Еколого-біологічні принципи створення стійких високопродуктивних лучних біогеоценозів в заплавах північного лісостепу України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 581.5 : 633.2

Дудник Світлана Василівна

Еколого-біологічні принципи

створення стійких високопродуктивних

лучних біогеоценозів в заплавах

північного лісостепу України

Дніпропетровск - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в лабораторії луківництва Інституту землеробства Української академії аграрних наук

Науковий керівник доктор сільськогосподарських наук, професор

БОГОВІН АНАТОЛІЙ ВЛАСОВИЧ,

Інститут землеробства УААН,

завідувач лабораторії луківництва

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, доцент

ЗВЕРКОВСЬКИЙ ВАСИЛЬ МИКОЛАЙОВИЧ

Дніпропетровський державний університет,

доцент кафедри геоботаніки, грунтознавства та екології

кандидат біологічних наук, доцент

ЮЩУК ЄВГЕН ДАВИДОВИЧ

Криворізький педагогічний університет,

доцент кафедри ботаніки та екології

Провідна установа: Інститут ботаніки ім. М.Г.Холодного Національної академії наук України (м. Київ)

Захист відбудеться "18" жовтня 2000 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради 08.051.04 по присудженню наукового ступеня доктора біологічних наук в Дніпропетровському державному університеті за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, провулок Науковий 13, корпус 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського державного університету Міністерства освіти України

Автореферат розісланий " 15 " вересня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат біологічних наук, доцент А.О. Дубина

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Природні довгозаливні лучні біогеоценози (БГЦ), займаючи в зоні північного Лісостепу України 248,3 тис. га, за продуктивним потенціалом відносяться до найбільш цінних кормових угідь. У сучасних умовах, перебуваючи під постійним, часто надмірним антропогенним навантаженням і зазнаючи деградації, вони стають неспроможними виконувати свої функції, а тому всебічне вивчення та розробка еколого-біологічних принципів та методів відновлення їх біосферної ролі у системі лісолукоаграрних комплексів є нагальною необхідністю сучасності.

Актуальність теми. Оптимізація функціонування природних лучних БГЦ, які домінують в заплавах великих і середніх річок, вимагає, насамперед, поліпшення умов живлення рослинних угруповань та застосування адекватних до біологічних особливостей фітокомпонентів режимів використання кормових угідь на основі встановлення та впровадження науково обгрунтованих видів мінеральних добрив і їх поєднань, найбільш досконалих режимів скошування травостоїв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дослідження є складовою частиною тематичного плану Інституту землеробства УААН по виконанню НТП УААН на 1996-2000 рр "Кормовиробництво" (№ державної реєстрації 0196 U 18401).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було встановити закономірності формування еколого-біологічної структури і продуктивності природних травостоїв на довгозаливних заплавних луках північного Лісостепу України при різних режимах скошування, підсіві трав і застосуванні мінеральних добрив та розробити систему їх використання для отримання на сіножатях стабільно високих урожаїв при оптимальній якості кормів, стійкості видової структури фітоценозів, збереженні екологічної рівноваги оточуючого середовища.

У зв'язку з цим на вирішення були поставлені такі задачі :

з'ясувати особливості структурно-функціональної організації заплавних лук, деструктивно-демутаційних процесів у фітоценозах, закономірності формування травостоїв при різних режимах скошування;

експериментально визначити розміри впливу різних строків і частоти скошування лучних травостоїв на продуктивність заплавних лук і якість кормів;

виявити роль підсіву трав у дернину, внесення мінеральних добрив, сінокосозмін у підвищенні стабільності ценозів і продуктивного довголіття в них едифікуючих і супутніх ценопопуляцій;

визначити зміни вмісту біогенних елементів у рослинах та грунті, деяких фізико-хімічних грунтових показників при різній інтенсивності використання лучних екосистем і догляду за ними;

дати енергетичну та економічну оцінку режимам використання заплавних лук і різних заходів догляду за ними.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше розроблено й екологічно обгрунтовано доцільні режими використання природних БГЦ довгозаливних заплавних лук лісостепової зони України.

При різних рівнях укісного навантаження для лук з тривалістю затоплення понад 50 діб і перевагою у рослинному покриві видів гігрофітної екології встановлені параметри дії мінеральних добрив на трансформаційні процеси еколого-біологічної структури та господарську цінність угідь.

Здійснена поліваріантна екологічна оцінка ступеня деструктивності ценозів в умовах антропопресії та розроблено методичні підходи і шляхи відновлення й підтримання на оптимальному рівні пульсативної деструктивно-демутаційної рівноваги БГЦ.

З'ясована залежність між виявленням дії антропогенних екологічних факторів на продуктивність природних фітоценозів та енергетичними і економічними витратами на здійснення заходів поверхневого поліпшення лучних угідь і з урахуванням сучасної цінової ситуації визначено розміри господарсько виправданих субсидій техногенної енергії та економічних витрат для збільшення в БГЦ об'єму кругообігу речовин з метою одержання високих зборів якісних кормів різноцільового призначення.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці рекомендацій виробництву, які забезпечують істотне підвищення ефективності використання довгозаливних заплавних лучних БГЦ та їх охорону в умовах антропогенного навантаження. Впровадження цих розробок при достатньому ресурсному забезпеченні дозволяє на поліпшених природних сіножатях стабільно отримувати по 60-75 ц/га сухої маси трав, придатної для виготовлення високоякісних кормів різноцільового призначення, підвищити стабільність фітоценозів та поліпшити екологічний стан заплавних лук.

Об'єкти, умови і методика проведення досліджень

У розділі наведено коротку характеристику природних умов зони Лісостепу України, на території північної частини якої було проведено дослідження. Об'єкти вивчення - природні луки центральної частини заплави середньої течії Дніпра.

Вирішення поставлених завдань здійснено у двох дослідах.

Дослід 1 по вивченню режимів використання лучних фітоценозів закладено лабораторією луківництва Інституту землеробства УААН на багаторізнотравно-болотнотонконогових луках у 1979 році. Тривалість затоплення повеневими водами 30-40 діб. Зволоження за екологічними шкалами Л.Г. Раменського свіжо-лучне (53-64). Грунти лучні крупнопилувато легкосуглинкові, у шарі 0-20 см на 100 г сухої маси містять 2,8% гумусу, 14,3 мг легкогідролізованого азоту, 9,8 Р2О5, 6,4 мг К2О, гідролітична кислотність - 4,8 мг-екв., рН(КСl)=4,5. До 1994 року основна увага приділялася з'ясуванню продуктивних властивостей сіножатей. Нами узагальнено дані за останні 7 років і проведено поглиблені дослідження тривалої дії по фону N135P60K120 режимів використання на продуктивність, еколого-біологічну структуру фітоценозів, якісні показники рослинної маси.

Дослід 2 закладено на болотнорізнотравно-гостроосокових луках навесні 1995 року. Тривалість затоплення 50-65 діб, зволоження за екологічними шкалами Л.Г. Раменського болотно-лучне (89-93). Грунти дерново-глейові пилуватосупіщані, у шарі 0-20 см на 100 г сухої маси містять 3,1% гумусу, 14,4 мг легкогідро-лізованого азоту, 4,5 Р2О5, 9,5 мг К2О, гідролітична кислотність - 4,2 мг-екв., рН(КСl)=6,0.

Погодні умови в роки проведення досліджень були різними: найбільш жарким і сухим видався 1996 рік - коефіцієнт природного зволоження за вегетаційний період (КЗ)=0,8; найбільш вологим і помірно теплим 1997 - КЗ=2,4.

З метою встановлення характеру змін видової і екологічної структури фітоценозів під впливом режимів скошування і застосування добрив перед кожним укосом та по окремих етапах відростання рослин проводили геоботанічний опис травостоїв з послідуючим флористичним, екологічним, біоморфологічним і ареалологічним аналізом рослинних угруповань за методичними розробками Л.Г. Раменського (1929; 1971), О.П. Шенникова (1964); О.Л. Бельгарда (1950), О.В. Гроссгейма (1938). Дольову участь видів у травостої визначали за проективним покриттям, продуктивність, якісні показники рослинної маси, основні фізико-хімічні властивості грунтів - за загальноприйнятими методиками (Аринушкина А.В., 1962; Петербургский А.В., 1963; ВІК,1971). Енергетичну і економічну ефективність заходів поверхневого поліпшення природних сіножатей розраховували за методиками ВІК (1971), А.К. Медведовського, П.І. Іваненка (1988) та технологічними картами.

Еколого-біологічна структура лучних фітоценозів

У розділі приведені результати флористичного аналізу двох типів довгозаливних заплавних лук середньої течії Дніпра. В його основі лежить систематичний склад, який показує відношення видів до певних родів і родин, кількісна оцінка участі у формуванні рослинного покриву та якісні показники видів: еколого-біологічні, екотопічні, ареалологічні.

Встановлено, що флористичний склад багаторізнотравно-болотнотонконо-гових лук нараховує 46 видів трав'янистих рослин, які належать до 16 порядків, 18 родин і 36 родів. Найкраще представлені злакові (23,9%) й гречкові (13,0%). За проективним покриттям пануюче положення займають злакові (35% у першому укосі, 21 в отавах) та осокові (27-14%). На болотнорізнотравно-гостроосокових луках нараховується 38 видів, які відносяться до 17 порядків, 18 родин і 32 родів. За рангом представленості перше місце займають злакові (23,7%), за проективним покриттям злакові (26-18%) й осокові (23-21%).

Еколого-біологічний аналіз видового складу з урахуванням екобіоморф О.Л. Бельгарда (1950; 1971) показав перевагу лучних рослин. Різка перемінність водного режиму грунтів обумовлює формування фітоценозів з високою сезонною і щорічною зміною домінантів та екологічною гетерогенністю, що пов'язана з континуальним поєднанням у рослинному покриві різних гігроморф (рис.1,2) та життєвих форм: гемікриптофіти, гідрофіти, геофіти, хамофіти.

Алювіальний режим заплавних грунтів зі щорічним надходженням поживних речовин з намулком (в т.ч. азоту - 21,0-46,3 кг/га, фосфору - 19,6-41,2, калію - 6,3-12,3 кг/ га) обумовлює панування на обох типах луків мезотрофів, оліготрофи відсутні. Він же сприяє поширенню вегетативно рухомих довго- та короткокореневищних біоморфотипів лучних рослин і затриманню сингенеза фіто-ценозів в ланцюзі дернового процесу на більш продуктивних його етапах.

За походженням близько 98% видів досліджуваних флор припадає на бореальний тип ареалів - це переважно мезофільні лучні та болотні рослини, поширені у межах лісової зони північної півкулі.

Режими відчуження надземної маси травостоїв у комплексі із застосуванням мінеральних добрив викликають перебудову структури фітоценозів у напрямку скорочення кількості видів на основі підсилення диференціації та екотопічного відбору, що супроводжується звуженням екоспектрів. На багаторізнотравно-болотнотонконогових луках зростає доля синузій гігромезофітів та мезофітів зі зміщенням у бік останніх при послабленні ролі гігрофітів і ксеромезофітів. При високому рівні антропогенного навантаження (4 укоси) в отаві з'являється тимчасова синузія експлерентів (Echinochloa crus-galli Beauv., Rumex acetosella L., Setaria glauca Beauv.)

На болотнорізнотравно-гостроосокових луках синузія мезогігрофітів поряд з гігромезофітами і мезофітами набуває позиції стійкодомінуючої, а гігрофіти - содомінуючої.

Внесення добрив посилює мегатрофізацію рослинних угруповань. Зростає кількість Elytrigia repens Nevski, Phalaroides arundinaceae Rausch., Potentilla anserina L., зменшується участь бобових.

Продуктивність лучних екосистем залежно від дії різних екологічних факторів

Рослинний покрив, створюючи у процесі фотосинтезу органічну речовину, виступає основним продуцентом енергетичних ресурсів для консортів. У практичній діяльності людину в першу чергу цікавить господарський урожай.

При вивченні режимів використання багаторізнотравно-болотнотонконогових лук встановлено чітку залежність продуктивності фітоценозів від частоти скошування, тривалості передукісних інтервалів, погодних умов року. На протязі 1991-1997 рр. максимальний урожай трав отримано на триукісній сіножаті з проведенням 1-го укосу на початку цвітіння домінуючих видів злаків і збиранням отав через 40-45 діб, мінімальний за чотириразового скошування у фазі трубкування (табл.1).

Таблиця 1 - Продуктивність природних сіножатей багаторізнотравно-болотнотонконогових лук за різних режимів використання (1991-1997 рр.)

Примітки:

Сінокосозміна 1: перший рік використовується за схемою другого варіанта, другий рік - третього, третій рік - четвертого.

Сінокосозміна 2: три роки використовується за схемою шостого варіанта, на четвертий рік як двоукісна сіножать з 1-м укосом у фазі плодоношення + отава.

Сінокосозміна 3: три роки використовується за схемою шостого варіанта, на четвертий рік рано навесні проводиться підсів трав у дернину.

При проведенні першого укосу у фазу колосіння злаків урожайність лук знизилась на 12-18%, що викликано передчасним перериванням і скороченням періоду відновлення фітоценозів з інтенсивними приростами врожаю при достатньо сформованій листковій масі.

Розподіл урожаю сухої маси по укосах протягом вегетаційного сезону був тим рівномірнішим, чим частіше і у більш ранні фази розвитку скошували трави (рис.3).

На болотнорізнотравно-гостроосокових луках внесення мінеральних добрив у будь-яких співвідношеннях викликає підвищення продуктивності рослинних угруповань (табл.2). Найбільш ефективним виявилося застосування N₁₃₅K₁₂₀ і N₁₃₅P₆₀K₁₂₀. У середньому за 3 роки урожай сухої маси трав на цих варіантах у порівнянні з контролем без добрив зріс у 1,5 рази. Фосфорно-калійні й азотно-фосфорні добрива менш ефективні. Впровадження триукісного використання (1-й укіс у фазі колосіння злакових компонентів) на фоні N₁₃₅P₆₀K₁₂₀ забезпечило максимальний урожай, що пояснюється більш повним використанням ростового потенціалу фітокомпонентів.

Отавність фітоценозів в середньому за роки дослідження була високою.

Максимальний запас кореневої маси - 134,2 ц/га сухої речовини, травостої мали за дворазового скошування, мінімальний - 92,8 за чотириразового. Триукісне використання зменшило обсяг накопичення коріння на 13-19% порівняно з двоукісним і збільшило на 18-27% порівняно з чотириукісним.

Застосування азотних добрив, збільшуючи урожай надземної маси фітоценозів, одночасно зменшувало кількість коріння, фосфорно-калійних сприяло збільшенню запасу та деякому заглибленню коренів у нижні шари грунту. Основна маса коріння (89-95%) на всіх фонах антропогенного навантаження сконцентрована у шарі 0-10 см.

Таблиця 2 - Продуктивність природних сіножатей болотнорізнотравно-гостросокових лук при внесенні мінеральних добрив (1995-1997 рр.)

Примітки:

На варіантах 1-6 - двоукісне використання: 1-й укіс на початку цвітіння злаків, 2-й через 40-45 діб.

На варіанті 7 - 1-й укіс у фазі колосіння злаків, 2-й і 3-й через 40-45 діб.

Зміна хімічного складу рослинної маси лучних

фітоценозів під дією екологічних факторів

Об'єм кругообігу речовин у біогеоценозах і продуктивність тварин як первинних консументів залежить не тільки від загальної біопродуктивності автотрофних блоків, а й від якості кормів, яка визначається хімічним складом рослинної маси.

Трави на багаторізнотравно-болотнотонконогових луках при скошуванні їх у фазі колосіння-початку цвітіння мали досить високий вміст сирого протеїну (13,0-16,0%), білку (11,7-14,3), фосфору (0,34-0,37), калію (1,52-1,95% на суху речовину) і за більшістю показників, в тому числі протеїновим відношенням (5-7 при нормі 6-8) в основному відповідали зоотехнічним нормам годівлі тварин. Дещо підвищений рівень кальцію (0,90-1,00%) зміщував співвідношення Са:Р до 3, що є небажаним, поскільки може знижувати засвоєння цих елементів в організмі тварин. Збільшення інтенсивності використання з 2-3-х до 4-х укосів у фазі трубкування злаків на фоні NPK підвищило вміст у трав'яній масі сирого протеїну до17,3%, білку - до 15,7%, в меншій мірі - жиру, золи, фосфору, калію, кальцію при одночасному зменшенні кількості клітковини, безазотистих екстрактивних речовин (БЕР). За чотириукісного використання спостерігалося підвищення концентрації Mn, Zn, Cu, Co, Ni, Pb, Cd.

На болотнорізнотравно-гостроосокових луках трави мали 15,1-17,2% сирого протеїну, 13,6-16,0 білку, 0,38-0,41 фосфору, 1,52-2,06 калію, 0,69-0,81% кальцію, протеїнове відношення у межах 5-6, співвідношення Са:Р - 1,7-1,9. Зростанню концентрації азотовмісних речовин (у тому числі і нітратного азоту (рис.4)), жиру, золи і калію у сухій речовині сприяло застосування азотно-фосфорно-калійних добрив. Усі види мінеральних добрив зменшували кількість свинцю, а подекуди і стронцію.

За вмістом поживних речовин рослинна маса на всіх досліджуваних рівнях антропогенного впливу згідно ГОСТу 4808-75 і ГОСТу 23637-79 була придатна для виготовлення кормів першого класу.

Встановлено, що режими скошування травостоїв навіть при тривалій дії мало впливають на вміст у грунті гумусу, суму поглинутих основ, ємність поглинання, ступінь насиченості основами, актуальну і обмінну кислотність. Проте, зі збільшенням частоти скошування спостерігається тенденція до зростання гідролітичної кислотності та зменшується у шарі 0-20 см вміст легкогідролізованого азоту, Р2О5. Зміни в структурі фітоценозів по варіантах досліду зумовлені не скільки своєрідністю едафотопів, скільки еколого-біологічними властивостями фіто-компонентів - ритмікою відростання, інтенсивністю і об'ємом поглинання елементів живлення, здатністю захоплення фізичного середовища. Однак, підвищення гідролітичної кислотності поряд з пригніченням едифікаторів частим скошуванням у певній мірі сприяло збільшенню у ценозах частки осок як більш толерантних до реакції грунтового розчину.

Внесення на луки елементів мінерального живлення сприяє підвищенню концентрації у верхніх шарах грунту легкогідролізованого азоту, рухомого фосфору і обмінного калію там, де вони входять до складу добрив, що в певній мірі впливало на зміну структури і продуктивності фітоценозів.

Застосування мінеральних добрив з включенням до їх складу азоту, фосфору і калію забезпечує в основному позитивний баланс цих елементів за всіх режимів використання кормових угідь, обумовлюючи досить високу гомеостатичність рослинних угруповань. Виключення азоту або калію зі складу добрив викликає значний їх дефіцит і, як наслідок, зниження продуктивності лук та поширення менш цінних і менш вимогливих до умов місцезростання фітокомпонентів, в першу чергу осок.

Енергетична та економічна оцінка заходів поверхневого поліпшення природних довгозаливних заплавних лук

У розділі наведені розрахунки енергетичної ефективності й економічної доцільності заходів поверхневого поліпшення природних заплавних лук та впровадження різних режимів використання травостоїв.

Найбільший збір з урожаєм валової (122,2-127,9 ГДж/га) й обмінної (49,5-52,1) енергії та умовно чистий прибуток (549-593 грн./га) з рівнем рентабельності 142-144% забезпечує дво- і триукісне використання ценозів по фону N135P60K120 з проведенням першого укосу на початку цвітіння злаків. Енергетичний коефіцієнт (ЕК)=5,7-5,9; коефіцієнт енергетичної ефективності (КЕЕ)=2,3-2,4. Наближені результати дають сінокосозміни. Найменш інтенсивне відтворення антропогенної енергії в урожаї характерне для режиму чотириразового скошування трав на сіно у фазі виходу у трубку злаків : ЕК=3,0, КЕЕ=2,3. Вихід валової та обмінної енергії - відповідно 66,7 та 34,5 ГДж/га, рівень рентабельності - 72%.

Азотні добрива, істотно збільшуючи вихід валової й обмінної енергії та умовно чистий прибуток при одночасному зростанні вартості затрат, суттєво знижують рівень рентабельності виробництва продукції.

Отже, враховуючи економічні показники та спрямованість трансформа-ційних процесів, що відбуваються в БГЦ під впливом антропогенного навантаження, продуктивне використання лучних угідь при збереженні оптимальної структурно-функціональної їх організації можливо лише при дотриманні таких найбільш загальних принципів:

обов'язкове узгодження методів і засобів інтенсифікації з еколого-біологічними особливостями фітокомпонентів в межах їх пластичності;

відповідність антропогенного навантаження сучасним потребам людини, застосування природоохоронних технологій для забезпечення необхідної біопро-дуктивності ценозів та стійкого фітосозологічного ефекту;

здійснення поліваріантного контролю за наслідками впливу;

індивідуальний підхід до конкретного БГЦ з урахуванням його сучасного та прогнозного стану при визначенні поточної і перспективної стратегії оптимізації функціонування в умовах господарського використання;

застосування компенсаційного підходу з метою збалансування потоків енергії шляхом вкладення відповідних субсидій на додатково отриману продукцію в процесі господарського використання лучних угідь.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється у розробці шляхів та методів управління структурно-функціональною організацією заплавних лучних біогеоценозів в умовах антропопресії, яка вирішена шляхом встановлення оптимальних режимів використання та живлення рослинних угруповань для збільшення в БГЦ об'єму кругообігу речовин з метою забезпечення високої продуктивності природних кормових угідь при збереженні збалансованості енергетичних потоків.

Заплавні лучні БГЦ, маючи гетерогенну структуру в природних умовах перебувають у деструктивно-демутаційному стані, сезонна та різнорічна пульсативність якого обумовлена закономірною зміною екологічних режимів, амплітуда відхилень яких знаходиться у межах типологічної специфічності угідь.

В умовах широкомасштабної господарської діяльності антропогенні фактори виступають потужними порушувачами збалансованих у процесі еволюції регуляційних механізмів структурно-функціональної організації БГЦ, часто спричинюють погіршення їх екологічної та господарської цінності;

Дво- і триукісне використання багаторізнотравно-болотнотонконогових лук на фоні економічно та екологічно найбільш доцільної дози добрив (N₁₃₅P₆₀K₁₂₀) у системі сінокосозмін і поза ними скорочує загальну кількість видів, звужує екоспектри рослинних угруповань, підвищуючи екоморфічну гомогенізацію за рахунок скорочення частки гігрофітів і ксеромезофітів та посилення мезофітів і гігромезофітів, чотириукісне - викликає появу тимчасової деструктивної синузії експлерентів (Echinochloa crus-galli Beauv., Rumex acetosella L., Setaria glauca Beauv.). На болотнорізнотравно-гостроосокових луках при дво-, триразовому скошуванні по фону добрив домінуюче положення займають мезогігрофіти, гігромезофіти та мезофіти при содомінуванні гігрофітів і повному виключенні ксеромезофітів.