємствами при розробці бізнес-планів виробництва продукції рослинництва на рекультивованих землях, а також в навчальному процесі при вивченні дисциплін “Ґрунтознавство”, “Агроекологія”, “Землеробство і рослинництво на меліорованих землях”.
Особистий внесок здобувача обґрунтування напрямку, розробка програми і методики досліджень, визначення теоретичних положень та шляхи їх практичної реалізації, планування експериментів та проведення аналізу одержаних результатів. За участю автора та під його керівництвом проведені польові та лабораторні дослідження. У виконанні окремих експериментів брали участь співробітники Проблемної лабораторії рекультивації земель Дніпропетровського державного аграрного університету, на що зроблено посилання в дисертації.
Апробація результатів. Основні результати та положення дисертації оприлюднені і обговорювались: на делегатських з’їздах ґрунтознавців та агрохіміків України (Херсон, 1994; Умань, 2002); на міжнародних наукових конференціях: "Земельні ресурси України: рекультивація, раціональне використання та збереження" (Дніпропетровськ, 1996); "Проблемы образования в области экономики окружающей среды и экологии" (Днепропетровск, 1999); "Аграрна освіта і наука на початку третього тисячоліття" (Львів, 2001); "Відновлення порушених природних екосистем" (Донецьк, 2002); "Раціональне використання рекультивованих та еродованих земель" (Дніпропетровськ, 2002); ASA-CSSA Annual Meeting, Indianapolis, Indiana, 2002 (США); “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів” (Дніпропетровськ, 2003); „Альтернативні технології інтегрованої реставрації середовищ, деградованих значними пертурбаціями” (Іспанія, 2004); Society for Ecological Restoration (Канада, 2004); на всеукраїнських науково-практичних конференціях: "Соціально-економічні проблеми природокористування та екології" (Миколаїв, 2001); "Ландшафтно-екологічні основи використання земель сільськогосподарського призначення в умовах реформування земельних відносин" (Луганськ, 2002), а також демонструвались на виставках "Світ освіти" (Київ, 19982001 рр.) та “Агроперспектива” (Дніпропетровськ, 19952003 рр.).
Публікації. Результати досліджень за темою дисертації опубліковані у 64 наукових працях, з яких 21 стаття у виданнях, затверджених ВАК України як фахові.
Структура і обсяг дисертації. Робота складається із вступу, огляду літератури, опису природно-кліматичних умов та методів дослідження, 6 розділів з описами результатів власних досліджень, висновків, рекомендацій виробництву, списку використаних джерел, додатків. Дисертаційна робота викладена на 361 сторінках комп’ютерного набору, з них 285 сторінок основного тексту. В роботі 76 таблиць, 22 рисунки, додатки на 17 сторінках.Список використаних джерел налічує 576 найменувань, з них 55 латиницею.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
СТАН ВИВЧЕННЯ ПРОБЛЕМИ І ОБГРУНТУВАННЯ
НАПРЯМКУ ДОСЛІДЖЕНЬ (ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ)
У розділі подається огляд літератури з питань сучасного стану та перспектив відновлення порушених земель. Розглянуті класифікація, склад і властивості розкривних гірських порід основних родовищ корисних копалин як субстратів для створення моделей штучних едафотопів. Показана фітомеліоративна роль багаторічних бобових трав у грунтотворенні і біологічному освоєнні рекультивованих земель. Визначені обмежуючі фактори формування і стійкого функціонування агроекосистем на рекультивованих землях, на основі яких обґрунтовано напрямок, мету і задачі подальших досліджень.
Умови ТА МЕТОДИКА проведення досліджень
Спостереженнями, обліком, аналізами, вимірюваннями були охоплені рекультивовані землі Нікопольського марганцеворудного та Криворізького залізорудного басейнів. Експериментальну частину досліджень виконано на дослідних полях Проблемної лабораторії з рекультивації земель Дніпропетровського державного аграрного університету, створених на відновлених землях Орджонікідзевського ГЗК (південний Степ, Азово-Причорноморська провінція) та Північного ГЗК (північний Степ, Дністровсько-Дніпровська провінція).
Клімат зони формується під впливом Атлантичного океану і Середземного моря та Євразійського континенту. Середньорічна температура +8,8...9,1оС, випаровування з відкритої водної поверхні 730...770 мм, сума атмосферних опадів 420...450 мм. Недостатня забезпеченість вологою і високі температури в літні місяці визначають сухість повітря, що призводить до атмосферної й ґрунтової посухи. Ґрунтові води на водороздільних плато знаходяться в основному на глибині 8...20 м і не впливають на водний режим кореневого шару едафотопу. Середньорічний ГТК 0,6...0,8. Вегетаційний період 175...200 днів. Сума активних температур 3100...3500оС. В геоботанічному відношенні райони досліджень належать до зони справжнього степу, перехідної смуги від дерновинно-злакової багаторізнотравної до дерновинно-злакової біднорізнотравної рослинності. Ґрунтовий покрив представлений в основному чорноземами звичайними та південними повнопрофільними і в різній мірі еродованими.
Метеорологічні умови протягом років досліджень відзначались нестабільністю за кількістю опадів і температурним режимом як в окремі роки, так і впродовж вегетаційного періоду. В 1992, 1993, 1994 та 2000 роках річна сума опадів була нижчою, в 1995, 1997, 1999 та 2001 роках вищою, в 1996 та 1998 роках близькою до середнього багаторічного показника. Відновлення вегетації багаторічних трав спостерігалось в III декаді березня (1993, 1994, 1999, 2000 рр.) та в І декаді квітня (19951998 рр.). Найморознішою була І декада січня 1997 року (11,6оС). Температура повітря, вища за середній багаторічний показник, у період вегетації спостерігалась в 1995, 1996, 1998 та 1999 роках.
Геологія. За кар'єрного способу добування марганцевої та залізної руд розкриваються (зверху вниз): четвертинні (голоцен, плейстоцен), неогенові (пліоцен, міоцен) і палеогенові (олігоцен) геологічні відкладення. Нижче ґрунтового покриву (голоцен) залягають лесоподібні (плейстоцен) і червоно-бурі (пліоцен) відкладення, які потужністю до 7 м займають всю територію водорозділів. З 7 до 12 м залягають пліоценові червоно-бурі глини, під якими (до глибини 60...70 м) – міоценові сіро-зелені мергелисті й темно-сірі сланцюваті відкладення. На терасах зустрічаються постпліоценові древньоалювіальні піски. Покрівля марганцевого пласта представлена олігоценовими вохристо-зеленими, зеленими та темно-сірими глинами. В Криворізькому залізорудному басейні геологічна товща порушується відкритими розробками до глибини 250350 м, тому розкриваються ще й метаморфічні та магматичні гірські породи.
Методика досліджень. Вивчали 21 вид сільськогосподарських культур (Triticum aestivum L., Hordeum sativum Jessen, Zea mays L., Avena sativa L., Vicia sativa L., Brassica annua L., Pisum sativum, Melilotus albus Medik., M. officinalis (L) Pall., Onobrychis arenaria (Kit.) DC., Medicago sativa L., Lotus corniculatus L., Galega orientalis Lam., Bromopsis inermis (Leyss.) Holub, Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult., Dactylis glomerata L., Arrhenatherum elatius J. et. Presl., Lolium multiforum Lam., Festuca pratensis Huds., F. rubra L., Poa pratensis L.) в одновидових та складних агрофітоценозах, а також понад 40 моделей штучних едафотопів, створених на порушених відкритими розробками землях Нікопольського марганцеворудного басейну та на шламосховищах Криворізького залізорудного басейну.
Грунтово-агрохімічні властивості техноземів визначали лабораторними методами. Зразки ґрунту (техноземів) відбирались пошарово через 10 см на глибину до 1 м, в яких визначали: гранулометричний склад методом Качинського; щільність методом ріжучого кільця; густину твердої фази пікнометричним методом; структурний склад методом сухого просіювання за Савіновим; водостійкість структурних фракцій за розпливчастістю грудочок ґрунту обліково-статистичним методом Адріанова; повну і капілярну вологоємність методом насичення зразків ґрунту з непорушеною будовою у модифікації Долгова; вміст гумусу методом Тюріна у модифікації Сімакова; рН водне і сольове іонометром; суму ввібраних основ за Каппен-Гільковіцем; загальний азот за Кєльдалем; рухомий фосфор за Мачигіним; фракційний склад фосфатів за Чанг і Джексон в модифікації Гінзбург і Лєбєдєвої; обмінний калій за Протасовим і Кірсановим. Вміст рухомих форм металів визначали на атомно-адсорбційному спектрофотометрі С-302 за Разумовським (1972). Зразки рослин після мокрого озолення сірчаною кислотою та пероксидом водню аналізували на вміст загального азоту з використанням реактиву Неслера, фосфору фотоколориметруванням, калію на полуменевому фотометрі. Вміст енергії в урожаї та органічній речовині едафотопів визначали на установці В-08-МА ПУ 1.470.000 згідно з ГОСТ-147-74. Біоенергетику гумусу, енергетичні та термодинамічні показники техноземів визначали за методиками Алієва (1973) та Волобуєва (1974).
Польові стаціонарні та короткотермінові досліди проводили за загальноприйнятими методичними рекомендаціями (Доспехов, 1985) на едафотопах, представлених лесоподібним суглинком, сумішшю червоно-бурих глин і суглинків, сіро-зеленими мергелистими глинами, а також насипним шаром чорнозему товщиною 30, 50 і 80 см, укладених на лесоподібний суглинок або на сплановану поверхню залізорудного шламосховища. За контроль прийнятий зональний непорушений повнопрофільний грунт.
Стаціонарні польові досліди з багаторічними агроценозами закладали за „Методикою проведення дослідів по кормовиробництву” Інституту кормів УААН (1994). Агротехніка загальноприйнята для Степу. Строк сівби ранньовесняний. Спосіб сівби звичайний рядковий. Облікова площа ділянок 25 м2 при 5-разовому повторенні. Енергетичну ефективність технології визначали за „Методикой биоэнергетической оценки технологии...”, (1983). Кількість кореневої маси визначали методом Станкова (1954).
Багатофакторний багаторічний вегетаційний дослід проводили згідно з методичними вказівками З.І. Журбицького (1968). У вегетаційних посудинах, що вміщають 5 кг субстрату в 3-разовому повторенні вивчали: фактор А субстрати: орний шар чорнозему південного (контроль), лесоподібні суглинки, червоно-бурі суглинки, червоно-бурі глини, сіро-зелені мергелисті глини, темно-сірі сланцюваті глини, древньоалювіальний пісок, яблучно-зелені безкарбонатні глини; фактор В вплив одноразового стартового внесення добрив на родючість субстратів: варіант Без добрив контроль; варіант РК внесення суперфосфату подвійного та калію хлористого з розрахунку 0,15 г діючої речовини на 1 кг субстрату; варіант Гній внесення 30 г гною на 1 кг субстрату; фактор С дія та післядія інокуляції люцерни ризоторфіном (торф + Rhizobium meliloti) на продуктивність сільськогосподарських культур в залежності від субстрату та їх удобреності: варіант 0 без інокуляції (контроль); варіант R насіння люцерни (першої культури, 1982 рік) інокульовані ризоторфіном. Чергування культур в часі (протягом 19822000 рр.) було таким: люцерна посівна 2 роки чистий пар ярий ячмінь горох, поукісно ячмінь кукурудза люцерна 1 рік ярий ячмінь люцерна 4 роки ярий ячмінь 3 роки горох ярий ячмінь люцерна 1рік ярий ячмінь.
Статистичну достовірність експериментальних даних визначали за допомогою дисперсійного аналізу на ПЕОМ по Доспєхову Б.О. (1985).
оцінка гірських порід ГОЛОЦЕН-олігоценового віку
ЯК субстратів для ФОРМУВАННЯ техноземів
Переміщені у відвали гірські породи стають новим об’єктом біологічного освоєння, ґрунтом (літоземом) як фізичним тілом в початковий момент дії на нього факторів ґрунтоутворення і водночас материнською породою, з якої формується ґрунт.
Чинники, що визначають придатність гірських порід для формування штучних едафотопів та рівень їх родючості. Досліджували гранулометричний, мінералогічний та хімічний склад, біоенергетичні і термодинамічні показники, фізичні, хімічні та агрохімічні властивості розкривних гірських порід як субстратів для створення техноземів. Вивчали також динаміку зміни їх властивостей в процесі сільськогосподарського освоєння.
Гранулометричний, мінералогічний та хімічний склад. Основну масу розкривних гірських порід складають субстрати суглинистого (лесоподібні та червоно-бурі відкладення), легко- (червоно-бурі та сіро-зелені мергелисті глини) та середньоглинистого (темно-сірі, чорні сланцюваті та вохристо-зелені олігоценові глини) гранулометричного складу. У суглинках переважають фракції крупного пилу та мулу, в глинах мулу та дрібного пилу. Основними мінералами в пилуватій фракції є кварц, польовий шпат і кальцит, в мулистій – гідрослюда, монтморилоніт, кварц, хлорит, каолініт і гідрослюдисто-монтморилонітові змішано-шаруваті утворення. У ґрунтових процесах високою активністю відзначаються високодисперсні монтморилоніт та гідрослюди; кварц та польові шпати досить інертні. Таким чином, полідисперсність та полімінеральність досліджуваних субстратів визначають їх задовільні едафічні властивості.
У хімічному складі суглинистих відкладів в порівнянні з глинистими міститься більше кремнезему, оксидів алюмінію, калію, магнію, марганцю, менше кальцію. Їх мулиста фракція збагачена алюмінієм, залізом, магнієм та калієм і збіднена кремнієм, кальцієм і натрієм. Розкривні породи не містять фітотоксичних сполук. За молекулярним відношенням SiO2: R2O3 в загальних зразках і виділених із них мулистих фракціях можна зробити висновок про високу дисперсність та переважання змішано-шаруватих гідрослюдисто-монтморилонітових мінералів у глинистих субстратах, особливо у сіро-зелених мергелистих глин.
Отже, не зважаючи на різницю в гранулометричному, мінералогічному та хімічному складі, лесоподібні та червоно-бурі суглинки, червоно-бурі та сіро-зелені глини, як субстрати для створення штучних едафотопів, мають задовільні характеристики.
Геохімія. Встановлено, що при тривалому сільськогосподарському використанні літоземів найбільше взаємозалежних зв'язків між хімічними елементами формується у верхньому метровому шарі штучних едафотопів, представлених сумішшю червоно-бурих глин і суглинків (рис. 1). Вміст важких металів у літоземах не перевищував гранично допустимих концентрацій.
Біоенергетичні й термодинамічні характеристики. В органічних компонентах чорнозему південного акумулюється до 53,5 КДж/100 г енергії, що в 5,4 6,7 разів більше, ніж в розкривних гірських породах. Це пов'язано з меншим вмістом органічних сполук у гірських породах, а також меншою енергоємністю їх органічних компонентів: у зональному ґрунті 20,65, лесоподібному суглинку 19,81, червоно-бурій глині 19,64, сіро-зеленій мергелистій глині 20,33 КДж/г.
Аналіз термодинамічних характеристик мінеральної частини субстратів свідчить, що запаси внутрішньої енергії (енергія кристалічної решітки, вільна енергія Гіббса та ентропія мінеральної частини) у полімінеральних гірських порід менші, ніж в зональному ґрунті (табл. 1).
За ствердженням Ковди В.А. (1973), потенційна родючість ґрунтів обернено пропорційна запасу їх внутрішньої енергії. Тобто, полімінеральні гірські породи мають сприятливі передумови для інтенсивного ґрунтотворного процесу. Їх придатність до біологічного освоєння гірських порід визначається таким рядом: сіро-зелена мергелиста глина темно-сіра глина червоно-бура глина лесоподібний суглинок яблучно-зелена глина червоно-бурий суглинок сіро-зелена безкарбонатна глина древньоалювіальний пісок.
Дослідження фізичних властивостей техноземів ускладнюється із-за руйнування природної структури, перемішування різних за складом і властивостями геологічних відкладень на технічному етапі рекультивації, нерівномірного просідання поверхні та ін. Строкатість гранулометричного складу, різний ступінь щільності гірських порід та насипних шарів ґрунту впливає на характер прояву сорбційних і капілярних сил. Кращу потенційну здатність до агрегатування за гранулометричним показником структурності Вадюніної, Корчагіної (1986) мають міоценові відклади: темно-сірі, сірі і чорні сланцюваті глини 307 %, сіро-зелені мергелисті глини 298 %, вохристо-зелені олігоценові глини 226 %. Суттєво нижча вона у червоно-бурих глин (109 %) та суглинків (75 %) і зовсім низька у лесоподібних суглинків 33 %.
|
Таблиця 1 –Термодинамічні характеристики мінеральної частини субстратів, КДж/100 г |
|
Субстрат |
Енергія кристалічної решітки (V) |
Вільна енергія Гіббса (- G) |
Ентропія мінеральної частини (S) |
|
Орний шар чорнозему південного |
18476 |
1321 |
0,065 |
|
Лесоподібний суглинок |
15725 |
1158 |
0,057 |
|
Червоно-бурий суглинок |
16661 |
1200 |
0,059 |
|
Червоно-бура глина |
15462 |
1141 |
0,055 |
|
Сіро-зелена мергелиста глина |
9719 |
861 |
0,047 |
|
Темно-сіра глина |
14789 |
1099 |
0,052 |
|
Древньоалювіальний пісок |
20503 |
1367 |
0,067 |
|
ßáëó÷íî-çåëåíà ãëèíà |
16570 |
1208 |
0,056 |
|
Зелена безкарбонатна глина |
16478 |
1221 |
0,060 |
Полідисперсність і підвищений вміст полуторних оксидів дозволяє віднести міоценові відклади до потенційно здатних утворювати водостійку структуру, тому при біологічному освоєнні їх фізичні властивості покращуються.
В субстратах глинистого гранулометричного складу в метровому шарі загальні запаси вологи на початку вегетаційного періоду складали 375457 мм, в суглинистих субстратах 302343 мм; продуктивні відповідно 170210 мм та 164179 мм. (у чорноземах південних: загальні запаси в середньому 331 мм, продуктивні 164 мм). Отже, техноземи формують запаси вологи, достатні для вирощування основних сільськогосподарських культур Степу від ксерофітів до мезофітів.
У винесених на денну поверхню гірських породах вміст органічних речовин становив у середньому 0,20–0,35 %, при співвідношенні Сгк : Сфк від 0,2 до 0,5. У всіх гірських породах первинний вміст загального азоту складає від слідів до 0,024 %, що в 711 разів менше, ніж у зональному ґрунті. Вміст доступного рослинам калію в гірських породах (26-71 мг/100 г) достатньо високий.
Отже, низький вміст органічної речовини і азоту обмежує рівень родючості гірських порід, особливо рослин-мегатрофів. Тому створення високопродуктивних агроценозів можливе при використанні азотфіксуючого і фітомеліоративного ефекту бобових, а також застосуванні органічних, мінеральних (азотних і фосфорних) і бактеріальних добрив.
Ресурси фосфору мають надзвичайно важливе значення в біологічному освоєнні літоземів. Їх фосфатний фонд становить у середньому 66,980,7 мг/100 г і представлений в основному різноосновними фосфатами кальцію, фосфатами алюмінію і заліза (табл. 2). Фракція СаРII (ближній резерв) складає 44,948,0% від суми фракцій (у зональному ґрунті 29,8%), однак вміст доступної рослинам фракції СаРI в літоземах в 2,12,5 рази (за винятком сіро-зелених мергелистих глин) нижчий в порівнянні із зональним ґрунтом.
|
Таблиця 2 –Фракційний склад мінеральних фосфатів у техноземах (шар 020 см) |
|
Субстрат |
Фракція фосфатів, мг/100 г |
Сума фракцій, мг/100 г |
|
СаРI |
СаРII |
AlР |
FeР |
СаРIII |
||
|
Насипний шар чорнозему |
20,20,46 |
23,81,06 |
6,60,14 |
9,90,24 |
19,40,36 |
79,9 |
|
Лесоподібний суглинок |
8,70,21 |
32,11,12 |
5,60,14 |
4,20,11 |
16,30,37 |
66,9 |
|
Червоно-бурі глини |
9,60,25 |
35,91,07 |
9,30,18 |
5,20,07 |
20,20,45 |
80,2 |
|
Сіро-зелені мергелисті глини |
15,10,22 |
35,11,23 |
5,10,11 |
1,50,09 |
23,90,47 |
80,7 |
Отже, низькі запаси доступного рослинам фосфору на початкових етапах освоєння літоземів, особливо у лесоподібних суглинках і червоно-бурих глинах, є обмежуючим чинником, що обумовлює високу ефективність фосфорних добрив.
Склад і вміст легкорозчинних солей в гірських породах найбільш динамічний і нестабільний показник хімічних властивостей. З усіх розкривних гірських порід практично незасоленими виявились лесоподібні суглинки верхньої 23-метрової товщі. Нижче за профілем вміст солей збільшується навіть в межах однієї гірської породи від незасолених до сильно засолених: у лесоподібних суглинках від 0,06 до 1,23 % , червоно-бурих суглинках – 0,09–0,72, червоно-бурих глинах –,25–3,59, сіро-зелених мергелистих глинах –,23–,52 %.
У лесоподібних і червоно-бурих суглинках та сіро-зелених мергелистих глинах сульфатно-натрієвий тип засолення, у червоно-бурих глинах сульфатно-кальцієвий.
Основними чинниками, що визначають низький рівень родючості розкривних гірських порід, є низькі запаси гумусу, азоту й фосфору, інколи підвищена кількість легкорозчинних солей. Нестача вологи, як зональна особливість, складає другий мінімум. Інші обмежувальні умови специфічні і у різній мірі проявляються лише в деяких гірських породах: низька агрегатованість та утворення ґрунтової кірки в лесоподібних суглинках, засолення в червоно-бурих глинах, несприятливі фізико-механічні властивості (високі показники набухання-усадки та липкості) у міоценових глинах.
Таким чином, в літоземах виявилось більше лімітуючих факторів росту й розвитку рослин, ніж в зональних ґрунтах. Однак в процесі біологічного освоєння деякі фактори (поживний режим, засолення, фізичні властивості) зменшують обмежувальний рівень.
ЕДАФІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ СТІЙКИХ ПРОДУКТИВНИХ
АГРОЕКОСИСТЕМ НА РЕКУЛЬТИВОВАНИХ ЗЕМЛЯХ
Динаміка властивостей літоземів при сільськогосподарському освоєнні. Під впливом гіпергенезу та спрямованої фітомеліорації у верхньому 20-см шарі літоземів за період сільськогосподарського використання зареєстровано такі зміни (табл. 3):
Фітоіндикація родючості літоземів. По рівню продуктивності і структурній організації складних бобово-злакових агрофітоценозів (Medicago sativa L. + Onobrychis arenaria (Kit.) DC + Bromopsis inermis (Leyss.) Holub + Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult.) визначали динаміку родючості літоземів у процесі їх біологічного освоєння. Індикатами були лесоподібні суглинки, суміш червоно-бурих глин і суглинків та сіро-зелені мергелисті глини через 1114 років (варіант 1) та через 2425 років (варіант 2) з початку їх біологічного освоєння.
|
Таблиця 3 – Динаміка агрохімічних характеристик штучних едафотопів при їх сільськогосподарському освоєнні (шар 0-20 см) |
|
Літоземи |
Рік відбору зразків* |
Гумус, % |
Загальний азот, % |
Рухомий фосфор, мг/кг |
Обмінний калій, мг/кг |
Сума ввібраних основ, мг-екв. /100 г |
Легкорозчинні солі, % |
|
Лесоподібні суглинки |
1973 |
0,45 |
0,04 |
14,1 |
192 |
18,1 |
0,27 |
|
1996 |
1,14 |
0,11 |
32,5 |
196 |
22,6 |
0,19 |
|
|
Суміш червоно-бурих суглинків і глин |
1973 |
0,25 |
0,03 |
4,8 |
360 |
20,8 |
0,62 |
|
1996 |
0,87 |
0,09 |
18,9 |
344 |
32,4 |
0,33 |
|
|
Сіро-зелені мергелисті глини |
1973 |
0,18 |
0,03 |
4,0 |
640 |
22,4 |
0,27 |
|
1996 |
1,10 |
0,11 |
22,6 |
598 |
35,2 |
0,18 |
|
|
Примітка. За 1973 рік приведені дані з роботи М.Д. Горобця (1974). |
Результатами досліджень (табл. 4, рис. 2) встановлено, що продуктивність злакових компонентів в бобово-злаковому агрофітоценозі залежить від часу з початку освоєння літоземів. Їх частка в формуванні надземної маси складного агрофітоценозу була більшою у варіанті 2 протягом п'яти років спостережень, що свідчить про підвищення рівня родючості літоземів в процесі їх сільськогосподарського використання.
Найбільша різниця між варіантами (21,429,3%) зафіксована на сіро-зелених мергелистих глинах, найменша (7,714,9%) на суміші червоно-бурих глин і суглинків, тобто, вищі темпи формування родючості серед досліджуваних літоземів мають сіро-зелені мергелисті глини.
|
Таблиця 4 – Частка злакових компонентів у загальній продуктивності бобово-злакового агрофітоценозу залежно від часу з початку біологічного освоєння літоземів, % |
|
Літоземи |
Варіант |
Роки життя агрофітоценозу |
|
2-й |
3-й |
4-й |
5-й |
||
|
Лесоподібні суглинки |
1 |
17,9 |
38,5 |
55,9 |
78,1 |
|
2 |
37,5 |
59,2 |
85,1 |
93,6 |
|
|
Суміш червоно-бурих глин і суглинків |
1 |
9,5 |
24,8 |
43,8 |
78,3 |
|
2 |
23,5 |
39,7 |
58,4 |
86,0 |
|
|
Сіро-зелені мергелисті глини |
1 |
18,5 |
29,3 |
44,4 |
69,7 |
|
2 |
39,9 |
58,6 |
73,2 |
93,0 |
|
Рис. 2. Загальна продуктивність бобово-злакових багаторічних агрофітоценозів та частка злакових компонентів залежно від часу з початку сільськогосподарського освоєння літоземів (середнє з трьох едафотопів). Заштриховано частку злакових компонентів у надземній фітомасі. |
Встановлено, що кількість енергетичного матеріалу, що поступає у едафотоп і є основою гумусонакопичення, залежить від едафічних характеристик літоземів, які визначають рівень щорічної продуктивності агроценозів та співвідношення надземної і підземної фітомаси (табл. 5).
|
Таблиця 5 – Біоенергетичні показники гумусоутворення при освоєнні літоземів в польовому стаціонарному досліді, 19712002 рр. |
|
Показники |
Технічна суміш червоно-бурих глин і суглинків |
Сіро-зелені мергелисті глини |
||
|
Варіанти |
||||
|
1 |
2 |
1 |
2 |
|
|
Загальна продуктивність фітомаси за 32-річний період, т/га |
250,0 |
186,2 |
247,3 |
207,2 |
|
Кількість фітомаси, що поступила в едафотоп з біомасою кореневих та післяжнивних решток, т/га |
168,7 (67,5%) |
100,0 (53,7%) |
155,3 (62,8%) |
105,3 (50,8%) |
|
Надійшло енергії в едафотоп з фітомасою, ГДж/га |
3037 |
1801 |
2794 |
1895 |
|
Вміст енергії в органічних компонентах едафотопів (шар 0-20 см), ГДж/га: |
||||
|
– на початку біологічного освоєння |
122 |
122 |
88 |
88 |
|
– через 32 роки |
424 |
385 |
536 |
477 |
|
Акумульовано енергії в органічних компонентах едафотопів, ГДж/га: |
||||
|
– за весь період освоєння |
302 |
263 |
448 |
389 |
|
– у середньому за рік |
9,4 |
8,2 |
14,0 |
12,1 |
|
Коефіцієнт акумуляції енергії |
0,10 |
0,15 |
0,16 |
0,20 |
На суміші червоно-бурих глин і суглинків продуктивність надземної фітомаси була меншою, а підземної – більшою у порівнянні з сіро-зеленими глинами, що свідчить про вищий рівень родючості сіро-зелених мергелистих глин. Кращими показниками здатності до гумусонакопичення характеризуються едафотопи, представлені сіро-зеленими мергелистими глинами при насиченні їх багаторічними бобовими і бобово-злаковими агрофітоценозами: за 32-річний період сільськогосподарського освоєння вони здатні акумулювати 448 ГДж/га енергії.
Щорічно едафотопом акумулюється частка фітомаси з вмістом 14,0 ГДж/га енергії, що відповідає показникам на чорноземах (Ковда, 1981). Отже, процеси акумуляції і трансформації (включаючи гуміфікацію) органічної речовини у гірських породах на перших етапах біологічного освоєння відбуваються досить швидкими темпами, не зважаючи на гетерогенність їх речовинного складу та деякі чинники, що обмежують вегетацію рослин. На початку освоєння літоземів їх рівень енергоємності становив лише 3,6–5,0 % від показника чорноземів, то через 32 роки – вже 15,8– 22,0%, тобто, підвищився у декілька разів.
Обґрунтування СТВОРЕННЯ СТІЙКИХ ПРОДУКТИВНИХ
АГРОЛАНДШАФТІВ при рекультивації земель
сільськогосподарського призначення
Новостворений рельєф як фактор нестабільності агроландшафтів рекультивованих земель. Прийнята технологія сільськогосподарської рекультивації передбачає не пізніше, ніж через 3 роки після вирівнювання кар’єрних відвалів покривати їх родючим шаром ґрунту.
В подальшому із-з нерівномірного ущільнення порушеної 4575 метрової товщі відбуваються локальні просідання поверхні: через 25 років сільськогосподарського використання деформація поверхні зареєстрована на 2855 % площі з різницею між відмітками від 0,2 до 2,5 м.
Погіршення якості рекультивованих земель потребує коректив в технологію рекультивації. По-перше, необхідно ліквідувати умови, що спричиняють локальні просідання конусоподібне відвалоутворення замінити фронтальним; для рівномірного ущільнення всієї поверхні зменшити розрив в часі між формуванням відвалів і їх першим плануванням. По-друге, після планування поверхні відвалів до покриття їх родючим шаром ґрунту доцільно суттєво збільшити стабілізаційний період, тривалість якого залежить від способу відвалоутворення, потужності порушеної товщі, едафічних та усадочних характеристик відвальної маси. В цей період створюють фітомеліоративні агроценози з врахуванням їх спроможності пристосовуватись до несприятливих едафічних умов (низькі запаси гумусу і поживних речовин, ущільнення верхнього шару транспортними засобами, можливий високий вміст легкорозчинних солей та ін.). На першому етапі це одновидові посіви дво- і багаторічних бобових трав (Melilotus albus Desr., Melilotus officinalis Desr., Medicago sativa L., Onobrychis arenaria (Kit.) DC).
Жорсткі едафічні умови обумовлюють низьку конкурентоспроможність бур'янів, формування значної маси кореневої системи багаторічних бобових трав як основного джерела органічної маси, біологічного азоту і біофільних елементів. В подальшому біологічному освоєнні літоземів перспективним є створення складних багаторічних агрофітоценозів (Medicago sativa L. + Onobrychis arenaria (Kit.) DC + Bromopsis inermis (Leyss.) Holub + Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult.). Технологія їх створення пропонується в наступних розділах.
За результатами багаторічних досліджень і узагальнень досвіду рекультивації сільськогосподарське освоєння літоземів доцільно поділити на такі етапи: перші 710 років створюють одновидові агрофітоценози багаторічних бобових трав з паровим полем між посівами, наступні 68 років складні бобово-злакові багаторічні агрофітоценози. В подальшому при перезалуженні залежно від рівня родючості едафотопу частка багаторічних бобових трав збільшується з 50 до 66-75 % від загальної норми висіву. У цей період постійно контролюють інтенсивність локальних просідань поверхні. Залежно від деформації поверхні проводять планування через кожні 5-6 років. Завдяки фітомеліоративним властивостям багаторічних трав майбутнє підґрунтя рекультивованих земель набуває сприятливих фізичних, агрохімічних і біологічних властивостей.
Отже, технологію рекультивації земель сільськогосподарського призначення доцільно доповнити стабілізаційно-фітомеліоративним періодом.
БІОЕКОЛОГІЧНЕ обґрунтування створення СТІЙКИХ
ВИСОКОПРОДУКТИВНИХ Агрофітоценозів при
сільськогосподарськІЙ рекультивАЦІЇ земель
Еколого-біологічне та фітоценотичне обґрунтування створення стійких агроекосистем на літоземах. Основою створення стійких стабільних агроекосистем на рекультивованих землях є можливість регульованого впливу на основні її елементи фітоценоз і едафотоп. Оскільки едафотопи в наших дослідженнях представлені літоземами (без насипного шару ґрунту), виникла необхідність створення спеціальних агрофітоценозів, екологічну та фітоценотичну стійкість і стабільність яких забезпечують:
Нами експериментально досліджено 21 вид сільськогосподарських культур, з яких найбільш адаптованими до літоземів виявились Medicago sativa L., Onobrychis arenaria (Kit.) DC, Bromopsis inermis (Leyss.) Holub, Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult. Вони мають більш широкі механізми саморегуляції та пристосованості до екологічних умов (пластичність, довголіття, холодостійкість, більш розвинена коренева система, співвідношення надземної і підземної частин на користь підземної та ін.) в порівнянні з однорічними культурами. Встановлена оптимальна кількість і склад компонентів для створення складних багаторічних агрофітоценозів.
Експериментально встановлено, що найбільш адаптованим до специфічних умов літоземів є агрофітоценоз, до складу якого входять рослини з різними екологічними вимогами до факторів навколишнього середовища та їх біологічними особливостями. Це Medicago sativa L., Onobrychis arenaria (Kit.) DC, Bromopsis inermis (Leyss.) Holub та Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult. Екологічна стійкість забезпечується різним відношенням компонентів до середовища вирощування до:
вологи – мезофіти (Medicago sativa L., Bromopsis inermis (Leyss.) Holub), ксерофіт (Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult.) і ксеромезофіт (Onobrychis arenaria (Kit.) DC);
живлення – мегатрофи (Bromopsis inermis (Leyss.) Holub, Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult.) і еврітрофи (Medicago sativa L., Onobrychis arenaria (Kit.) DC);
світла: геліофіти (Medicago sativa L., Bromopsis inermis (Leyss.) Holub, Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult.), тіневитривалий (Onobrychis arenaria (Kit.) DC);
аерації едафотопу - аерофіти (Medicago sativa L., Onobrychis arenaria (Kit.) DC, Bromopsis inermis (Leyss.) Holub) та здатний переносити умови ущільнення (Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult.);
несприятливих умов зимівлі та посухи гемікриптофіти (Medicago sativa L., Onobrychis arenaria (Kit.) DC, Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult.), геофіт (Bromopsis inermis (Leyss.) Holub).
Ефективність енергетичних субсидій. Внесені в субстрати добрива на початку їх біологічного освоєння забезпечили підвищення продуктивності сільськогосподарських культур протягом всіх наступних років спостереження (1982–2000 рр.) в порівнянні з неудобреним варіантом: від РК в середньому в 3,3 рази, від гною в середньому в 3,9 рази (табл. 6).
|
Таблиця 6 – Вплив одноразового стартового внесення добрив на акумуляцію енергії надземною фітомасою сільськогосподарських рослин (вегетаційний дослід, 1982-2000 рр.) |
|
Субстрат |
Сумарна кількість енергії, КДж/посудину |
|
Без удобрення (контроль) |
РК |
Гній |
|||
|
Âñüîãî |
% до контролю |
Âñüîãî |
% до контролю |
||
|
Орний шар чорнозему південного |
3772 |
5616 |
148,9 |
6580 |
174,4 |
|
Лесоподібний суглинок |
2102 |
3156 |
150,1 |
4282 |
203,7 |
|
Червоно-бурий суглинок |
2245 |
4369 |
194,6 |
4902 |
218,4 |
|
Червоно-бура глина |
1836 |
3675 |
200,2 |
4331 |
235,9 |
|
Сіро-зелена мергелиста глина |
3488 |
4297 |
123,2 |
5649 |
162,0 |
|
Темно-сіра глина |
2401 |
4551 |
189,5 |
5815 |
242,2 |
|
Древньоалювіальний пісок |
1322 |
3050 |
230,7 |
3910 |
295,8 |
|
Зелена безкарбонатна глина |
2959 |
4322 |
146,1 |
5146 |
173,9 |
|
Примітка. Доза РК – 150 мг/кг субстрату, гною –30 г/кг субстрату |
Більша продуктивність люцерни в варіантах з добривами обумовила мобілізацію екологічних ресурсів і інтенсифікацію малого кругообігу біофільних елементів в субстратах з обмеженим об'ємом, що підтверджується прибавками продуктивності наступних за люцерною культигенів.
Рівень родючості субстратів, виражений сумарною кількістю енергії, що акумульована надземною частиною фітомаси за весь період досліджень, виражено такими рядами (за 100 % прийнято орний шар чорнозему):
а) у варіанті Без добрив: сіро-зелена мергелиста глина (92,5 %) зелена безкарбонатна глина (78,4 %) темно-сіра глина (63,7 %) червоно-бурий суглинок (59,5 %) лесоподібний суглинок (55,7 %) червоно-бура глина (48,7 %) древньоалювіальний пісок (35,0 %);
б) у варіанті РК: темно-сіра глина (81,0 %) червоно-бурий суглинок (77,8 %) = зелена безкарбонатна глина (77,0 %) = сіро-зелена мергелиста глина (76,5 %) червоно-бура глина (65,4 %) лесоподібний суглинок (56,2 %) = древньоалювіальний пісок (54,3 %);
в) у варіанті Гній: темно-сіра глина (88,4 %) сіро-зелена мергелиста глина (85,9 %) зелена безкарбонатна глина (78,2 %) червоно-бурий суглинок (74,5 %) червоно-бура глина (65,8 %) = лесоподібний суглинок (65,1 %) древньоалювіальний пісок (59,4 %).
Інокуляція насіння ризоторфіном обумовила вищу продуктивність люцерни в перші два роки на всіх варіантах. Екологічні ресурси, мобілізовані завдяки застосуванню ризоторфіну, додатково акумулюють в надземній частині наступних після люцерни культур (залежно від субстрату): на неудобреному фоні 354663, на фосфорно-калійному 346893, на органічному 5831000 КДж енергії (табл. 7).
|
Таблиця 7 – Ефективність інокуляції люцерни ризоторфіном, виражена прибавками урожаю надземної маси наступних рослин (вегетаційний дослід, 1982-2000 рр.) |
|
Субстрат |
Прибавка від інокуляції (%) на фоні: |
Додатково акумульовано енергії, КДж/посудину |
|
Без добрив |
РК |
Гній |
Без добрив |
РК |
Гній |
|
|
Орний шар чорнозему |
16,3 |
15,9 |
12,8 |
614,8 |
892,9 |
842,2 |
|
Лесоподібний суглинок |
21,4 |
20 |
15,4 |
449,8 |
631,2 |
659,4 |
|
Червоно-бурий суглинок |
21,8 |
11,1 |
11,9 |
489,4 |
485 |
583,3 |
|
Червоно-бура глина |
19,3 |
9,4 |
16,5 |
354,3 |
345,5 |
714,6 |
|
Сіро-зелена мергелиста глина |
15,4 |
19,2 |
16,4 |
537,2 |
825,0 |
926,4 |
|
Темно-сіра глина |
27,6 |
17,2 |
17,2 |
662,7 |
782,8 |
1000,0 |
|
Древньоалювіальний пісок |
28,2 |
14,3 |
13,8 |
372,8 |
436,2 |
539,6 |
|
Зелена безкарбонатна глина |
16,5 |
16,7 |
16,7 |
488,2 |
721,8 |
859,4 |
Отже, багаторічними дослідженнями встановлена ефективність енергетичних субсидій у вигляді мінеральних, органічних та бактеріальних добрив. В середньому гній підвищив продуктивність дослідних культур на 202%, фосфорно-калійні добрива на 164 %, ризоторфін на 17,5 %, тобто, ефективність добрив на гірських породах значно вища, ніж на непорушених землях, особливо на початкових етапах їх біологічного освоєння.
При створенні агроекосистем на рекультивованих землях пріоритет повинен бути за біологічними чинниками підвищення продуктивності агрофітоценозів та родючості едафотопів, основними з яких є використання фітомеліоративного ефекту багаторічних бобових трав, підвищення азотфіксації завдяки інокуляції бобових бактеріальними добривами та застосування добрив як стимуляторів біологічних процесів.
Ефективність сумісного вирощування багаторічних бобових і злакових трав на літоземах. Висока продуктивність і стійкість агрофітоценозів забезпечується підбором компонентів з просторовою диференціацією травостою за ярусами у надземній частині і різноглибинним розміщенням кореневої системи.
Встановлено, що в літоземах стрижнекореневі багаторічні бобові трави формують основну масу дієвих коренів (45,257,6%) на глибині 2060 см. У злакових трав поверхнева коренева система: у Bromopsis inermis (Leyss.) Holub в шарі 0-20 см знаходиться 58,670,5 % маси коренів, в шарі 20-40 см 18,724,5 %; у Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult. відповідно 63,278,9 та 18,321,8 %. Тому злакові трави займають верхні підземні шари едафотопів, а бобові – нижні, що дозволяє послабити міжвидову конкуренцію рослин за використання едафічних ресурсів.
Використання свіжовідібраних з борту кар'єру гірських порід як тестів дозволило установити, що продуктивність злакового компоненту залежали від відстані до бобового компоненту при сумісному вирощуванні (табл. 8), що свідчить про ефективність сумісного вирощування бобових та злакових трав.
|
Таблиця 8 – Річна продуктивність райграсу високого в залежності від відстані до рослин люцерни, г/дм2 надземної сухої маси (модельний дослід) |
|
Субстрати |
Продуктивність люцерни, г/дм2 |
Відстань до рослин люцерни, см |
|
010 |
1020 |
2030 |
3040 |
||
|
Лесоподібний суглинок |
7,9 |
3,92 |
1,61 |
1,64 |
1,41 |
|
Червоно-бура глина |
5,8 |
1,14 |
0,35 |
0,36 |
0,24 |
|
Сіро-зелена глина |
4,8 |
4,00 |
2,33 |
1,78 |
1,12 |
|
НІР05 – 0,64 г/дм2 |
Елементи конструювання продуктивних агрофітоценозів для літоземів. Спосіб створення. Вивчали безпокривний спосіб та посів під покрив однорічних культур (ячмінь, горох, ріпак, ячмінно-горохова та вико-вівсяна суміші). Продуктивність надземної маси бобово-злакового агрофітоценозу (Medicago sativa L. + Onobrychis arenaria (Kit.) DC + Bromopsis inermis (Leyss.) Holub + Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult.) у безпокривних посівах в порівнянні з покривними була вищою протягом всіх років досліджень, причому найбільша різниця спостерігалась на другому році життя і становила 11,312,2 ц/га повітряно-сухої маси (табл. 9).
Покривні культури пригнічували розвиток багаторічних трав, особливо бобових. Недоцільність покривного способу можна пояснити низькою потенційною забур’яненістю едафотопів: незалежно від способу створення, покривної культури та едафотопу, частка різнотрав’я в урожаї становила: на другому році життя –,39,4 %, на третьому та четвертому роках до 2,3 %. Тобто, різнотрав'я суттєво не впливало на формування урожаю.
У залежності від едафотопу відмічені особливості структури урожаю: частка бобових трав на технічній суміші червоно-бурих глин та суглинків була вищою, ніж на сіро-зелених мергелистих глинах протягом всього періоду досліджень: на другому році життя різниця склала 4,5, на третьому – 10,4, на четвертому - 15,6 %, тобто злакові трави (вибагливіші до родючості) та різнотрав’я мали менш сприятливі умови для витіснення бобових з травостою.
Отже, в постфітомеліоративний період на літоземах ефективним є безпокривний спосіб створення багаторічних бобово-злакових агрофітоценозів. Продуктивність надземної маси за три роки склала 38,1 ц/га на суміші червоно-бурих глин і суглинків та 41,1 ц/га – на сіро-зелених мергелистих глинах, що вище, ніж при посіві під покрив відповідно на 8,7 та 6,5 ц/га.
|
Таблиця 9 – Урожайність бобово-злакових агрофітоценозів залежно від способу створення, ц/га надземно-сухої маси |
|
Едафотоп |
Варіант |
Рік життя |
||
|
2-й |
3-й |
4-й |
||
|
Технічна суміш червоно-бурих глин і суглинків |
0 |
44,1 |
37,6 |
36,4 |
|
1 |
31,9 |
30,4 |
31,6 |
|
|
2 |
34,2 |
31,1 |
32,5 |
|
|
Сіро-зелені мергелисті глини |
0 |
48,7 |
40,6 |
31,5 |
|
1 |
37,4 |
34,7 |
31,1 |
|
|
2 |
39,4 |
34,9 |
31,5 |
|
|
НІР05, ц/га |
2,2-4,1 |
2,4-4,0 |
2,2-3,4 |
|
|
Примітка. 0 без покриву; 1 під покрив вико-вівсяної суміші; 2 під покрив ячменю. |
Норми висіву. Проведеними дослідженнями встановлено, що при однаковій участі (частці) компонентів у створенні складного агроценозу в постфітомеліоративний період злакові компоненти, як більш агресивні і довголітні, вже з другого-третього року життя витісняють з травостою багаторічні бобові трави, зменшуючи їх фітомеліоративну дію на літоземи. Це положення обумовлює внесення коректив в співвідношення норм висіву окремих компонентів залежно від рівня родючості едафотопу.
В багаторічному польовому досліді вивчалось співвідношення норм висіву компонентів в складному бобово-злаковому агрофітоценозі для забезпечення як можливо довшого фітомеліоративного впливу бобових на едафотоп. За загальної норми висіву 8 млн. схожих насінин на 1 га вивчали такі варіанти ( в дужках норма висіву, млн./га):
1. Bromopsis inermis (Leyss.) Holub (4) + Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult. (4);
2. Medicago sativa L. (2) + Onobrychis arenaria (Kit.) DC (2) + Bromopsis inermis (Leyss.) Holub (2) + Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult. (2);
3. Medicago sativa L. (2,5) + Onobrychis arenaria (Kit.) DC (2,5) + Bromopsis inermis (Leyss.) Holub (1,5) + Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult. (1,5);
4. Medicago sativa L. (3) + Onobrychis arenaria (Kit.) DC (3) + Bromopsis inermis (Leyss.) Holub (1) + Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult. (1);
5. Medicago sativa L. (4) + Onobrychis arenaria (Kit.) DC (4).
Експериментально доведено (табл. 10), що двокомпонентні бобові (варіант 1) та злакові (варіант 5) багаторічні агрофітоценози поступаються чотирикомпонентному бобово-злаковому агрофітоценозу протягом всіх років дослідів.
Співвідношення між бобовими та злаковими компонентами при сівбі впливає на продуктивність агроценозу та його структурну організацію протягом перших чотирьох років життя. Високу продуктивність складні агроценози забезпечують протягом перших трьох років життя. Найбільша різниця в продуктивності між варіантами відмічена на другому році 6,29,0 ц/га. З віком ця різниця зменшується і, починаючи з п'ятого року, стає несуттєвою. Зменшення частки бобових в травостої супроводжується погіршенням забезпеченості злакових азотом, що зумовлює зниження продуктивності. Подальша господарська доцільність використання травостою пов'язана із застосуванням добрив, перш за все, азотних.
Для ефективної самофітомеліорації необхідно, щоб бобові компоненти якнайдовше залишались домінантами і продуцентами в агрофітоценозі. Це забезпечується збільшенням частки бобових в загальній нормі висіву.
Встановлено, що на менш родючому едафотопі (суміш червоно-бурих глин і суглинків) бобові мають більшу частку у врожаї протягом всіх років дослідження, отже й більший фітомеліоративний вплив на едафотоп.
Проведені дослідження виявили вплив співвідношення норм висіву компонентів складного агрофітоценозу на його продуктивність. Найвища продуктивність на літоземі з суміші червоно-бурих глин одержана при висіві 67% багаторічних бобових трав і 33% злакових. На сіро-зелених мергелистих глинах краще співвідношення норм висіву бобових та злакових компонентів становить 75:25%. При такому співвідношенні в перші 34 роки життя агрофітоценозу домінують багаторічні бобові трави, збагачуючи едафотопи біологічним азотом та іншими біофільними елементами, які використовуються злаковими травами.
Отже, за рахунок оптимізації норм висіву компонентів можливо додатково одержувати щорічно (на II-V роках життя) в середньому до 4,26,2 ц/га високоякісної продукції.
|
Таблиця 10 – Продуктивність багаторічних складних агрофітоценозів залежно від норм висіву компонентів, ц/га повітряно-сухої маси |
|
Варіант |
Співвідношення бобові : злакові при сівбі, % |
Рік життя |
|
2-й 199597 рр. |
3-й 199698 рр. |
4-й 199799 рр. |
5-й 19982000 рр. |
6-й 19992001 рр. |
7-й 200002 рр. |
||
Едафотоп суміш червоно-бурих глин і суглинків |
|||||||
|
1 |
0 : 100 |
31,9 |
30,6 |
29,5 |
16,6 |
11,6 |
11,3 |
|
2 |
50 : 50 |
44,1 |
37,6 |
36,4 |
21,9 |
14,8 |
14,4 |
|
3 |
63 : 37 |
49,4 |
42,1 |
38,9 |
23,1 |
15,0 |
15,0 |
|
4 |
75 : 25 |
53,1 |
43,8 |
39,5 |
22,3 |
14,9 |
14,8 |
|
5 |
100 : 0 |
48,0 |
33,1 |
19,0 |
13,4 |
4,8 |
- |
|
НІР05, ц/га |
1,73,0 |
1,52,3 |
1,12,8 |
1,61,9 |
0,50,8 |
0,51,0 |
|
|
Едафотоп сіро-зелені мергелисті глини |
|||||||
|
1 |
0 : 100 |
35,0 |
40,9 |
30,2 |
17,7 |
15,2 |
12,7 |
|
2 |
50 : 50 |
48,7 |
40,6 |
31,5 |
21,3 |
16,4 |
17,2 |
|
3 |
63 : 37 |
52,6 |
42,8 |
32,4 |
22,8 |
17,5 |
17,5 |
|
4 |
75 : 25 |
54,9 |
45,6 |
35,3 |
22,2 |
16,1 |
16,9 |
|
5 |
100 : 0 |
40,7 |
32,3 |
13,7 |
6,5 |
- |
- |
|
НІР05, ц/га |
2,52,7 |
2,02,4 |
1,62,1 |
1,61,7 |
0,70,9 |
0,61,0 |
Енергетична ефективність технології. Для об'єктивної оцінки запропонованої технології визначали її енергетичну ефективність: сумарні енерговитрати на створення і господарське використання, вміст енергії у врожаї, коефіцієнт енергетичної ефективності.
Досить високу енергетичну ефективність технології багаторічного агрофітоценозу можна пояснити низькими витратами ресурсів: вона передбачає обмежене використання пестицидів, мінеральних (перші 4 роки життя) і органічних добрив; суттєво знижуються витрати енергії на щорічний обробіток ґрунту. У структурі енергетичних затрат найбільша частка припадає на збирання урожаю і його транспортування 56,057,4% та обробіток ґрунту 33,340,0 %.
Завдяки фітомеліорації злакові компоненти використовують екологічні ресурси, що акумулюються в едафотопах багаторічними бобовими травами в перші 23 роки життя. Отже, багаторічні бобово-злакові агрофітоценози в перші чотири роки життя формують достатньо високу продуктивність з умістом енергії у врожаї від 212,6215,9 (на суміші червоно-бурих суглинків і глин) до 222,0238,0 ГДж/га (на сіро-зелених мергелистих глинах) і коефіцієнтом енергетичної ефективності від 5,7–6,8 на суміші червоно-бурих глин і суглинків до 6,2–7,0 на сіро-зелених мергелистих глинах.
Азотні підживлення. Починаючи з четвертого року життя в структурній організації складних агрофітоценозів відбуваються суттєві зміни: домінування переходить до багаторічних злакових трав, спрощується вертикальна структура травостою (знижується висота рослин, зменшується кількість ярусів), зростає щільність пагонів. Частка багаторічних бобових трав зменшується до 16,1–37,6% на 4-му році життя та 6,7–,3% – на 5-му. Продуктивність надземної маси в порівнянні з другим роком життя знижується на 1738% (4-й рік) та на 4658 % (5-й рік). Одним з основних чинників, який знижує продуктивність старовікових агроценозів, є нестача азоту.
Вивчення екологічно і економічно обґрунтованої норми ранньовесняного підживлення травостоїв азотом проводилось в польових дослідах на травостоях 4-го року життя. Норми азоту складали 30, 60, 90 та 120 кг/га діючої речовини. Встановлено, що ранньовесняне підживлення багаторічного агроценозу 4-го року життя азотними добривами суттєво підвищує врожайність на всіх штучних едафотопах (табл. 11).
|
Таблиця 11 – Урожайність багаторічного агрофітоценозу IV року життя в залежності від норм азотного підживлення, ц/га повітряно-сухої маси |
Едафотоп |
Норми добрив |
|
N0 |
N30 |
N60 |
N90 |
N120 |
|
|
Суміш червоно-бурих глин та суглинків |
38,3 |
44,5 |
49,4 |
52,7 |
54,1 |
|
Сіро-зелена мергелисті глина |
33,1 |
42,6 |
49,2 |
52,4 |
54,7 |
|
Насипний шар ґрунтової маси |
40,6 |
44,2 |
47,3 |
50,1 |
52,2 |
|
НІР05 для норм добрив –,82,3 ц/га; для едафотопів –,52,8 ц/га |
Приріст урожаю на 1 кг азоту був найбільший при нормі N30 –від 12 кг на насипному шарі ґрунту до 2132 кг – на технічній суміші червоно-бурих глин і суглинків та сіро-зеленій мергелистій глині. Подальше збільшення норми підвищувало урожайність агроценозу, але оплата 1 кг азоту приростом урожаю зменшувалась: при підживленні N60 ––кг, N90 –11 кг, N120 – лише 58 кг надземної повітряно-сухої маси. Найвища ефективність від застосування азотного підживлення одержана на сіро-зеленій глині, найнижча – на насипному шарі ґрунту.
Таким чином, при зменшенні частки бобових компонентів в травостої до 30-40%, коли домінування переходить до багаторічних злакових трав, доцільно застосовувати азотні підживлення. Порівнюючи з неудобреним варіантом, прибавка врожаю від ранньовесняного внесення аміачної селітри (N60) становила 11,915,8 ц/га (38,367,8 %). Враховуючи рівень окупності урожаєм азотних добрив, виробництву рекомендуємо ранньовесняне підживлення багаторічного агрофітоценозу з IV року життя нормою N60. Це дозволяє одержувати 42,6-49,4 ц/га сіна – на 6,7-16,1 ц/га більше, ніж без добрив.
Отже, ранньовесняне підживлення багаторічного агроценозу з четвертого року життя є ефективним заходом підвищення урожайності та родючості рекультивованих земель.
Якість рослинної продукції,
вирощеної на рекультивованих землях
Вплив геохімічного середовища на хімічний склад рослин визначали користуючись рівнями-параметрами (Церлинг, 1990) та пороговими концентраціями елементів (Ковальський, 1974). Результати хімічного аналізу рослинних зразків багаторічних бобових трав показали, що вміст більшості хімічних елементів не перевищував ГДК на всіх субстратах, за винятком заліза у рослинах люцерни, вирощеної на суміші червоно-бурих глин і суглинків (254 мг/кг).
Багаторічні бобові та злакові трави, що вирощені на рекультивованих землях, за якісними показниками (вміст білка, клейковини, енергії) дещо поступається у порівнянні з показниками, одержаними на непорушених землях.
ШТУЧНІ ЕДАФОТОПИ ДЛЯ сільськогосподарськОЇ
РЕКУЛЬТИВАЦІЇ залізорудних шламосховищ
Обґрунтування раціональних варіантів рекультивації заповнених шламосховищ. Небезпечними об'єктами техногенезу є сховища відходів збагачення залізної руди (шламосховища), які не тільки займають значні площі родючих земель в густонаселених регіонах, але й істотно забруднюють і запилюють атмосферу, водойми, сільськогосподарські угіддя на значних територіях. Тільки в Криворізькому залізорудному басейні під шламосховища зайнято більше 8 тис. га земель, негативний вплив яких поширюється на територію, що в 1015 разів перевищує їх площу. Тому проблема рекультивації шламосховищ має важливе санітарно-екологічне і господарське значення.
При створенні раціональних моделей рекультивації заповнених шламосховищ виходили з таких положень:
– шлам є субстратом з несприятливими водно-фізичними, агрохімичними та біологічними властивостями, що унеможливлює створення сільськогосподарських угідь без покриття шаром ґрунту чи потенційно родючої гірської породи;
– наявність на Криворізьких ГЗК близько 8 млн. м3 заскладованої ґрунтової маси, а також достатньої кількості потенційно родючих гірських порід, що транспортуються з кар'єрів у відвали;
– можливість в майбутньому повторної переробки шламу, який містить 15-17% заліза, 78 рідкоземельних хімічних елементів;
– рекультивація шламосховищ більш технологічна в порівнянні з іншими об'єктами техногенезу (мономінеральними скельними відвалами, підробленими шахтними полями,, відпрацьованими кар'єрами та ін.).
Едафічна характеристика шламу. Відходи збагачення залізної руди (шлами) утворились в результаті механічного роздрібнення залізорудної сировини на гірничо-збагачувальних комбінатах (ГЗК). За гранулометричним складом – пісок зв'язний або супісок із вмістом "фізичної глини" 613%, переважанням фракції дрібного піску (2529,2%) і крупного пилу (56,963,9%) з пористістю 3345%. Шлами мають слабо лужну реакцію, характеризуються відсутністю гумусу і основних біофільних елементів, підвищеним вмістом хлоридів, незадовільними водно-фізичними властивостями, низькою зв'язністю, легкою дефляційною здатністю, що утрудняє закріплення насіння і сходів рослин.
Моделі штучних едафотопів. Для вивчення раціональних варіантів рекультивації шламосховища на його заповненій частині було створено дослідне поле зі штучними едафотопами, які відрізнялись між собою товщиною шару зонального ґрунту (суміш гумусо-акумулятивного та першого перехідного горизонтів чорнозему звичайного) 30, 50 та 80 см, а також наявністю чи відсутністю в едафотопах 50-см прошарку з лесоподібного суглинку. Особливістю рекультивації шламосховища на перших етапах є високий рівень ґрунтових вод із-за специфіки гідротранспортування шламу трубопроводами зі збагачувальних фабрик до шламосховищ.
Польові досліди проводились з інтенсивними сільськогосподарськими культурами у ланці сівозміни „чорний пар – озима пшениця – кукурудза на зерно – ярий ячмінь”.
Багаторічними дослідженнями встановлено, що врожайність зернових культур залежить від кількісних і якісних параметрів штучного едафотопу від потужності насипного шару ґрунту та наявності прошарку з лесоподібного суглинку (табл. 12). Окупність урожаєм насипного шару ґрунту зменшується зі збільшенням товщини едафотопу.
Отже, нанесення на сплановану поверхню шламосховища родючого 30-см шару ґрунту дозволяє використовувати його для вирощування польових культур за умови високого рівня ґрунтових вод. Однак продуктивність агроценозів на едафотопі з 80-см шаром ґрунтової маси, укладеної на 50-см прошарок з лесоподібного суглинку була в середньому в 1,51,8 разів більшою в порівнянні з варіантом, в якому шламосховище покривалось 30-см шаром ґрунту.
Обґрунтування раціональних моделей техноземів. Доцільність створення раціональних моделей рекультивації шламосховищ залізорудних ГЗК визначається терміном можливої переробки шламу як вторинної сировини. Тривалість періоду від заповнення шламосховища до переробки шламу визначає характер сільськогосподарського використання рекультивованих земель. Виходячи з цих положень, виробництву рекомендовані такі варіанти:
1. Якщо терміни до переробки шламу перевищують 10-15 років, доцільно обмежитися консервацією шламосховища покриттям поверхні 5-10 см шаром ґрунту або потенційно-родючої гірської породи з посівом багаторічних трав.
|
Таблиця 12 – Врожайність, прибавка урожаю та окупність урожаєм сільськогосподарських культур залежно від варіанту рекультивації шламосховища, ц/га |
|
Товщина шару ґрунту, см |
Озима пшениця (середнє за 19871990 рр.) |
Ярий ячмінь (середнє за 1989-1992 рр.) |
Кукурудза на зерно (середнє за 1988-1991 рр.) |
|
Без прошарку лесоподібного суглинку |
|||
|
30 |
24,6 |
21,7 |
25,7 |
|
50 |
33,5 |
27,7 |
34,7 |
|
80 |
41,2 |
33,5 |
45,5 |
|
З прошарком лесоподібного суглинку 50-см |
|
30 |
30,3 |
27,8 |
34,1 |
|
50 |
37,6 |
32,4 |
40,9 |
|
80 |
41,7 |
33,5 |
47,1 |
|
Прибавка урожаю від прошарку лесоподібного суглинку, ц/га |
|||
|
30 |
5,7 |
6,1 |
8,4 |
|
50 |
4,1 |
4,7 |
6,2 |
|
80 |
0,5 |
0 |
1,6 |
|
Окупність урожаєм кожного 10-см шару насипного ґрунту, ц/га |
|||
|
30 |
8,2 |
7,2 |
8,6 |
|
50 |
4,5 |
3,0 |
4,5 |
|
80 |
2,6 |
1,9 |
3,6 |
|
НІР05, ц/га |
2,1–,8 |
1,8–,4 |
2,2–,6 |
2. Якщо переробка шламу найближчим часом не передбачається, на поверхні шламосховища створюють сільськогосподарські угіддя, головним чином ріллю. Для цього на сплановану поверхню укладають шар лесоподібного суглинку товщиною 30 см у два прийоми: спочатку товщиною 1015 см з переорюванням на глибину 2530 см для формування "перехідного горизонту". Потім шаром 1520 см, на який наносять 30 см ґрунту. Такі рекультивовані землі виправдують своє призначення на час, коли ґрунтові води знаходяться близько до поверхні. В майбутньому при зниженні рівня ґрунтових вод і переході на зволоження атмосферними опадами, шар ґрунту збільшують до 7080 см. Така потужність штучного едафотопу забезпечує вбирання й утримання атмосферних опадів.
3. При тривалому періоді господарського використання шламосховищ і глибокому рівні залягання ґрунтових вод рекомендується варіант з 50 см шару лесоподібного суглинку і 5080 см шару ґрунту. Такий едафотоп за рівнем родючості не поступається непорушеним староорним угіддям.
Отже, створення на поверхні заповнених залізорудних шламосховищ штучних едафотопів дозволяє не тільки покращити екологічний стан довкілля, але й створювати продуктивні сільськогосподарські угіддя.
ВИСНОВКИ
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і вирішення екологічної проблеми – створення стійких агроекосистем на рекультивованих ландшафтах степової зони України, які відповідають природоохоронній концепції землекористування та біологічного землеробства, забезпечують стале виробництво якісної продукції рослинництва з мінімальними витратами матеріальних ресурсів, максимальним фітомеліоруючим ефектом та інтенсивним ґрунтотворненням у штучних едафотопах, що виявляється у наступному:
1. Техногенні території, що утворились при винесенні на денну поверхню гірських порід, є якісно новими едафо-технічними компонентами екосистем зі специфічним складом і властивостями та взаємодією з навколишнім середовищем. Геологічні відкладення голоцен-олігоценового віку, як едафічний компонент екосистеми, характеризуються азональністю, неоднорідністю гранулометричного, мінералогічного і хімічного складу, різним ступенем дисперсності і низькою забезпеченістю основними біофільними елементами.
2. У розкривній товщі геологічних відкладень родовищ корисних копалин Степу України основну масу складають полімінеральні полідисперсні нефітотоксичні гірські породи, які використовуються як підстилаюча основа (підґрунтя педоземів) при створенні штучних едафотопів з насипним шаром ґрунтової маси або без покриття шаром ґрунту (літоземи).
3. На початку біологічного освоєння літоземи, в порівнянні із зональними непорушеними ґрунтами, характеризуються несприятливими едафічними властивостями, мають більше лімітуючих чинників для росту і розвитку культурних рослин, а їх обмежувальний рівень більш значний. Однак при їх сільськогосподарському освоєнні і використанні більшість лімітуючих факторів (поживний режим, засолення, фізичні властивості) зменшують свій обмежувальний рівень.
4. За термодинамічними показниками полімінеральні гірські породи характеризуються як потенційно-здатні до ґрунтоутворення. Кращі характеристики мають сіро-зелені мергелисті, темно-сірі, червоно-бурі глини та лесоподібні суглинки.
5. Створення стійких високопродуктивних агроекосистем на літоземах базується на відповідності агрофітоценозу едафічним умовам, здатності до самоорганізації на еколого-біологічній (фітоценотичній та структурно-динамічній) основі, а також на використанні енергетичних субсидій (мінеральних і органічних добрив, біологічного азоту від симбіозу бобових рослин і азотфіксаторів).
6. Важливим фактором підвищення стабільності агроекосистем на рекультивованих землях є введення в технологію рекультивації стабілізаційно-фітомеліоративного періоду, протягом якого усувають локальні просідання поверхні та проводять фітомеліорацію літоземів шляхом створення на них багаторічних бобових і бобово-злакових агроценозів. Завдяки цьому літоземи набувають сприятливих фізичних, агрохімічних і біологічних властивостей. В подальшому вони можуть покриватись шаром ґрунту або використовуватись без покриття їх ґрунтовою масою. Термін часу на стабілізацію поверхні залежить від глибини порушеної товщі, літологічного складу, технології відвалоутворення і становить не менше 1525 років.
7. Сільськогосподарське освоєння літоземів сприяє акумуляції енергії і інтенсифікації гумусоутворення. Вміст гумусу у верхньому 20 см шарі збільшився з 0,20,35% до 0,81,1%. Рівень енергоємності органічних компонентів у порівнянні з чорноземами збільшився з 3,6–5,0 % на початку освоєння до 15,8– 22,0% через 32 роки.
8. Встановлено багаторічний ефект від фітомеліорації інокульованої люцерни та стартового внесення добрив, виражений вищою продуктивністю наступних культур (в середньому по шести породах за 20-річний період): від внесення гною – 202%, від фосфорно-калійних добрив 164 %, від інокуляції ризоторфіном 17,5 %.
9. У процесі сільськогосподарського освоєння і використання в літоземах відбуваються зміни едафічних властивостей: якщо на початку їх біологічного освоєння вони є низькородючими екотопами і здатні забезпечити едафічними ресурсами лише багаторічні бобові трави, то вже через 810 років освоєння рівень їх родючості забезпечує задовільні умови (на нетривалий період) для мега- та мезотрофних рослин.
10. Сільськогосподарське освоєння літоземів доцільно поділити на такі етапи: на першому (710 років) створюють одновидові агроценози багаторічних бобових трав з паровим полем і плануванням поверхні між посівами; на другому (68 років) – складні бобово-злакові багаторічні агрофітоценози з співвідношеннями бобових і злакових компонентів при сівбі 50:50%. На третьому етапі (при перезалуженні) частка багаторічних бобових трав збільшується до 6675 % в залежності від рівня родючості едафотопу. Завдяки оптимізації норм висіву компонентів додатково формується до 4,25,1 ц/га високоякісного бобово-злакового сіна щорічно протягом перших 4-х років використання.
11. Висока продуктивність бобово-злакових агрофітоценозів впродовж тривалого періоду господарського використання забезпечується завдяки підбору екологічно і фітоценотично сумісних компонентів.
12. На літоземах ефективною є ранньовесняна безпокривна сівба бобово-злакової травосуміші. Встановлено, що покривні культури пригнічують розвиток багаторічних трав, особливо бобових. Недобір урожаю протягом перших трьох років використання в залежності від едафотопу становив у середньому за рік 6,58,7 ц/га повітряно-сухої надземної маси, причому найбільша різниця зафіксована в перший рік використання –,312,2 ц/га.
13. Завдяки фітомеліорації бобовими складний агрофітоценоз забезпечує високу продуктивність навіть без застосування добрив протягом перших 34-х років життя. Подальше його ефективне використання повинно супроводжуватись застосуванням азотних підживлень. Порівнюючи з неудобреним варіантом, прибавка врожаю від ранньовесняного внесення аміачної селітри (N60) на 4-му році життя становила 11,915,8 ц/га.
14. Технологія створення і використання багаторічних бобово-злакових агрофітоценозів має ресурсо- та енергозберігаючий характер: коефіцієнт енергетичної ефективності становить 5,7-7,0 залежно від едафотопу та способу створення.
15. Вміст важких металів у рослинній продукції, вирощеній на літоземах, не перевищував ГДК на всіх субстратах, за винятком заліза у рослинах люцерни, вирощеної на суміші червоно-бурих глин і суглинків. Багаторічні бобові та злакові трави на рекультивованих землях формують врожай нижчої якості у порівнянні з показниками, одержаними на непорушених землях. У них міститься менше білку, клейковини, енергії.
16. Раціональною моделлю сільськогосподарської рекультивації залізорудних шламосховищ є його покриття лесоподібним суглинком, на який наносять родючий шар ґрунту. Рівень урожайності сільськогосподарських культур залежить від конструкції штучного едафотопу: при збільшенні шару ґрунтової маси з 30 см до 80 см прибавка врожаю озимої пшениці склала 16,6 ц/га (без прошарку лесоподібного суглинку) та 11,4 ц/га (з прошарком лесоподібного суглинку); ярого ячменю відповідно 11,8 та 5,7; зерна кукурудзи 19,8 та 13,0; бобово-злакової травосуміші 17,1 та 12,5 ц/га.
РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ
2. На другому етапі створюють багаторічні бобово-злакові агрофітоценози (Medicago sativa L. + Onobrychis arenaria (Kit.) DC + Bromopsis inermis (Leyss.) Holub + Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult.). Загальна норма висіву 8 млн. схожих насінин на 1 га. Частка бобових компонентів змінюється в залежності від рівня родючості літоземів: від 50% на низькородючих едафотопах, до 75% на едафотопах середнього рівня родючості. Спосіб створення ранньовесняна безпокривна сівба. Підживлення азотними добривами (4560 кг д.р. на 1 га) проводять при зниженні частки бобових в травостої менше 40% (на 45-му роках життя).
3. При рекультивації залізорудних шламосховищ необхідно визначитись з терміном можливої переробки шламу. Якщо переробка є ближньою перспективою, досить обмежитись покриттям поверхні 5-10 см шаром зонального ґрунту чи лесоподібного суглинку зі створенням рослинного покрову із багаторічних трав. Якщо переробка шламу найближчим часом не передбачається, створюють продуктивні сільськогосподарські угіддя, головним чином ріллю. Для цього на сплановану поверхню укладають шар лесоподібного суглинку товщиною 30 см у два прийоми: спочатку товщиною 1015 см з переорюванням на глибину 2530 см для формування "перехідного горизонту", потім шаром 1520 см, на який наносять 30 см ґрунтової маси. Такі рекультивовані землі виправдують своє призначення на час, коли ґрунтові води знаходяться порівняно близько до поверхні. При зниженні рівня ґрунтових вод і переході на зволоження тільки атмосферними опадами, шар ґрунтової маси збільшують до 7080 см.
4. При довготривалому періоді сільськогосподарського використання шламосховищ і глибокому рівні залягання ґрунтових вод створюють техноземи з 50 см лесоподібного суглинку і 5080 см шару ґрунту. Такі штучні едафотопи за рівнем родючості не поступаються непорушеним угіддям.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Матеріали наукових конференцій, з’їздів та конгресів
Забалуєв В.О. Едафо-фітоценотичне обгрунтування формування і функціонування стійких агроекосистем на рекультивованих землях Степу України (рукопис).
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора сільськогосподарських наук за спеціальністю 03.00.16 екологія. – Національний аграрний університет, Київ, 2005.
Дисертація присвячена теоретичному обґрунтуванню і розробці практичних прийомів створення стійких агроекосистем на рекультивованих землях, які відповідають природоохоронній концепції землекористування та біологічного землеробства.
Визначено спрямованість геохімічних, агрохімічних і агрофізичних процесів, які відбуваються в штучних едафотопах Степової зони України при їх довготривалому сільськогосподарському використанні. Встановлено закономірності гумусонакопичення і динаміки елементів родючості в залежності від едафотопу та чергування сільськогосподарських культур за 30-річний період.
Для Степу України адаптована до умов рекультивованих земель (для едафотопів без використання родючого шару ґрунту) технологія вирощування фітомеліоративних агрофітоценозів з високою продуктивністю, грунтотворним впливом, енергетичною ефективністю та довговічністю. Розроблені основи ефективного використання рекультивованих залізорудних шламосховищ.
Запропоновані зміни до технології сільськогосподарської рекультивації порушених земель. Обґрунтована необхідність та тривалість стабілізаційно-фітомеліоративного періоду при рекультивації земель сільськогосподарського призначення
Ключові слова: рекультивація, штучний едафотоп, гірські породи, агроекосистема, агрофітоценози, багаторічні трави, фітомеліорація, грунтоутворення.
Забалуев В.А. Едафо-фитоценотическое обоснование формирования и функционирования устойчивых агроэкосистем на рекультивованих землях Степи Украины (рукопись).
Диссертация на соискание учёной степени доктора сельскохозяйственных наук по специальности 03.00.16 экология. – Национальный аграрный университет, Киев, 2004.
Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и разработке практических приемов создания устойчивых агроэкосистем при рекультивации нарушенных ландшафтов, которые отвечают природоохранной концепции землепользования и биологического земледелия, обеспечивают устойчивое производство качественной продукции растениеводства при минимальных затратах энергетических и материальных ресурсов с максимальным фитомелиоративным эффектом и интенсивным почвообразованием на искусственных едафотопах.
Изучены эдафические характеристики геологических отложений голоцен-олигоценового возраста как компонента экосистем, обусловливающие на устойчивость и продуктивность агроэкосистем.
Установлены направленность геохимических, агрохимических и агрофизических процессов, происходящих в искусственных эдафотопах степной зоны Украины при их сельскохозяйственном освоении и использовании. На первых этапах литоземы в сравнении с зональными ненарушенными почвами характеризуются неблагоприятными эдафическими свойствами, имеют значительно больше ограничивающих факторов для роста и развития требовательных к уровню плодородия растений. Однако в процессе сельскохозяйственного использования большинство лимитирующих факторов (питательный режим, засоление, физические свойства) снижают свой ограничивающий уровень.
Изучены закономерности формирования и трансформации элементов плодородия в зависимости от модели эдафотопа и чередования сельскохозяйственных культур за более, чем 30-летний период. Установлено, что сельскохозяйственное освоение литоземов способствует аккумуляции энергии и интенсификации почвообразования – содержание гумуса возросло с 0,2-0,35% до 0,8-1,1% (верхний 20-см слой).
Увеличился уровень энергоемкости органических компонентов новообразующихся почв. Если в начале освоения их енергоемкость составляла лишь 3,6-5,0% от показателей зональных черноземов южных, то через 32 года – уже 15,8-22,0%, тоесть возрос в 4,3-4,4 раза.
Создание устойчивых высокопродуктивных агроэкосистем на горных породах без покрытия их слоем плодородной почвы базируется на соответствии агрофитоценоза эдафическим условиям, его способности к самоорганизации на эколого-биологической основе, а также на эффективном использовании энергетических субсидий (минеральных, органических и бактериальных удобрений).
Установлен стартовый эффект внесения минеральных и органических удобрений, а также инокуляции семян люцерны посевной ризоторфином при освоении вскрышных горных пород. Вовлечение в биологический кругооборот дополнительной энергии способствовало повышению продуктивности последующих растений: в экосистеме со статровым внесением фосфорно-калийных удобрений – на 164 %, с внесением органических удобрений – на 202 % в сравнении с неудобренными моделями (среднее за 20-летний период).
Для рекультивированных земель без создания плодородного слоя почвы разработаны элементы технологии выращивания фитомелиоративных агрофитоценозов с пониженной фитоценотической конкуренцией, высокой многолетней продуктивностью и энергетической эффективностью, интенсивным почвообразованием.
Предложены оптимальные способы создания (покровный, беспокровный), соотношение норм высева компонентов сложных агрофитоценозов в зависимости от уровня плодородия эдафотопа, а также рациональные нормы азотных подкормок старовозрастных травостоев.
Обоснована необходимость и продолжительность стабилизационно-фитомелиоративного периода при рекультивации земель сельскохозяйственного назначения. В течение этого периода происходит стабилизация поверхности, фитомелиорация литоземов многолетними бобовыми и бобово-злаковыми агрофитоценозами. Благодаря этому литоземы приобретают благоприятные агрофизические, агрохимические и биологические свойства. Продолжительность периода зависит от глубины нарушенной толщи, литологического состава, технологии горных разработок и составляет не менее 15-25 лет.
Для сельскохозяйственной рекультивации шламохранилищ железорудных горно-обогатительных комбинатов обоснованы параметры эдафотопов, обеспечивающих создание пахотных угодий как интенсивного типа (с выращиванием требовательных к плодородию зерновых культур), так и кормовых угодий сенокосно-пастбищного направления.
Ключевые слова: рекультивация, искусственный эдафотоп, горные породы, агроэкосистема, агрофитоценоз, многолетние травы, фитомелиорация, почвообразование.
Zabaluev V.O. Edapho-phythocenotical basing of sustainable agroecosystems formation and functioning on reclaimed land in Steppe zone of Ukraine (manuscript)
Dissertation for doctoral degree in agriculture science by specialty 03.00.16 –ecology. –National Agrarian University, Kyiv, 2004.
Dissertation is dealing with theoretical basing and development of practical methods of sustainable agroecosystems creation on reclaimed lands. These methods are corresponding with nature-conservative conception of land-utilization and biological agriculture.
Trends of geochemical, agrochemical and agrophysical processes which are occur in artificial edaphotops of Steppe zone of Ukraine during long-term agriculture management was ascertained. Regularity of humus accumulation and dynamics of fertility elements in dependence of edaphotop and crops alternation by 30-years period was determined.
Technology of creation-management phythomeliorative agrophytocoenosises with high productivity, soil forming influence, energetic effectiveness and longevity was adapted for Steppe of Ukraine for spesifis environment of edaphotops without topsoil. Basics of effective usage of reclaimed iron-ore sludge pits was developed.
Overpatching to existing technology of agriculture stage of mine-land reclamation. Necessity and duration of stabilization-phytomelioration period was proved for agriculture purpose mine-land reclamation.
Keyword: reclamation, artificial edaphotop, rock, agroecosystem, agrophytocoenosis, perennial grasses and legumes, phytоmelioration, багаторічні трави, фітомеліорація, soil forming.