ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Національний аграрний університет
ЗАБАЛУЄВ ВІКТОР ОЛЕКСІЙОВИЧ
УДК 631.618 : 631.41: 631.48 + 633.3: 631.5
ЕДАФО-ФІТОЦЕНОТИЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ
ФОРМУВАННЯ ТА ФУНКЦІОНУВАННЯ
СТІЙКИХ АГРОЕКОСИСТЕМ
НА РЕКУЛЬТИВОВАНИХ ЗЕМЛЯХ СТЕПУ УКРАЇНИ
03.00.16 - екологія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора сільськогосподарських наук
КИЇВ – 2005
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, негатив-ний 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 виділе-них із них мулистих фракціях можна зробити висновок про високу дисперс-ність та переважання змішано-шаруватих гідрослюдисто-монтморилоніто-вих мінералів у глинистих субстра-тах, 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
Яблучно-зелена глина | 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 – 0,25–3,59, сіро-зелених мергелистих глинах – 0,23–1,52 %.
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):
· підвищився вміст гумусу: у лесоподібних суглинках в середньому в 2,5 рази, у червоно-бурих глинах і суглинках в 3,5, у сіро-зелених мергелистих глинах у 4, 9 рази;
· збільшились загальні запаси азоту в середньому у 2,7–3,7 рази;
· збільшився вміст рухомого фосфору: в лесоподібних суглинках в 2,3 рази, в червоно-бурих глинах і суглинках – в 3,9 рази, в сіро-зелених мергелистих глинах в 5,7 рази;
· зменшився вміст легкорозчинних солей у кореневміщуючому шарі в середньому в 1,52,4 рази. Лесоподібні суглинки та сіро-зелені мергелисті глини стали незасоленими, червоно-бурі глини слабкозасоленими;
· збільшилась кількість водостійких агрегатів: в лесоподібних суглинках до 7,316,4 %, в червонобурих глинах і суглинках до 40,555,3 %, у сіро-зелених мергелистих глинах до 43,862,7 %;
· виявлено переміщення по верхньому метровому профілю едафотопів натрію та заліза – у нижню частину, марганцю у верхню.
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.
· Гумусонакопичення. У багаторічних польових дослідах (19712002 рр.) вивчали вплив рослинності на гумусонакопичення в літоземах (суміш червоно-бурих глин і суглинків та сіро-зелені мергелисті глини) з початку їх біологічного освоєння. Варіанти досліду відрізнялись набором та чергуванням сільськогосподарських культур у часі:
· варіант 1 люцерна посівна 4 роки ярий ячмінь еспарцет піщаний 5 років ярий ячмінь бобово-злакова травосуміш 9 років чистий пар озима пшениця бобово-злакова травосуміш 10 років;
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 агро-фітоценозів та частка злакових компонентів залежно від часу з початку сільськогосподарсь-кого освоєння літоземів (середнє з трьох едафотопів).
Заштриховано частку злакових компонентів у надземній фітомасі.
· варіант 2 люцерна посівна 4 роки чистий пар ярий ячмінь ярий ячмінь чистий пар озима пшениця ярий ячмінь чистий пар озима пшениця ярий ячмінь кукурудза горох ярий ячмінь горох ярий ячмінь горох ярий ячмінь чистий пар озима пшениця озима пшениця бобово-злакова травосуміш 9 років.
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 характери-зуються едафотопи, представлені сіро-зеленими мергелистими глинами при насиченні їх багаторічними бобовими і бобово-злаковими агрофітоцено-зами: за 32-річний період сільськогосподарського освоєння вони здатні аку-мулювати 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 відбу-ваються досить швидкими темпами, не зважаючи на гетерогенність їх речо-винного 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:
· добір асортименту рослин, оснований на узагальненні геоботанічних досліджень самозаростання кар’єрних відвалів різного генезису, часу формування, складу, властивостей, проведених Масюком М.Т. (1969), Бондар Г.О. (1974), екоморфному аналізі рослинності за методологією Бельгарда О.Л. (1966). Дослідженнями під керівництвом Бекаревича М.О. (1971, 1974) доведена особлива роль багаторічних бобових трав при біологічному освоєнні літоземів.
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.
· еколого-біологічні властивості компонентів. Оптимальне використання екологічних факторів здійснюється завдяки підбору компонентів з різним відношенням до: світла (створення різноярусного травостою з включенням світлолюбних і тіньовитривалих компонентів, характером облистяності й розташування фотосинтезуючої поверхні), поживних речовин (мега-, мезо- та еврітрофи, фітомеліорація, сумісне вирощування бобових і злакових трав, застосування добрив), вологи (підбір мезофітних і ксерофітних видів рослин, різноярусне розміщення кореневих систем), тимчасового затоплення в місцях локальних просіданнях поверхні, токсичної дії високих концентрацій легкорозчинних солей та ін.
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)
