ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УЗБЕК

Іван Харлампійович

УДК 631.618; 581.144.2; 631.461; 631.465

ЕКОЛОГО-БІОЛОГІЧНА ОЦІНКА ЕДАФОТОПІВ

ТЕХНОГЕННИХ ЛАНДШАФТІВ СТЕПОВОЇ ЗОНИ УКРАЇНИ

(на прикладі Нікопольського марганцеворудного басейну)

03.00.16 - ЕКОЛОГІЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора біологічних наук

Дніпропетровськ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі ґрунтознавства і екології Дніпропетровського

державного аграрного університету Міністерства аграрної політики України.

Науковий консультант: доктор біологічних наук, професор, член-кореспондент РАН,

заслужений діяч науки Республіки Башкортостан і

Російської Федерації.

Хазієв Фангат Хаматович.

Академія Наук Республіки Башкортостан, завідувач

лабораторії ґрунтознавства інституту біології УНЦ РАН.

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

Царик Йосиф Володимирович.

Інститут екології Карпат НАН України,

завідувач відділу популяційної екології рослин.

Львівський національний університет ім. Івана Франка,

завідувач кафедри зоології;

доктор біологічних наук, професор

Стефурак Василь Петрович.

Івано-Франківська державна медична академія,

професор кафедри біології;

доктор біологічних наук, доцент

Зверковський Василь Миколайович.

Дніпропетровський національний університет,

професор кафедри геоботаніки, ґрунтознавства і екології.

Провідна установа: Донецький державний університет, кафедра ботаніки і екології, Міністерство освіти і науки України, м. Донецьк.

Захист дисертації відбудеться 28 листопада 2001 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 051. 04 на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук в Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, МСП, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13, корп. 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського національного університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13.

Автореферат розісланий 24 жовтня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат біологічних наук, доцент Дубина А.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність проблеми. В Україні видобуток корисних копалин, а більша частина з них розробляється відкритим способом, неминуче супроводжується руйнацією динамічної рівноваги в екосистемах, погіршенням екологічного стану території. На 01.01.1997 р. площа земель, порушених кар’єрними роботами і таких, що потребують нагального відновлення, становить 169,8 тис. га. Тільки в Дніпропетровській області за 1961-1998 рр. для потреб різних галузей народного господарства відчужено 141,0 тис. га земель, в т. ч. 83,7 тис. га сільськогосподарських угідь, з них 57,7 тис. га ріллі.

Не випадково рекультивація порушених земель є проблемою загально-планетарного масштабу. 15 січня 1990 р. у Москві відбувся "Глобальний форум по навколишньому середовищу і розвитку з метою виживання". Парламентери 82 країн одностайно визнали, що наша планета у небезпеці, і якщо нераціональне використання її триватиме і далі, то вже через 10 років третина родючих земель буде зруйнованою. На жаль, прогноз виправдовується.

Значна частина порушених земель повинна бути невідкладно рекультивована і повернена для подальшого використання у народному господарстві. Тому вивчення консортивних, функціональних зв’язків, що виникають майже на початку формування едафотопів, між пухкими, розсипчастими гірськими породами та ґрунтовими мікроорганізмами має велике науково-теоретичне і практичне значення. Не менш важливим є вивчення характеру транслокаційного процесу у вищих рослин. В комплексі вирішення цих питань в першу чергу треба визначити особливості формування кореневих систем і ґрунтових мікроорганізмів та їх розміщення в товщі едафотопів. Все це і є екологічним базисом для розробки системного підходу до використання рекультивованих земель у сільськогосподарському (Бекаревіч та інші, 1971) або лісовому (Травлєєв, 1966, 1982, 2001; Зверковський, 1998, 2001) виробництві. Саме відновлені землі забезпечать високу продуктивність культурфітоценозів з одночасним підвищенням ґрунтової родючості і поліпшенням санітарно-гігієнічних умов довкілля.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на кафедрі ґрунтознавства і екології Дніпропетровського державного аграрного університету. Тема дисертаційної роботи безпосередньо пов’язана з напрямками досліджень кафедри та Проблемної лабораторії з рекультивації земель вузу і є складовою частиною держбюджетних та госпдоговірних наукових тем в період 1970-2000 рр. (замовлення Держагропрому СРСР за №№ 01811001546, 01870056330, 018870056542, 01890044283 та Укрсільгоспроду за №№ 0194U021015 і 0194U021016). Основний матеріал дисертаційної роботи зібраний при виконанні теми: "Провести комплексні еколого-біологічні дослідження техногенних ландшафтів, розробити заходи щодо рекультивації порушених земель з метою повернення їх у раціональне сільськогосподарське виробництво і запобігання негативному впливу на природне середовище".

Мета і задачі дослідження. Головна мета роботи - системно-екологічна оцінка едафотопів техногенних ландшафтів відкритих розробок корисних копалин у степовій зоні України.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв’язати такі основні задачі: вивчити склад і властивості пухких, розсипчастих гірських порід, винесених у відвали в процесі добування корисних копалин; дослідити характер транслокаційного процесу вищих рослин в умовах техногенних ландшафтів; розробити математичну модель для розрахунку еколого-біологічних характеристик кореневих систем і удосконалити засіб відбору ґрунтових монолітів з коріннями; встановити особливості формування кореневих систем рослин, найбільше пристосованих для існування на рекультивованих землях; визначити циклічну динаміку загальної чисельності ґрунтових мікроорганізмів і їх окремих фізіологічних груп; встановити ендодинамічні особливості поширення мікроорганізмів і виявити рівень їхнього пулу у верхньому шарі едафотопів; вивчити інтенсивність розкладу коренів в залежності від їхньої архітектоніки; визначити рівень ферментативної активності едафотопів і розробити градації ступенів біогеності згідно з активністю гідролітичних ферментів; виявити консортивні зв’язки в товщі штучних едафотопів; встановити грунтоутвірну роль культурфітоценозів у техногенних екосистемах; виявити можливість використання тестів для прогнозування змін у верхній товщі техногенних ландшафтів на основі еколого-біологічних характеристик кореневих систем рослин, чисельності ґрунтових мікроорганізмів і рівня ферментативної активності едафотопів.

Об’єктами досліджень були відвали відпрацьованих територій Олександрівського, Богданівського та Запорізького кар’єрів Орджонікідзевського гірничозбагачувального комбінату, кар’єри Камиш-Бурунського і Криворізького залізорудних комбінатів, кар’єри Вільногірського гірничометалургійного комбінату та відвали шахт об’єднання “Павлоградвугілля”.

Предметом досліджень були едафотопи, створені пухкими, розсипчастими гірськими породами, винесеними на "денну" поверхню в процесі видобутку корисних копалин. До їхнього складу входили: леси, лесовидні суглинки, суміш лесовидних суглинків і древньоалювіальних пісків, червоно-бура та сіро-зелена глини. У схему дослідів були введенні і едафотопи із лесовидних суглинків, які покривались шарами південного чорнозему різної потужності. За контроль прийняті природні біогеоценози, розташовані поруч з кар’єрами.

Дослідженнями охоплено понад 130 варіантів та їх похідних комбінацій, які у сукупності достатньо повно віддзеркалювали екологічну різноманітність техногенних ландшафтів степової зони України. Враховуючи те, що пухкі, розсипчасті гірські породи містять в собі недостатньо поживних речовин, у схему дослідів поряд з контролем були введені варіанти з різноманітними співвідношеннями мінеральних добрив, гною та їх сумішей.

Як тести на швидкість ґрунтоутворювальних процесів в умовах рекультивованих земель випробувались 23 види вищих культурних рослин. Особлива увага приділялася найбільш перспективним видам - люцерні синьогібридній (Mediсago sativa L.), еспарцету піщаному (Onobrychis arenaria (Kit.) DC., пшениці озимій (Triticum aestivum L.), вівсу посівному (Avena sativa L.) та горохові посівному (Pisum sativum L.). Досліди були крупноділяночними, закладеними дактиль-методом та методом латинського квадрату, тобто методами, що враховують неоднорідність ґрунтового покриву (Прянішніков, 1952; Константінов, 1952; Молостов, 1966; Доспехов, 1973).

Для аналізу зразків порід, ґрунтів і коренів використовувалися апробовані, загальноприйняті фізико-хімічні, мікробіологічні та біохімічні методи аналізу (Арінушкіна, 1970; Бабєва, Агрє, 1971; Хазієв, 1972; Галстян, 1978 і інші). З метою підвищення об’єктивності кожного результату аналізу проводили змішування зразків однойменних шарів із п’яти розрізів однотипних едафотопів. Отримані дані досліджень піддавали математичній обробці, результати якої дозволяють вважати їх вірогідними.

Наукова новизна одержаних результатів. Обґрунтовується екологічна роль біоти при формуванні штучних ґрунтів в умовах техногенних ландшафтів відкритих розробок корисних копалин в степовій зоні України.

На основі 30-річних стаціонарних досліджень вивчені склад і властивості едафотопів, створених з пухких, розсипчастих гірських порід і ґрунтів та дана їм екологічна оцінка; виявлені консортивні зв’язки в системі едафотоп-мікроорганізми-корені культурфітоценозів; вперше в умовах техногенних ландшафтів досліджено характер транслокаційного процесу вищих рослин; визначено особливості будови і поширення в товщі едафотопів кореневих систем злакових та бобових рослин; встановлено види, найбільше придатні для існування на штучних едафотопах; вперше для практичної мети рекультивації розроблено математичну модель розрахунку еколого-біологічних характеристик кореневих систем рослин, що може бути основою для проектування спеціальних фітомеліоративних прийомів; удосконалено метод відбору ґрунтових монолітів ризосфери; вперше виявлена висока екологічна пластичність кореневих систем багаторічних бобових рослин, що сприяє виживанню в екстремальних умовах техногенних ландшафтів; показана циклічна динаміка загальної чисельності мікроорганізмів та окремих їх фізіологічних груп; визначено ендодинамічні особливості формування комплексу ґрунтових мікроорганізмів та їх пул у верхньому шарі едафотопів; вперше розкрито інтенсивність розкладу коренів рослин в товщі едафотопів; виявлено рівень ферментативної активності штучних едафотопів і вперше розроблені градації ступенів біогенності по активності гідролітичних ферментів; встановлено рівень біологічної активності пухких, розсипчастих гірських порід, що дозволяє застосувати найбільш ефективний вид і засіб рекультивації; доведена можливість використання особливостей розвитку кореневих систем рослин і ґрунтових мікроорганізмів, а також активності ферментів у якості об’єктивних грунтово-діагностичних ознак при еколого-біологічній оцінці едафотопів; показана доцільність створення високопродуктивних рекультивованих ґрунтів, покритих шаром чорнозему, а також можливість конструювання едафотопів без ґрунтового покриття; визначені функції кореневих систем багаторічних бобових трав і ґрунтових мікроорганізмів щодо корінного поліпшення екологічних умов навколишнього середовища; вперше розроблена стратегія підвищення рівня біогеності едафотопів техногенних ландшафтів на основі пріоритетної ролі біологічного фактора ґрунтоутворення; доказана необхідність створення банка даних про особливості розвитку кореневих систем рослин та ґрунтових мікроорганізмів в різноманітних едафотопах.

Раніш такі комплексні дослідження в Україні не проводилися.

Практичне значення одержаних результатів. На основі багаторічних досліджень були розроблені рекомендації щодо біологічного етапу рекультивації порушених земель. Вони стали загальновизнаними з цієї проблеми у фахівців багатьох країн і використовуються гірничорудними підприємствами при добуванні корисних копалин.

Рекомендації дозволили удосконалити технологію гірничих і відвальних робіт Орджонікідзевському гірничо-збагачувальному комбінату, Вільногірському гірничо-металургійному комбінату, виробничому об’єднанню "Павлоградвугілля", Камиш-Бурунському і Криворізькому залізорудним комбінатам та іншим. Удосконалення створили умови для успішної рекультивації земель та значно знизили витрати на проведення цих робіт. Наприклад, тільки в Дніпропетровській області відновлено 26,6 тис. га, у т. ч. 15 тис. га ріллі.

Результати досліджень впроваджені в учбовий процес багатьма вищими навчальними закладами України та країн СНД. Вони введені до робочих програм дисциплін, які розглядають питання з екології, охорони природи, ґрунтознавства, рекультивації, меліорації, лісомеліорації та інші.

Результати досліджень є науковою основою при складанні програм для регіональних природогосподарських і локальних біоекологічних спеціалізованих станцій моніторингу за техногенними ландшафтами, а також для створення рекультивованих земель різноманітного цільового призначення.

Відомості з банку даних про особливості розвитку кореневих систем рослин та ґрунтових мікроорганізмів є основою для створення найбільш придатних для даної місцевості, збалансованих і керованих фіто- і мікробоценозів. Вони визначають специфіку та спрямованість рекультиваційних робіт.

Усі впровадження підтверджені документально.

Особистий внесок здобувача. Робота виконана на підставі матеріалів, зібраних особисто автором протягом 30 років (1970-2000 рр.). Автору належать: упорядкування програми досліджень, планування та постановка польових модельних дослідів, збір та опрацювання польового матеріалу, виконання основної частини експериментальних робіт, теоретичне опрацювання отриманої інформації, висновки роботи і узагальнення літературних даних.

Автор висловлює глибоку вдячність своєму консультантові Хазієву Фангату Хаматовичу, доктору біологічних наук, професору, члену-кореспонденту РАН, заслуженому діячеві науки Республіки Башкортостан і Російської Федерації, співробітникам І.В. Ярошевіч, та Н.А. Торховій, а також численним студентам-дипломникам, участь яких у проведених дослідженнях відбито у спільних публікаціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень представлялися на Міжнародних виставках (м. Спокан, США, 1974 р.; м. Будапешт, 1980 р.); на ВДНГ, де отримали золоту, срібну та бронзову медалі (1974, 1976, 1989 рр.); демонструвалися і доповідалися на з’їздах товариства ґрунтознавців (м. Алма-Ата, 1970 р.; м. Мінськ, 1977 р.; м. Тбілісі, 1981 р.; м. Дніпропетровськ, 1982 р.; м. Ташкент, 1985 р.; м. Харків, 1986 р.; м. Новосибірськ, 1989 р.; м. Львів, 1990 р.); на Міжнародних і вітчизняних конгресах, симпозіумах і конференціях (м. Лейпциг, 1970 р.; м. Бургас-Сонячний беріг, 1973 р.; м. Москва, 1974 р.; м. Ленінград, 1975 р.; м. Самарканд, 1976 р.; м. Таллін, 1978 р.; м. Дьендьеш, 1978 р.; м. Катовіце-Забгіе-Конік, 1980 р.; м. Дніпропетровськ, 1990 р.; м. Донецьк, 1993 р.; м. Херсон, 1993 р.; м. Харків, 1994 р.; м. Дніпропетровськ, 1995 р.; м. Кременчук, 1996 р.; м. Київ, 2000 р.; м. Дніпропетровськ, 2001 р.); на щорічних наукових конференціях Дніпропетровського державного аграрного університету (1970-2001 рр.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 76 наукових працях, в тому числі у монографії "О рекультивации земель в Степи Украины" (у співавторстві), в двох навчальних посібниках (у співавторстві), 23 фахових виданнях, матеріалах 10 Міжнародних конгресів, симпозіумів та конференцій, в тезах 8 з’їздів товариства ґрунтознавців, матеріалах 10 науково-виробничих конференцій і в 22 збірниках наукових праць.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 595 найменувань, з яких 59 - іноземних авторів, і додатків. Дисертаційна робота містить 422 сторінки комп’ютерного тексту, в тому числі 58 таблиць та 24 рисунки. Додатки складають 70 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

Зроблено аналіз джерел наукової літератури щодо рекультивації порушених земель. Він показав, що за останні 40-50 років проведені значні роботи з відновлення гірничорудних територій у країнах СНД і далекого зарубіжжя. Розроблені методи відносно гірничотехнічного та біологічного етапів рекультивації, запропоновані схеми відновлення порушених земель та вторинного їхнього використання і таке інше. Проте залишається майже зовсім не з’ясованою еколого-біологічна оцінка едафотопів техногенних ландшафтів в умовах відкритих (кар’єрних) розробок. Саме цьому питанню рекультивації і присвячені наші багаторічні дослідження, результати яких стали основою у подальшому успішному біогеоценотичному освоєнні зростаючих порушених територій.

ГРУНТОВО-КЛІМАТИЧНІ УМОВИ РАЙОНУ ДОСЛІДЖЕНЬ

Клімат помірно континентальний, із жарким посушливим літом, холодною зимою та хитливим сніжним покривом через часті відлиги. За рік випаровується в середньому 732 мм води, а середня багаторічна кількість атмосферних опадів складає 463 мм. Протягом року опади випадають нерівномірно.

Рослинність належить до підзони різнотравно-типчаково-ковилового степу. Але вона помітно змінилася у зв’язку з тривалою сільськогосподарською діяльністю людини, катастрофічно деградувала і під впливом кар’єрних розробок, що вносять значні корективи в кліматичні умови.

Тваринний світ характеризується видами, що зустрічаються на степових просторах України. За останній час вони піддані значному зменшенню.

Геологічна будова і гідрогеологічні особливості показані на прикладі Нікопольського марганцеворудного басейну. Товща порід, що вкриває шар руди, досягає 73 м і будується із сучасних ґрунтів, суглинків палево-жовтих, буровато-жовтих та червоно-бурих, червоно-бурих і сіро-зелених глин і т. д. Товща, яка вміщає в собі і водоносні горизонти, руйнується. Створюється оригінальне гідрогеологічне середовище, яке не має аналогів у природі.

Ґрунтовий покрив до проведення гірничих розробок характеризувався одночасно наявністю двох підтипів чорноземів: звичайного та південного.

ЕКОЛОГІЧНА ОЦІНКА ЕДАФОТОПІВ, СТВОРЕНИХ З ПУХКИХ, РОЗСИПЧАСТИХ ГІРСЬКИХ ПОРІД ТА ҐРУНТІВ

Відпрацьовані кар’єрні території необхідно розглядати як полідисперсну (дрібно роздроблену) систему, елементарні ґрунтові частинки якої знаходяться в різноманітних, далеко не однакових співвідношеннях одна з одною. З цього матеріалу і будуються едафотопи, під якими розуміються не тільки сучасні ґрунти, але і різноманітні субстрати, на котрих планується створення культурбіогеоценозів (Білова, Травлєєв, 1999).

Гранулометричний склад едафотопів дуже важливий екологічний фактор і для генетичної, і для біологічної характеристики рекультивованих земель.

Насипний родючий шар чорнозему і лесовидні суглинки за сумою частинок фізичної глини належать до едафотопів суглинистого гранулометричного складу (у шарі 0-100 см частинок діаметром < 0,01 мм 39-56%). Червоно-бурі і сіро-зелені глини мають важкий гранулометричний склад. У їх товщі переважають мулиста і дрібнопилувата фракції, які істотно впливають на фізико-хімічні властивості едафотопів (частинок діаметром < 0,01 мм 60-83%).

Фізичні властивості едафотопів змінюються не тільки в залежності від гранулометричного складу і утримання органічної речовини, але і від технології і часу проведення гірничотехнічного етапу рекультиваційних робіт.

Водні властивості дуже складні. В шарі 0-100 см максимальна гігроскопічна вологість коливається у межах 7,6-8,5% від маси наважки у суглинистих та 15,0-20,7% - у важких за гранулометричним складом едафотопах. Найбільшу кількість продуктивної вологи містять насипний родючий шар чорнозему і сіро-зелена глина. В метровому шарі цих едафотопів накопичується 2000 т/га, а іноді і більше продуктивної вологи.

Соленакопичення в ґрунтових розчинах примітне тим, що за 30-річний період в едафотопах відбулося формування специфічного сольового профілю, обумовленого особливостями гранулометричного складу. У червоно-бурій і сіро-зеленій глинах, розсолення починається з поверхні до глибини 30-40 см, а в лесовидному суглинку - до глибини 80 см. Далі відбувається накопичення легкорозчинних солей. Це сприяє утворенню різноманітних за ступенем засолення мікросередовищ: від опріснених до дуже засолених.

Вміст гумусу і елементів живлення знаходиться на дуже низькому рівні. В орному шарі 0-40 см вміст легкогідролізованого азоту становив 0,50-1,24 мг/100 г, рухомого фосфору–0,31-1,80, обмінного калію–26-64 мг на 100 г наважки. Гумус досягав 0,05-0,95%. Едафотопи з такими показниками утворюють складне середовище для життєдіяльності мікроорганізмів та функціонування кореневих систем рослин.

ХАРАКТЕР ТРАНСЛОКАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ РОСЛИН

В УМОВАХ ТЕХНОГЕННИХ ЛАНДШАФТІВ

Відпрацьовані землі - це суміш геологічних порід різної генези, з якої формуються едафотопи техногенних ландшафтів. В Україні саме вони і нанесений на них родючий шар ґрунтової маси ще недостатньо досліджені.

Біологічна продуктивність техногенних екосистем

Едафотопи, майже неродючі для одних рослин, виявилися сприятливим середовищем для росту і розвитку інших. Злакові, гарбузові, гречкові та рослини інших видів, які мають слабку розчинну силу коренів, дуже чутливо реагують на нестачу або відсутність у даному едафотопові легкорозчинних поживних речовин, особливо азоту. Продуктивність цих рослин знаходиться на рівні недоцільного їх використання.

Бобові, навпаки, ставляться до цього індиферентно, бо вони спроможні проявити енергійну розчинюючу діяльність своїх кореневих систем, здатних функціонувати навіть у жорстких екологічних умовах техногенних ландшафтів.

Еколого-біологічні особливості розвитку кореневих систем деяких домінантних рослин Із досліджених як тести 23 видів вищих рослин найперспективнішими для освоєння відпрацьованих кар’єрних дільниць є багаторічні бобові трави - Medicago sativa L. та Onobrychis arenaria (Kit.) DC. Вони забезпечують одержання високих сталих врожаїв і відрізняються позитивними грунтоутвірними властивостями.

Кореневі системи досліджуваних видів рослин виявляють всі свої позитивні біологічні можливості, коли зростають у складних екологічних умовах. На рекультивованих землях розвиток рослин, їх продуктивність і навіть зовнішній вигляд цілком і повністю залежать від діяльності кореневих систем, від еколого-біологічних можливостей рослин, від того, наскільки відповідають конкретній рослині своєрідні, завжди скрутні, екологічні умови едафотопу.

Транслокаційний ефект Avena sativa L. і Pisum sativum L.

В умовах техногенних ландшафтів транслокаційні процеси у Avena sativa L. і Pisum sativum L. виявилися нестійкими та слабкими. Головна причина цього полягає в незначній швидкості росту коренів. Вони функціонують під впливом постійного дефіциту вологи та нестійкого температурного режиму верхніх шарів едафотопів. Аритмія гідротермічного стану створює екологічну нестабільність росту і розвитку самих рослин.

На варіантах без добрив Avena sativa L. у фазу воскової спілості накопичувала 12,5 ц/га загальної біологічної маси, в якій 57% припадало на корені. Але цієї кількості підземної частини було замало. Одна вагова частина коренів забезпечувала елементами живлення тільки 0,7 вагової частини надземної маси. На таких же варіантах коефіцієнт продуктивності кореневої системи Pisum sativum L. був значно вище: одна вагова частина коренів забезпечувала елементами живлення 2,3 частини надземної маси.

Внесення N80P80K80 призводило до збільшення частки надземної маси. На варіантах з добривами коефіцієнт продуктивності кореневих систем становив у Avena sativa L. 2,8, а в Pisum sativum L.- 4,2. Чим більша маса коренів у загальному біологічному врожаї, тим менший їхній коефіцієнт продуктивності.

Екологічна обумовленість продуктивності підземних фітомас Avena sativa L. і Pisum sativum L. На варіантах без добрив Avena sativa L. і Pisum sativum L. накопичували в шарі 0-30 см відповідно 10 і 5 ц/га коренів (повітряно-суха маса). Внесення добрив (N80P80K80) є найефективнішим прийомом для розвитку кореневих систем: Avena sativa L. накопичувала 23 ц/га коренів, а Pisum sativum L. - 9 ц/га.

Середньодобовий приріст коренів Avena sativa L. на варіантах без добрив дорівнював лише 0,6-0,8 см і відбиває їх слабку екологічну пластичність. Коренева система Pisum sativum L. розвивалася у 2 рази швидше, проте навіть при такому інтенсивному рості теж припиняла своє функціонування раніше, ніж у товщі удобрених варіантів.

Транслокаційний ефект Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.)

В товщі едафотопів техногенних ландшафтів наочно проявився характер транслокації речовин і енергії у багаторічних трав. Вони створювали стільки коренів і поширювали їх на таку глибину та широту, на скільки відчували в цьому потребу і скільки їм дозволяли фізико-хімічні властивості едафотопу.

Якщо загальна біологічна продуктивність, наприклад, на червоно-бурій глині (без добрив) у Onobrychis arenaria (Kit.) DC. третього року життя в середньому складала 112 ц/га, а у Medicago sativa L.- 162 ц/га, то на корені припадало 65%, або відповідно 73 і 105 ц/га. Це у фазу повного цвітіння.

Перевага по масі підземної частини рослин є результатом їхньої адаптивності до умов техногенних ландшафтів. Прагнення до самозбереження спрямовує транслокацію речовин і енергії на забезпечення насамперед підземної частини рослин: в шарі 0-40 см накопичувалося 74-87 % загальної маси коренів.

Коренева маса Medicago sativa L. завжди перевищувала масу коренів Onobrychis arenaria (Kit.) DC. Але коренева система Onobrychis arenaria (Kit.) DC. майже на всіх едафотопах завжди мала вищий коефіцієнт продуктивності. Внесення добрив (N80P80K80) сприяло підвищенню коефіцієнта продуктивності кореневих систем рослин, який, наприклад, на варіанті із червоно-бурою глиною становив 0,92 і 0,69 відповідно.

Екологічна обумовленість продуктивності підземних фітомас Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC. Чим бідніший поживними речовинами едафотоп, тим помітніше прагнення кореневих систем багаторічних бобових трав проникнути в глибину в пошуках їжі і вологи.

У фазу цвітіння і утворення бобів довжина кореня у Medicago sativa L. третього року життя перевищувала висоту стебла у 3 рази, а у Onobrychis arenaria (Kit.) DC.- у 2-2,5 рази.

Кореневі системи цих рослин мають велику гнучкість у регулюванні швидкості росту коренів і стебел. Наприклад, на варіантах без добрив середньодобовий приріст коренів Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC. складав від 1,6 до 1,7 см, а на варіантах із добривами (N80P80K80) - 1,1-1,2 см. Отже, при наявності елементів живлення великої потреби в розвитку кореневої системи багаторічні бобові трави не відчували.

Модифікований засіб відбору ґрунтових монолітів

Поширений метод ґрунтового моноліту в умовах техногенних ландшафтів не придатний для вивчення особливостей розвитку кореневих систем рослин. Тому ми удосконалили рамковий спосіб М.З. Станкова (1951). Зокрема, на обраній для досліджень ділянці посівів рослин закладали основний ґрунтовий розріз. Щоб відібрати моноліт ґрунту із коріннями, використовували металеву рамку площею 0,1 м2.

Рамку встановлювали на поверхні едафотопу так, щоб один її бік був паралельним лицьовій стінці розрізу. Відділені рамкою рослини підраховували і зрізали у кореневої шийки. Робили надрізи уздовж зовнішніх меж рамки. З лицьового боку розрізу брали моноліт завтовшки 10 см і укладали у двошаровий марлевий мішечок. Потім виїмку підчищали, рамку опускали, щоб відібрати другий шар ґрунту – і т.д. до бажаної глибини.

Удосконалення дозволяє детально оглянути, описати, замалювати і сфотографувати ґрунтову товщу на всю досліджувану глибину; збільшити кількість монолітів, що відбираються; скоротити час на одержання еколого-біологічних характеристик кореневих систем; створити комп’ютерний банк даних особливостей розвитку кореневих систем у тому чи іншому ґрунті; одержати інформацію про фізико-хімічний стан едафотопу тощо.

Після відмивання ґрунтових монолітів корені підсушували до повітряно-сухого, а при необхідності до абсолютно-сухого стану. В лабораторних умовах корені розподіляли за товщиною на чотири фракції: більше 5 мм, 5-1, 1-0,5 і менше 0,5 мм. У такому разі з’являється можливість визначити і корені тонше 1 мм, тобто ту частину кореневої системи, яка найактивніше поглинає воду та поживні речовини.

Математична модель розрахунку еколого-біологічних характеристик кореневих систем рослин

Якщо вважати, що корені мають форму циліндрів, то, маючи дані про їх повітряно-суху масу (Р), середньостатистичний діаметр і щільність, можна розрахувати сумарну поверхню (S) кореневої системи, її довжину (L) і насиченість (Н) ґрунтів коренями за допомогою коефіцієнтів наведених у табл. 1.

Таблиця 1

Коефіцієнти для розрахунку еколого-біологічних характеристик

кореневих систем Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC.

Фракція, мм | Поверхня коренів, см2 | Довжина коренів,

см | Насиченість ґрунтів коренями, %

1. Більше 5

2. 5–1

3. 1–0,5

4. Менше 0,5

НСР 05 | Р . 8,93

Р·. 20,11

Р·. 62,79

Р·. 176,21

0,008 | S : 2,20

S : 0,94

S : 0,23

S : 0,078

0,009 | Р : 640

Р : 663

Р : 850

Р : 909

0,007

Математична модель розрахунку еколого-біологічних характеристик кореневих систем дозволяє одержати докладну інформацію по будь-якій фракції коренів в окремо взятому шарі едафотопу або по всій підземній частині рослини на будь яку глибину.

Біоекологічні показники розвитку кореневих систем Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC.

Розподіл маси повітряно-сухих коренів на фракції та використання коефіцієнтів для розрахунку еколого-біологічних характеристик кореневих систем дозволили виявити деякі особливості розвитку підземної частини досліджуваних видів рослин. Розглянемо це на прикладі Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC. (табл. 2).

Ці рослини спроможні перерозподіляти органічні речовини й енергію у ту частину кореневої системи, яка виконує найбільше навантаження у даний конкретний момент. В цьому і полягає значущість транслокаційного ефекту вищих рослин, що виростають в умовах техногенних ландшафтів.

Таблиця 2

Екологічні особливості будови та розподілу кореневих систем

Onobrychis arenaria (Kit.) DC. і Medicago sativa L. третього року життя

у едафотопах без добрив *

Варіант | Всьо-го коренів, г/м3 | В тому числі по фракціях

> 5 мм

(середн. діам. 7 мм) | 5-1 мм

(середн. діам.

3 мм) | 1-0,5мм

(середн. діам

0,75 мм) | < 0,5 мм (середн. діам. 0,25 мм)

товщина шару, см

0-40 | 0-100 | 0-40 | 0-100 | 0-40 | 0-100 | 0-40 | 0-100

1. Чорнозем південний

2. Родючий шар чорнозему

3. Лесовидний суглинок

4. Червоно-бура глина

5. Сіро-зелена

глина

НСР 05 | 309,0

677,8

395,8

731,3

465,7

988,0

734,7

1054,4

783,8

814,9

1,5 | 39,6

156,7

51,4

171,6

12,5

88,1

-

-

-

35,1

0,7 | 39,6

156,7

51,4

171,612,5

88,1

-

-

-

35,1

0,9 | 91,1

210,5

89,2

252,9

123,3

469,2

108,8

463,8

160,0

353,0

1,2 | 97,9

265,5

108,0

293,6

131,3

567,1

108,8

488,2

165,9

365,1

1,3 | 4,7

14,9

14,7

10,8

11,3

13,1

30,3

18,5

25,1

32,0

1,1 | 11,0

34,7

25,9

22,6

20,2

29,6

38,5

44,4

50,0

48,3

1,2 | 127,5

142,0

150,5

181,0

217,5

216,7

447,6

354,9

404,0

242,4

1,4 | 160,5

220,9

210,5

243,5

301,7

303,2

587,4

521,8

567,9

366,4

1,3

·

Medicago sativa L. третього року життя завжди створювала значну кількість потужних коренів товщиною більше 5 мм. Вони розміщалися в шарі 0-40 см і становили від 15,7 г/м3 (удобрена червоно-бура глина) до 350,5 г/м3 (удобрений родючий шар чорнозему). В ідентичних екологічних умовах Onobrychis arenaria (Kit.) DC. створював більше коренів фракції менше 0,5 мм.

При всіх інших відносно однакових умовах переважний розвиток здебільшого мають корені двох фракцій: 5-1 і менше 0,5 мм. Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC. створювали порівняно мало коренів фракції 1-0,5 мм. Однак ця частина кореневої системи була знайдена по всьому профілю метрової товщі. На поверхні коренів саме цієї фракції, особливо після опадів, утворювались численні тонкі кореневі волоски завдовжки 2-5 мм. Тривалість їхнього перебування обмежувалася наявністю плівкової вологи.

На важких за гранулометричним складом едафотопах збільшувалася кількість корінців товщиною менше 0,5 мм. На легких за гранулометричним складом едафотопах превалюють корені фракцій більше 1 мм.

Еколого-біологічна характеристика кореневих систем рослин як тестовий показник властивостей едафотопів. Доведено, що еколого-біологічні характеристики кореневих систем є дуже об’єктивними тестовими показниками. Вони відображають екологічне становище навіть окремих шарів едафотопів, особливо поверхня і довжина коренів.

Внаслідок інтенсивного росту коренів Medicago sativa L. і Onobrychis are(Kit.) DC., посиленого їх розгалуження і утворення значної кількості тонких корінців неминуче збільшується загальна довжина кореневих систем (табл. 3). Їхні максимальні розміри були виявлені в рослин, які зростали на третинних глинистих відкладеннях. Наприклад, на площі в 1 га тільки у верхньому 40-сантиметровому шарі червоно-бурої глини, де не вносили добрива, довжина коренів Onobrychis arenaria (Kit.) DC. третього року життя перевищувала 102 тис. км, тобто 2,5 довжини екватора нашої планети.

Таблиця 3

Розвиток кореневих систем Onobrychis arenaria (Kit.) DC. і

Medicago sativa L. третього року життя у едафотопах без добрив *

Варіант | Поверхня коренів, см2 | Довжина коренів, м | Насиченість коренями, %

товщина шару, см

0-40 | 0-100 | 0-40 | 0-100 | 0-40 | 0-100

1.

південний

2.

3.

суглинок

4.

глина

5. Сіро-зелена

глина | 24951

31591

29700

39197

41631

49231

82965

94233

75986

52140 | 31300

47843

41361

51775

57194

67484

108119

125768

106551

75261 | 2915

3300

3462

4180

4972

5036

10219

8394

9231

5642 | 3679

5148

4852

5634

6901

7056

13400

12240

13003

8491 | 0,329

0,737

0,397

0,858

0,454

1,100

0,651

1,109

0,715

0,893 | 0,368

0,930

0,503

1,002

0,569

1,364

0,817

1,362

0,938

1,068

·

в знаменнику–Medicago sativa L.

Загальна довжина коренів Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC. в досліджуваних едафотопах становила від 5 до 13 км/м3 ґрунту. При цьому, корінці найтоншої фракції (менше 0,5 мм) досягали 89-95%. Це дуже важливий показник розвитку кореневих систем рослин, особливо якщо врахувати, що процес поглинання речовин носить поверхневий адсорбційний характер.

Найбільшу поверхню завжди мали корені у варіантах з третинними відкладеннями. Корені Onobrychis arenaria (Kit.) DC., які функціонували у червоно-бурій глині, утворювали у 3,5, а корені Medicago sativa L. у 2,6 рази більше поверхні, ніж у разі їхнього зростання в умовах південного чорнозему.

Екологічна пластичність кореневих систем Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC. Доведено, що загальна маса коренів не відбиває дійсної характеристики їх поверхні та довжини, тобто в одиниці загальної маси коренів поверхня і довжина можуть бути різними і залежати від якісних показників едафотопу (табл. 4). Так, на 1 г повітряно-сухої маси коренів Onobrychis arenaria (Kit.) DC. третього року життя в насипному родючому шарі чорнозему 0-40 см припадало 94,9 см2 поверхні і 11,1 м довжини. У третинних глинистих відкладеннях ці показники значно збільшувались і досягали максимуму в червоно-бурій глині. Чим менше поживних речовин в едафотопі, тим більшу поверхню і довжину розвиває коренева система внаслідок додаткового утворення корінців найтоншої фракції менше 0,5 мм. На її долю припадає 95-99% загальної поверхні кореневої системи.

Таблиця 4

Поверхня та довжина кореневих систем Onobrychis arenaria (Kit.) DC. і Medicago sativa L. у перерахунку на 1 г повітряно-сухої маси

у едафотопах без добрив *

Варіант | Маса коренів, г/м3 | Поверхня коренів, см2 | Довжина коренів, м

товщина шару ґрунту, см

0-40 | 0-100 | 0-40 | 0-100 | 0-40 | 0-100

1.

південний

2.

чорнозему

3.

суглинок

4.

глина

5.

глина

НСР05 | 262,9

524,1

305,8

616,3

364,6

787,1

586,7

837,2

589,1

662,5

1,4 | 309,0

677,8

395,8

731,3

465,7

988,0

734,7

1054,4

783,8

814,9

1,5 | 94,9

60,3

97,1

63,6

114,2

62,6

141,4

112,6

129,0

78,7

0,006 | 101,3

70,6

104,5

70,8

122,8

68,3

147,2

119,3

136,0

92,4

0,009 | 11,1

6,3

11,3

6,8

13,6

6,4

17,4

10,0

15,7

8,5

0,008 | 11,9

7,6

12,3

7,7

14,8

7,2

18,2

11,6

16,6

10,4

0,009

·

в знаменнику-Medicago sativa L.

В цьому виявляється екологічна пластичність кореневих систем Medicago sativa L. та Onobrychis arenaria (Kit.) DC. Вони створюють таку кількість кореневої маси певної товщини і так її розподіляють в товщі ґрунтів, аби вона змогла забезпечити рослину елементами живлення і зробити максимально можливу продукцію у конкретних грунтово-екологічних умовах.

Ця унікальна еколого-біологічна особливість розвитку кореневих систем багаторічних бобових трав виявлена при їх зростанні на рекультивованих землях. Вона і пояснює високу продуктивність цих рослин в жорстких умовах.

Насиченість едафотопів коренями знаходиться у прямій залежності від маси коренів. Вона досягала у Onobrychis arenaria (Kit.) DC. 0,94% і у Medicago sativa L. 1,42% від досліджуваного об’єму ґрунту.

Біоморфологічні особливості кореневих систем досліджуваних видів Транслокація рослин в умовах техногенних ландшафтів проявляється і у формі кореневих систем. При виникненні на шляху корінців будь-якої перешкоди, вони використовують всі свої біологічні можливості аби перебороти її, і це обов’язково відбивається на морфології всієї кореневої системи.

Екологічні умови рекультивованого середовища та біологічні особливості рослин визначають форму не лише підземної, але й надземної їхньої частини. Так, на варіантах із насипним родючим шаром чорнозему, де не вносили добрива, надземна частина Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC. була компактною, щільною. Внесення добрив (N80P80K80), навпаки, сприяло утворенню значної надземної маси з розкидистою формою.

Установлено закономірність підпорядкування і залежності розподілу кореневих систем від величини родючості ґрунтових горизонтів. Кореневі системи рослин інтенсивніше розвивалася в зоні накопичення поживних речовин. Тому вони за формою нагадували літеру “Т”. Наприклад, саме у верхньому 10-сантиметровому шарі лесовидного суглинку (без добрив) зосереджувалось 50,2 % коренів Onobrychis arenaria (Kit.) DC. від їхньої загальної маси у метровій товщі, а в сіро-зеленій глині – 40,4 %. У шарі 10-20 см корені займали тільки 13-14 %. З наступною глибиною їх маса була ще меншою.

Можна стверджувати, що морфологія кореневих систем віддзеркалює забезпеченість едафотопів поживними речовинами, тобто форма підземної частини рослин відбиває рівень родючості окремих шарів едафотопів.

Бульбочкові бактерії Rhizobium meliloti та Rhizobium simplex як діаг-ностичні показники еколого-біологічного стану едафотопів

Зараження кореневих волосків Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC. бульбочковими бактеріями та інтенсивність утворення бульбочок залежить від вмісту азоту в ґрунті і тканинах рослин.

В умовах техногенних ландшафтів кількість бульбочок, у перерахунку на одну рослину, завжди була вищою, ніж у таких самих рослин на зональному південному чорноземі.

Кількість бульбочок на одній рослині 3-го року життя в шарі 0-100 см становила: у Onobrychis arenaria (Kit.) DC. 28-131 шт. із середньою масою 0,18-0,60 г і у Medicago sativa L. 24-128 шт. із середньою масою 0,05-0,32 г. При цьому 78-98 % бульбочок накопичувалось у шарі 0-40 см. Але ні в одному з едафотопів середня маса штучно взятої бульбочки не досягала тої маси, котру накопичували ці рослини в чорноземі.

Бульбочкові бактерії Medicago sativa L. і Onobrychis arenaria (Kit.) DC. виявили велику екологічну пластичність, швидко адаптувалися до екстремальних умов середовища едафотопів, інтенсивніше засвоювали атмосферний азот, на що вказує їх рожевий колір.

ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ МІКРОБОЦЕНОЗІВ

ЯК КОМПОНЕНТІВ ЕКОСИСТЕМИ

В умовах техногенних ландшафтів дуже важливо встановити механізм, за яким функціонують мікроорганізми, дослідити причини, що змінюють їх чисельність та визначити заходи щодо регулювання цієї чисельності. Знайшовши відповіді на ці питання можна цілеспрямовано впливати ґрунтовими мікроорганізмами на покращання властивостей едафотопу, бо вони входять до його складу як абсолютно невід’ємна і, поки що, мало вивчена частина.

Спроможність мікроорганізмів чутливо реагувати на зміну екологічних умов середовища (Виноградський, 1952; Звягінцев, 1987; Стефурак, 1989; 1997) дозволяє використовувати їх як наочний індикатор при еколого-біологічній оцінці едафотопів техногенних ландшафтів.

Біологічна активність едафотопів

У зразках ґрунтів, які були багаторазово відібрані безпосередньо з різних глибин борту кар’єру, мікроорганізмів не знаходили. Виходить, що і пул мікроорганізмів у свіжо відсипаних ґрунтах практично дорівнює нулю.

У процесі виїмки і транспортування ґрунтів у відвал і планування його поверхні чисельність мікроорганізмів різко збільшується. До того ж інокуляція ґрунтів спорами і клітинами мікроорганізмів відбувається і інфікованим матеріалом еолового походження. Вже через 7 років в шарі 0-20 см навіть контрольних варіантів (без рослин і добрив) налічується велика кількість мікроорганізмів (Рис. 1). Їх чисельність залежить від фізико-хімічних властивостей едафотопу та піддана значним коливанням у зв’язку із сезонними змінами екологічних умов середовища. Як правило, кількість мікроорганізмів ранньої весни різко збільшується і досягає свого максимуму наприкінці травня – на початку червня.

Ризосферний ефект едафотопів. В зоні розташування кореневих систем бобових рослин мікроорганізмів в декілька разів більше, ніж у товщі контрольних варіантів. Наприклад, у зразках із шару 0-20 см родючої чорноземної маси, узятих із кореневої зони, мікроорганізмів було в 10 раз більше.

В ризосфері Medicago sativa L. або Onobrychis arenaria (Kit.) DC. кількість мікроорганізмів стабілізувалася і протягом вегетаційного періоду вже не піддавалася таким різким коливанням, як на парових ділянках.

Загальна чисельність мікроорганізмів як індикатор еколого-біологічного стану едафотопів. Динаміка загальної чисельності мікроорганізмів обумовлена дуже складними консортивними взаємозв’язками між мікроорганізмами, коріннями і едафотопами. Фізико-хімічні властивості верхніх шарів едафотопів не обмежують розвиток мікроорганізмів.

Доведено (Звягинцев, 1987), що бактерії мають істотне екологічне значення тільки тоді, коли чисельність їхніх клітин дорівнює не менше 1 млн. на 1 г субстрату, хоча б в один із сезонів. В шарі 0-40 см всіх досліджуваних нами едафотопів кількість мікроорганізмів перевищує цей показник, тобто їх цілком достатньо для інтенсивної біологізації цієї товщі.

Рис. 1 Динаміка чисельності мікроорганізмів в шарі ґрунтів 0-20 см

контрольних (без рослин) варіантів

Динаміка чисельності спорових мікроорганізмів. На початку формування молодих ґрунтів техногенних екосистем чисельність спорових мікроорганізмів є дуже важливою ознакою при оцінці грунтово-екологічного стану рекультивованої дільниці. Це підтверджується численними дослідами.

Аналізи показали, що кількість спорових стосовно загальної чисельності амоніфікуючих бактерій у шарі 0-20 см контрольних варіантів становила: у родючому шарі чорнозему 0,5-4,1%, у лесовидному суглинку 0,3-3,5, у червоно-бурій глині 0,04-2,3 і в сіро-зеленій глині 0,01-4,4%. У зоні