Продуктивность эродированных почв и многовидовые фитоценозы в ландшафтных системах земледелия Центрально-Черноземного региона

Одновидовые посевы трав. По сбору кормовых единиц (КЕ) наибольшее преимущество среди бобовых трав имели лядвенец рогатый (3559 КЕ/га) и эспарцет песчаный (3276 КЕ/га). По этому показателю они превосходили люцерну, принятую за контроль, на 877 и 594 КЕ/га соответственно. Все остальные бобовые травы находились на уровне люцерны или уступали ей. Среди злаковых трав по сбору комовых единиц наиболее продуктивной была овсяница тростниковидная (3273 КЕ/га). Среди бобовых трав наибольший коэффициент энергетической эффективности установлен для лядвенца рогатого (КЭЭ = 8,17), затем, эспарцета песчаного (КЭЭ = 7,37), астрагала нутового (КЭЭ = 6,21) и люцерны изменчивой (КЭЭ = 6,15), среди злаковых -для овсяницы тростниковидной (КЭЭ = 6,13) и пырея сизого (КЭЭ = 5,28).

Рисунок 5.1 - Зависимость между числом компонентов и величиной фитомассы чистых и смешанных посевов трав

Травосмеси. С энергетической точки зрения наиболее продуктивными были травосмеси: донник белый + пырей сизый (5355 кг КЕ/га и обменной энергии 65226 МДж/га), эспарцет песчаный + пырей сизый (4856 кг КЕ/га и обменной энергии 60986 МДж/га), эспарцет песчаный + клевер луговой + кострец безостый (4601 кг КЕ/га и обменной энергии 57629 МДж/га).

Наиболее эффективными были посевы донника белого в смеси с пыреем сизым (КЭЭ = 9,24), наименее - трехкомпонентная смесь клевер луговой + ежа сборная + кострец безостый (КЭЭ = 6,78). Все остальные травосмеси по этому показателю значительно не отличались друг от друга.

Изученные травосмеси можно ранжировать по преимущественному выполнению двух основных задач: 1. Повышение продуктивности пашни (донник белый + пырей сизый; эспарцет песчаный + пырей сизый; эспарцет песчаный + клевер луговой + кострец безостый); 2. Накопление в почве свежего органического вещества (эспарцет песчаный + клевер розовый + люцерна гибридная +ежа сборная + райграс высокий; люцерна гибридная + клевер луговой + клевер розовый + овсяница луговая + тимофеевка луговая). Вторая задача приобретает особое значение на эродированных почвах для усиления травами фитомелиоративного эффекта.

ВЛИЯНИЕ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ МНОГОЛЕТНИХ БОБОВЫХ ТРАВ НА ПЛОДОРОДИЕ ЧЕРНОЗЕМА КАРБОНАТНОГО ЭРОДИРОВАННОГО

Динамика роста и развития различных видов бобовых трав. Шестилетние наблюдения за ростом и развитием шести видов бобовых трав в условиях чистых и смешанных посевов со злаками показали, что при посеве в чистом виде наибольшей устойчивостью обладали эспарцет песчаный, лядвенец рогатый и люцерна желтая. Их доля в травостоях к 6-му году жизни составила 86,7%, 90,3% и 67,3% соответственно. Принятая за контроль люцерна изменчивая обладала наименьшей устойчивостью и имела к шестому году возделывания в составе травостоя долю 15,6 %. Клевер гибридный и клевер луговой занимали промежуточное положение.

В злаково-бобовых травосмесях наибольшая доля участия бобовых трав (за исключением люцерны желтой) была на второй год жизни. Максимальная доля люцерны желтой составила 43 % и отмечена на третий год жизни травосмеси с ее участием. К шестому году жизни доля бобового компонента в травосмеси была максимальной в варианте с эспарцетом песчаным (28,9 %) и лядвенцем рогатым (27, 9%), минимальной - у люцерны изменчивой (11,9 %).

Изменение содержания гумуса. При исходном содержании гумуса слое 0-20 см 4,04 % от абсолютно сухой почвы, к 6-му году использования травостоев отмечена общая тенденция увеличения его содержания на 0,07-0,45 % (в абсолютном исчислении), более значительное под травосмесями, в сравнении с чистыми посевами бобовых трав (рисунок 6.1).

Примечание - 1 -люцерна изменчивая; 2 - люцерна желтая; 3 - лядвенец рогатый; 4 - клевер луговой; 5 - клевер гибридный; 6 - эспарцет песчаный; 7 - исходное состояние перед закладкой опыта

Рисунок 6.1 - Динамика содержания гумуса в черноземе карбонатном слабосмытом при возделывании различных бобовых трав и их смесей со злаками на шестой год использовании травостоев

Легкогидролизуемый азот. При исходном содержании легкогидролизуемого азота в начале эксперимента 106,3 мг/кг, после 6-ти лет использования травостоев во всех вариантах опыта отмечено повышение его содержания в пахотном слое почвы до 109,7-125,4 мг/кг. Наиболее значительное увеличение содержания легкогидролизуемого азота отмечено под лядвенцем рогатым в чистом виде - до 125,4 мг/кг, при возделывании лядвенца в смеси со злаками - до 124,5мг/кг и под эспарцетом песчаным - до 121,5 мг/кг, не зависимо от того, возделывался он в чистом виде или в травосмеси. Минимальное количество легкогидролизуемых форм этого элемента на шестой год использования травостоев отмечено под клевером гибридным и его травосмесями со злаками (109,7-112,2 мг/кг).

Подвижный калий. Установлена значительная мобилизационная роль всех изучаемых культур по отношению к калию. При исходном уровне подвижного калия в год посева в слое 0-20 см 195 мг/кг, после шести лет использования травостоев в пахотном слое его содержание в зависимости от вида трав возрастало до 245-276 мг/кг. При этом, под люцерной в чистом виде - 276 мг/кг, под ее смесью со злаковыми травами - 250 мг/кг, под лядвенцем рогатым в чистом виде - 274 мг/кг, под его смесью со злаками - 276 мг/кг. Минимальное количество подвижного калия в почве отмечено в пахотном слое почвы под клеверами - 242-264 мг/кг.

Подвижный фосфор. При исходном содержании подвижного фосфора в пахотном слое карбонатного чернозема в слое 0-20 см 24,5 мг/кг, через шесть лет использования травостоев наблюдалась тенденция его снижения в целом по опыту на 0,1-4,2 мг/кг. Наиболее значительное снижение содержания этого элемента установлено под люцерной желтой (до 20,3-20,6 мг/кг) и эспарцетом песчаным (до 21-22,5 мг/кг). Под травосмесями, независимо от возделываемых культур, содержание подвижного фосфора было меньше, по сравнению с чистыми посевами. В целом, по опыту выявлена сильная положительная корреляция между содержанием подвижного калия и легкогидролизуемого азота в почве (r= 0,883), отрицательная - между содержанием подвижного фосфора и легкогидролизуемого азота (r= -0,643), подвижного фосфора и подвижного калия (r= -0,712).

Взаимодействие корневых систем и почвы в ризосфере. Наиболее значительные отличия между ризосферной почвой и почвой вне влияния корневой системы наблюдаются у люцерны изменчивой. В ризосфере этой культуры содержалось на 9,6 % больше гумуса, на 16,8% - общего азота, на 20,3% - легкогидролизуемого азота, на 24,9 % - подвижного фосфора и 21,3 % - подвижного калия по сравнению с почвой вне влияния корней. В ризосфере эспарцета содержалось фосфора на 9,2 % больше, а калия на 7,4 % меньше, чем в окружающей почве (таблица 6.1).

Расчет отношения содержания гумуса к содержанию общего азота в почве, которое может косвенно характеризовать ее потенциальную микробиологическую активность, показал, что в ризосфере оно является наиболее узким у люцерны (10,8), наиболее широким у эспарцета (11,9), лядвенец занимает промежуточное положение (11,4). Почва вне ризосферы имела несколько другое соотношение гумуса к общему азоту, под эспарцетом песчаным - 10,9, под люцерной - 11,8, под лядвенцем установлено такое же соотношение, что и в ризосфере - 11,4.

Урожайность. В среднем за 2002-2007 гг. сеяные бобовые травостои формировали урожайность на 0,21-0,48 т/га меньше, чем бобово-злаковые травосмеси соответствующих трав. Так урожайность травосмесей составила 3,05-4,51 т/га, а бобовых - 2,41-4,24 т/га абсолютно сухого вещества (таблица 6.2).

Таблица 6.1 - Агрохимические свойства чернозема карбонатного в ризосфере многолетних бобовых трав и вне ее на пятый и шестой год жизни (в среднем 2006-2007 гг.)

Таблица 6.2 - Урожайность бобовых трав и их травосмесей со злаками на черноземе карбонатном при выращивании на сено, т/га абсолютно сухого вещества

Бобово-злаковые сеяные травостои в среднем за шесть лет использования в зависимости от вида бобового компонента обеспечивали сбор кормовых единиц в пределах 2239-3329 КЕ/га. Чистые посевы уступали смешанным и формировали продуктивность на 78-294 КЕ/га меньше. Наибольший сбор кормовых единиц обеспечивали посевы эспарцета песчаного в смеси со злаками - 3329 КЕ/га, а также посевы лядвенца рогатого в чистом виде - 3251 КЕ/га. Наименьший сбор кормовых единиц отмечен при возделывании клеверов, как в чистом виде, так и в смеси со злаками. Клевер луговой, в среднем за шесть лет возделывания, обеспечивал получение 1945 КЕ/га в чистом виде, и 2242 КЕ/га при возделывании в смеси со злаками. Клевер гибридный -1753 и 2239 КЕ/га соответственно.

Максимальный сбор переваримого протеина получен в посевах лядвенца рогатого - 561 кг/га. Несколько уступал ему эспарцет песчаный - 513 кг/га. Эти же культуры обеспечивали более стабильный сбор протеина по годам. Наименьший сбор протеина наблюдался при возделывании клевера гибридного и клевера лугового. При максимуме - 612 у клевера лугового и 590 кг/га - у клевера гибридного в чистом виде на второй год жизни, к шестому году его сбор составлял 43 % от максимального у клевера лугового и 44 % - у клевера гибридного. В аналогичных условиях посевы эспарцета снижали сбор протеина всего на 36%, а лядвенца рогатого - на 36 % по сравнению с максимумом сбора на третий год жизни (таблица 6.3).

Таблица 6.3 - Биоэнергетическая эффективность возделывания бобовых трав и их травосмесей со злаками на черноземе карбонатном при шестилетнем использовании травостоев на сено (в среднем 2002-2007 гг.)

В опыте установлена сильная положительная корреляция между содержанием в почве легкогидролизуемого азота и сбором переваримого протеина (r= 0,876), долей в посевах бобовых трав и сбором переваримого протеина (r= 0,776), урожайностью сухого вещества и долей в посевах бобового компонента в травосмесях (r= 0,854).

Биоэнергетическая оценка показала, что возделывание всех изучаемых культур является эффективными. Наибольшей биоэнергетической эффективностью обладают посевы эспарцета песчаного. В целом по опыту смешанные посевы обеспечивали больший по сравнению с чистыми культурами сбор сухого вещества, валовой энергии, обменной энергии и коэффициент энергетической эффективности (КЭЭ). Установлена тесная положительная корреляционная зависимость между КЭЭ и долей бобового компонента в смеси (r = 0,875). Отрицательная корреляция средней силы - между количеством разнотравья в посевах и ККЭ (r = -0,623).

ВИДОВОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ЕСТЕСТВЕННОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ОВРАЖНО-БАЛОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ЦЧР И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ПЛОДОРОДИЕ ЭРОДИРОВАННЫХ ПОЧВ

Травянистая растительность и ее видовое разнообразие на склоновых землях являются основным природным фактором, регулирующим поток вещества и энергии на всем пространстве от водораздела до тальвега. В условиях склоновых земель ЦЧР наибольшее распространение получили степные, лугово-степные и кальцефильные сообщества.

Лугово-степные и степные сообщества. Результаты исследований показали, что степные и лугово-степные сообщества в пределах овражно-балочных комплексов отличаются значительной пестротой ассоциаций. Это связано с неоднородностью плодородия почв и влагообеспеченности, а также характером использования травостоев (пастбищная нагрузка, заповедный режим и др.).

Сообщества различались по видовой насыщенности, общему количеству видов и родов на описываемой территории, величине продуцируемой надземной и подземной массы (таблица 7.1).

Количество видов и родов на изучаемых территориях зависело от двух основных факторов: степени антропогенной нагрузки и площади территории. Отмечена тенденция повышения доли редких и реликтовых видов на малонарушенных участках. На территориях подвергшихся ранее большему хозяйственному воздействию наблюдалось увеличение количества синантропных видов (т.е. повышение уровня деструктивного биоразнообразия).

По результатам исследований проведен анализ влияния видового разнообразия на элементы продуктивности лугово-степных и ковыльно-разнотравных степных сообществ в пределах овражно-балочных комплексов методами корреляционного анализа и множественной регрессии. Установлено, что видовое разнообразие в большей степени и более стабильно влияет на величину подземной фитомассы растительных сообществ (r=0,411…0,732), а надземная масса - в значительно меньшей степени зависит от видового разнообразия.

Оценка доли влияния количества видов на 1 м² (б-разнообразие), и количества видов на территории урочищ (в-разнообразие), на величины надземной, подземной и общей фитомассы, показала, что определяющим фактором является б-разнообразие, т. е. видовая насыщенность на 1 м² (60-93,4% общей дисперсии).

Таблица 7.1 - Фитомасса лугово-степных и ковыльно-разнотравных степных сообществ в пределах овражно-балочных комплексов и их видовая насыщенность (в среднем 2004-2008 гг.)

Примечание 1 - 1.1 - балка «Ольшанский яр»; 1.2 - урочище «Красная вершина»; 1.3 - балка Бородкин яр»; 1.4 - балка «Душевой яр»; 1.5 - балка «Большой Яр»; 1.6 - урочище «Волково»; 2.1 - балка "Управительственная" 3.1 - урочище "Солонцы" 3.2 - урочище "Блюдца"; 4.1 - балка «Калининская»; 4.2 - балка «Сухая плата»; 4.3 - Балка «Озеровская»; 5.1 - "Острасьевы яры".

Примечание 2 - ПТК - природно-территориальный комплекс: КУ - Калитвенско-Ураевский; А - Айдарский; ПТС - Потуданьско-Тихососненский; ОСД - Оскольско-Северскодонецкий; В - Ворсклинский; ВН - видовая насыщенность; Н - надземная фитомасса; П - подземная фитомасса в слое 0-15 см.

Проведена оценка влияния видовой насыщенности на продуктивность сообществ с одинаковым доминантом, оказывающим наиболее сильное воздействие на их рост, развитие и видовое разнообразие. Для изучения были выбраны сообщества, доминирующие на различных этапах сукцессии степей: ковыльные, кострецовые, пырейные и шалфейные (рисунок 7.1, 7.2).

Регрессионные модели показали рост урожая надземной массы ковыльных сообществ при увеличении видовой насыщенности до 17-19 видов на 1 м², а затем его снижение по мере дальнейшего увеличения количества видов. Одновременно возрастание видовой насыщенности приводило к стабильному снижению подземной массы, общей биопродуктивности, соотношения подземной и надземной массы. Результаты математического анализа и построенные на их основе модели показали, что зависимость между видовой насыщенностью (б-разнообразие) и основными показателями продуктивности с высокой достоверностью описываются полиномами второй степени.

Рисунок 7.1 - Зависимость между видовой насыщенностью и величиной фитомассы естественных сообществ овражно-балочных комплексов с доминированием ковыля перистого

Сообщества стремятся к монодоминированию ковыля. При этом наблюдается стабильно высокая величина подземной массы, а так же заполненность экологических ниш в подземной сфере, связанная в первую очередь с распределением ресурсов, находящихся в минимуме - обычно, это влагообеспеченность и обеспеченность азотом. Аэрация почвенного слоя в этом случае, наоборот, очень низкая. В подземной сфере накапливается большое количество мертвых растительных остатков, доступность элементов питания снижается, так как их основная масса сосредоточена в органическом веществе. Система находится как бы в «законсервированном» состоянии. Проникновение новых видов в такое сообщество маловероятно.

Иное влияние увеличения видовой насыщенности на продуктивность сообществ было характерно для территорий, ранее используемых под пастбища, сенокосы и пашню. Выявлена тенденция, противоположная ковыльным сообществам: с увеличением видовой насыщенности увеличивается величина всех элементов биопродуктивности (рисунок 7.2).

Наиболее сильно эта тенденция проявляется на ранних этапах сукцессии в ассоциациях, распространенных на нарушенных землях (доминанты: кострец безостый и пырей ползучий). В этих условиях, внедрение даже нескольких видов растений и незначительное увеличение видового разнообразия резко повышает, в первую очередь, подземную фитомассу, затем надземную и общую фитомассу

Рисунок 7.2 - Зависимость между видовой насыщенностью и величиной фитомассы естественных сообществовражно-балочных комплексов с доминированием костреца безостого

Увеличение видовой насыщенности приводит к повышению конкуренции в подземной и надземной сфере. Однако, она не достигает крайних форм вытеснения, а, наоборот, стимулирует дифференциацию экологических ниш. Создаются условия для накопления значительного количества лабильного органического вещества в почве и ускоренного формирования гумуса.

Влияние видового разнообразия естественных сообществ на плодородие почв на склонах изучено на примере балки «Управительственная» (стационар 2.1). Установлено, что на склоне северной экспозиции крутизной 10-12⁰ под сообществами с количеством видов на 100 м² от 40 до 71 и видовой насыщенностью 26-33 вида/м² в черноземе обыкновенном содержание гумуса может быть на уровне целинных аналогов.

В среднем за три года исследований содержание гумуса в слое почвы 0-20 см составило 8,65% и колебалось, в зависимости от сообществ, в пределах 8,08-9,50 %. Наибольшее количество гумуса отмечено под пионово-разнотравными сообществами с максимальным видовым разнообразием (71 вид на 100 м²) и приуроченным к среднесклоновой части с большим количеством микро-понижений. Под кострецовым сообществом с минимальным видовым разнообразием (46 видов на 100 м²). установлено самое низкое содержание гумуса (8,09 %).

Под всеми сообществами наблюдалось вскипание почвы с поверхности. Величина pH_сол. колебалась в пределах 7,02-7,27 и была минимальной под кострецовым сообществом, а максимальной - под ковыльно-разнотравным.

Установлены тесные связи между видовым разнообразием растительности и основными элементами плодородия почвы (таблица 7.2).

Таблица 7.2 - Корреляционные связи между видовым разнообразием растительных сообществ и элементами плодородия чернозема обыкновенного (в среднем 2004-2006 гг.)

Кальцефильные сообщества. В территориальной структуре ЦЧР особое место занимают сильно эродированные склоны с остаточно-карбонатными почвами, меловыми и мергелевыми обнажениями. В этих условиях исторически сформировались растительные сообщества с большим насыщением видами растений, способных произрастать на специфическом субстрате. Применительно к сельскохозяйственному производству эти сообщества не имеют прямого отношения, поскольку имеют невысокую кормовую ценность.

Однако, кальцефильные виды, являясь пионерами на меловых обнажениях, в дальнейшем формируя более сложные сообщества, выполняют важнейшую биосферную, ландшафтообразующую, противоэрозионную, почвоохранную и почвообразующую роль (Матяшенко, 1985).

Исследованиями, проведенными на модельных стационарах: «Меловая гора», урочище «Волково», урочище «Саловка» установлено, что растительность изученных участков представлена несколькими основными типами кальцефильных группировок:

- тимьяннико-проломниковые, приуроченные к бровкам склонов, произрастающие на щебнистых почвах и имеющие проективное покрытие - 70-75 %.;

- кальцефильно-петрофитные, произрастают на слаборазвитом черноземе с меловыми обнажениями, состоят из разнотравно-осоковых, разнотравно-злаково-осоковых ассоциаций и лугово-степного разнотравья;

- меловые иссопники и белополынники, приуроченные только к оголенным меловым субстратам с доминирующими видами полукустарников иссоп меловой и полынью беловойлочной;

- левкойно-иссопниковые сообщества, приуроченные только к оголенным меловым субстратам (Дегтярь, Чернявских, 2006).

Все изученные стационары отличались невысоким видовым разнообразием и небольшой продуктивностью травостоев (таблица 7.3).

Таблица 7.3 - Фитомасса кальцефильных сообществ в пределах овражно-балочных комплексов и их видовое разнообразие (в среднем 2004-2008 гг.)

Примечание - ВН - видовая насыщенность; Н - надземная масса; П - подземная масса в слое 0-15 см

Не установлено зависимости между видовой насыщенностью (видов на 1 м²) и величинами подземной, надземной и общей фитомассы кальцефильных растительных сообществ. Величина общего количества видов на территории (в-разнообразие) оказывает большее влияние на продуктивность растительности стационаров по сравнению с влиянием видовой насыщенности (б-разнообразие).

Изучение взаимосвязей между видовым разнообразием и основными показателями плодородия на меловых обнажениях показало, что эти тенденции, в целом аналогичные тем, что были установлены на черноземе обыкновенном. При увеличении видовой насыщенности повышается содержание гумуса (r=0,784…0,801), повышается содержание легкогидролизуемого азота (r=0,561…0,661), подвижного калия (r=0,692…0,853), подвижного кальция (r=0,842…0,876), отмечается тенденция увеличения содержания подвижного фосфора (r=0,385…0,471), понижается уровень рН_сол (r=-0,838…-0,883). Не установлено зависимости между величиной видового разнообразия сообществ и содержанием подвижного магния (r=-0,157…-0,240).

Некоторые аспекты почвообразования на меловых обнажениях под кальцефильными сообществами. Кальцефильные виды активно участвуют в первичной сукцессии растительности на меловых обнажениях в условиях эрозионных ландшафтов. Их можно разделить на три группы:

- виды-пионеры, заселяющие первичный субстрат, когда количество мелкозема в нем не превышает 20% (левкой душистый и иссоп меловой);

- виды, развивающиеся на более поздних этапах, когда количество мелкозема увеличивается до 30-40 % и наблюдается явно выраженный почвообразовательный процесс с дифференциацией генетических горизонтов в верхней части профиля (полынь беловойлочная, норичник меловой);

- виды, развивающиеся на сформированных почвах, с явно выраженными почвенными горизонтами и количеством мелкозема в субстрате 40-80 % и более (проломник Козо-Полянского).

Было установлено, что процесс образования гумусовых горизонтов под кальцефильными сообществами происходит по двум основным типам:

1. Вокруг корневых систем кальцефильных растений таких как левкой душистый и иссоп меловой происходит интенсивный почвообразовательный процесс в местах скопления мелкозема в трещинах.

2. Локальное почвообразование по типу почвообразовательного процесса в подушковидных растениях альпийских лугов, когда почвообразование происходит на поверхности почвы, внутри подушки растений. Это явление наблюдается под проломником Козо-Полянского и полынью беловойлочной.

Благодаря интенсификации процессов, идущих в толще мелового субстрата, а затем в условиях локального почвообразования, изменяя физические, химические свойства, увеличивая биологическую активность почвы, кальцефильные виды создают предпосылки для дальнейшего проникновения в сообщества более требовательных к условиям среды растений.

Повышение плодородия сильноэродированных карбонатных почв и меловых обнажений биологическими методами. Результаты исследований показали, что посев многокомпонентной смеси, состоящей из 30 видов трав с участием местных эндемичных кальцефилов, способных активно заселять участки с меловыми обнажениями, способствует закреплению сильно эродированных почв на карбонатных породах и повышению их продуктивности.

Многокомпонентность травосмеси позволила проявится механизму адаптации растительных сообществ к различию экологических условий: сочетание неблагоприятных факторов для одних видов дает приоритет для развития других. Таким образом, наблюдается проявление закона дифференциации экологических ниш.

Изучение среднегодовой динамики проективного покрытия почвы растительностью позволило установить, что в течение шести лет оно возросло с 0-5% до 45-58 % (рисунок 7.3).

В различных экотопах сохранность видов в травосмеси к шестому году жизни составляла от 16,6% до 66,6%. На площадках с сильно эродированными карбонатными почвами, сохранившими почвенный профиль, наибольшей устойчивостью обладали степные и лугово-степные виды - факультативные кальцефилы (кострец безостый, овсяница тростниковидная, эспарцет песчаный, двурядник меловой, лядвенец рогатый).

На участках с меловыми обнажениями, на фоне значительно меньшего общего количества сохранившихся видов преобладали, облигатные кальцефилы (иссоп меловой, левкой душистый, норичник меловой, проломник Козо-Полянского). Все виды плодоносили, возобновлялись семенным способом и формировали разновозрастные популяции и сообщества, аналогичные природным.

1 - 2002 г ; 2 - 2003 г., 3 - 2004 г., 4 - 2005 г., 5 - 2006 г., 6 - 2007 г., 7 - 2008 г.

Рисунок 7.3 - Среднегодовая динамика проективного покрытия на площадках с посевом многокомпонентной травосмеси в 2002-2008 гг., %

В среднем за шесть лет исследований наибольшая надземная фитомасса - 383 г/м² возд. сух. в-ва получена при выращивании многокомпонентной травосмеси на площадке №3, где почва имела максимальное содержание гумуса (табл. 7.4).

Таблица 7.4 - Динамика надземной фитомассы многокомпонентной травосмеси на обнажениях мела в 2003-2008 гг., г/м² воз. сух. в-ва

На участке с подвижным субстратом (площадка № 6) изучаемая многокомпонентная смесь сформировала минимальную надземную фитомассу. Продуктивность надземной фитомассы имела сильную положительную корреляцию с проективным покрытием на третий год жизни травостоев (r=0,850). Однако, на шестой год жизни, по мере формирования устойчивых растительных группировок, корреляционной зависимости между показателями надземной фитомассы и проективным покрытием не выявлено (r=0,127).

Контрастность мезорельефа обуславливает значительную неоднородность эдафических условий. При этом в посеве многокомпонентной смеси формировалась значительная мозаичность (парцеллярность) растительных группировок и между местообитаниями возникало высокое видовое разнообразие (в-разнообразие) при снижении общего разнообразия внутри местообитаний (б-разнообразие). Использование многокомпонентной смеси с участием дикорастущих кальцефильных видов растений, позволяло увеличить содержание общего органического вещества в субстрате меловых обнажений, повысить общее содержание гумуса и сместить его фракционный состав в сторону увеличения содержания гуминовых кислот на фоне высокого проективного покрытия и величины надземной фитомассы.

Как следует из таблицы 7.5, общее содержание углерода в мелкоземе в 5,38-7,00 раз превышало его содержание в скелетной части. По мере углубления почвообразовательного процесса, при общем повышении содержания углерода, как в мелкоземе, так и в скелетной части по сравнению с исходным состоянием, это соотношение сужается, достигая своего минимума под многокомпонентной смесью.

Таблица 7.5 - Гумусное состояние обнажений мела при возделывании многокомпонентной смеси (на шестой год жизни травостоев)

Примечание - С _общ. - содержание общего углерода в абсолютно-сухой почве, %;

С_ГК - содержание углерода гуминовых кислот; С_ФК - содержание углерода фульвокислот; С_ВРГ - содержание углерода водорастворимого гумуса; С_ГК : С_ФК - соотношение гуминовых и фульвокислот; в числителе - содержание в абсолютно-сухой почве, %; в знаменателе - доля в общем углероде органического вещества почвы, %

Результаты анализа группового состава гумуса на меловом субстрате показали, что общей тенденцией являлось явное преобладание в скелетной части фульвокислот, по сравнению с гуминовыми кислотами. По мере углубления почвообразовательного процесса, в общем углероде скелетной части происходило уменьшение количества фульвокислот и повышение доли гуминовых кислот на фоне увеличения их в субстрате.

Таким образом, изменение соотношения фракций гумусовых веществ, связанных с почвообразованием на меловых обнажениях, происходит с различной интенсивностью в зависимости от того, заселен субстрат высшими растениями или нет. Посев многокомпонентных травосмесей дикорастущих растений с участием эндемичных кальцефильных видов обеспечивает формирование разнообразия устойчивых растительных группировок, позволяющих повысить устойчивость почвенно-растительной системы в целом.

ВЫВОДЫ

1. Многокомпонентные однолетние травосмеси, сформированные по подобию многовидовых естественных сообществ и подобранные с учетом принципа дифференциации экологических ниш, являются важным резервом повышения продуктивности эродированных черноземов. В их посевах складываются более благоприятные условия влагообеспеченности, обеспечивается повышенное поступление в почву свежего органического вещества, стабилизация содержания гумуса, улучшение физических свойств эродированного чернозема, улучшение условий для роста и развития почвенной мезофауны по сравнению с вико-овсяной смесью и кукурузой на силос.

2. Использование многокомпонентных однолетних смесей с подсевными культурами на сидерат в звеньях кормовых севооборотов, включающих 33 % кукурузы на силос и 67 % многокомпонентных смесей, позволяет обеспечить в черноземе эродированном накопление общего гумуса на уровне, близком к гумусонакоплению под многолетними травами. Наиболее благоприятные условия для оптимизации структурно-агрегатного состава и водопрочности структуры формируются при возделывании многолетних трав, затем в звеньях кормовых севооборотов на основе многокомпонентных смесей с использованием подсевных культур на сидерат и зеленый корм, наименее благоприятные - при бессменном возделывании кукурузы на силос.

3. Наибольшую урожайность сухого вещества, кормовых единиц и переваримого протеина, соответственно 7,43 т/га, 6,80 т/га и 1383 кг/га, на черноземе эродированном обеспечивали многолетние травы. Звено севооборота с использованием многокомпонентной смеси, включающей горох зерновой, горох кормовой, сою, овес, суданку, просо, эспарцет песчаный, донник белый, кострец безостый с использованием подсевных культур на корм, как предшественника кукурузы на силос, превосходило все другие звенья по урожаю сухого вещества на 1,04-1,46 т/га, по сбору кормовых единиц на 1,08-1,31 т/га, по сбору переваримого протеина на 62-373 кг/га. Звено севооборота с бессменным трехлетним посевом кукурузы обеспечивало минимальную продуктивность: урожай сухого вещества - 5,49 т/га, сбор переваримого протеина - 506 кг/га. Использование промежуточных культур на сидерат после многокомпонентных смесей способствует повышению урожайности следующей за ними в звене севооборота кукурузы на силос на 0,59-1,57 т/га, сбору кормовых единиц на 0,75-1,27 т/га, переваримого протеина на 104-196 кг/га по сравнению с вариантами без сидератов.

4. По сбору валовой энергии наиболее близок к многолетним травам севооборот с многокомпонентной травосмесью: горох зерновой + горох кормовой + соя + овес + суданка + просо + эспарцет +донник + кострец безостый с использованием подсевных культур на корм. В звене с бессменным возделыванием кукурузы отмечено динамичное снижение от первой культуры к третьей сбора валовой энергии на 32821 МДж/га, энергетического коэффициента от 4,61 до 3,34 и коэффициента энергетической эффективности от 2,54 до 1,84.

5. На черноземе эродированном на склоне северной экспозиции травосмеси многолетних трав обладают большей урожайностью, экологической устойчивостью и биоэнергетической эффективностью по сравнению с одновидовыми посевами. Наибольшую урожайность при сенокосном использовании в этих условиях формируют двух- и трехкомпонентные травосмеси с донником белым, эспарцетом песчаным в качестве основного бобового компонента имеющие состав: донник белый + пырей сизый; эспарцет песчаный + пырей сизый; эспарцет песчаный + клевер луговой + кострец безостый. Многокомпонентные травосмеси, уступая двух- и трехкомпонентным смесям по урожайности надземной фитомассы, значительно превосходят их по продуктивности в подземной сфере, обеспечивая более широкое соотношение подземной и надземной фитомассы, что способствует большему поступлению свежего органического вещества в почву.

6. Наибольшее долголетие травостоев на черноземах карбонатных эродированных в условиях ЦЧР создается чистыми посевами эспарцета песчаного, лядвенца рогатого и злаково-бобовым травосмесями на их основе. В среднем за шесть лет использования чистые посевы эспарцета обеспечивали урожай сухого вещества 4,24 т/га, лядвенца рогатого - 3,89 т/га, а в смеси со злаками, соответственно, 4,51 т/га и 3,91 т/га при более высокой биоэнергетической эффективности возделывания. Под этими культурами отмечаются наиболее высокие темпы накопления гумуса по сравнению с другими видами бобовых трав. Посевы люцерны изменчивой, клевера лугового, клевера гибридного в чистом виде и в смеси со злаками в этих условиях могут быть эффективны при сроке использования не более трех лет.

7. Конкурентное влияние злаковых трав по отношению к бобовым на черноземе карбонатном эродированном тем выше, чем больше фосфора и азота накапливается в ризосфере бобовых по сравнению с окружающей почвой, и чем ниже здесь pH_сол почвенного раствора. Культурой, наиболее сильно способствующей повышению кислотности почвы и накоплению элементов питания в ризосфере по сравнению с окружающим субстратом, является люцерна изменчивая. Ризосфера эспарцета песчаного характеризуется пониженным, по сравнению с окружающей почвой, содержанием общего азота, отсутствием отличий по содержанию подвижного фосфора и более высоким pH_сол, что обуславливает высокую устойчивость этой культуры в травосмесях со злаками на черноземе карбонатном.

8. Естественные лугово-степные и ковыльно-разнотравные сообщества в пределах овражно-балочных комплексов ЦЧР сохранили потенциал естественной саморегуляции и способны к восстановлению своей потенциальной продуктивности. На современном этапе они обеспечивают продуктивность надземной фитомассы в пределах 324-708 г/м², подземной в слое 0-15 см - 802-2408 г/м², общую биопродуктивность - 1203-3102 г/м², при видовой насыщенности 14-32 видов/м² и общем видовом разнообразии различных экотопов 112-197 видов.

9. Видовое разнообразие в значительной степени и более стабильно влияет на величину подземной фитомассы и общую биопродуктивность естественных растительных сообществ. Надземная масса - величина, в значительно меньшей степени зависящая от видового разнообразия.

10. Дифференциация биомассы естественных лугово-степных и ковыльно-разнотравных сообществ овражно-балочных комплексов определяется двумя основными факторами: территориальным (экотопическим) и видовым составом сообществ. В естественных сообществах овражно-балочных комплексов, находящихся в состоянии, близком к климаксовому (доминирование ковыля перистого), при увеличении видовой насыщенности отмечается тенденция снижения общей биопродуктивности растительности. Для сообществ, находящихся на более ранних этапах сукцессии (пырейные и кострецовые), характерна тенденция повышения продуктивности надземной, подземной фитомассы и общей биопродуктивности при увеличении их видового разнообразия.

11. Кальцефильные сообщества, широко распространенные в пределах гидрографической сети эрозионных ландшафтов, выполняют важнейшую, мобилизующую, средообразующую и экологическую функцию в повышении плодородия и противоэрозионной устойчивости сильно эродированных карбонатных почв и меловых обнажений. Наиболее сильно средообразующая роль проявляется у узкоспециализированных петрофитно-кальцефильных эндемичных степных видов (левкоя душистого, иссопа мелового, норичника мелового, полыни беловойлочной, проломника Козо-Полянского и др.), доминирующих в этих условиях на пионерных стадиях сукцессий. Благодаря этому, они способны очень быстро заселять безжизненный субстрат, токсичный для других видов, активно участвуя в первичной сукцессии растительности на меловых обнажениях в условиях эрозионных ландшафтов.

12. В экстремальных условиях сильноэродированных карбонатных почв и меловых обнажений кальцефильные сообщества способны формировать значительную биомассу: 442-488 г/м² в надземной части, 1584-1675 г/м² в слое 0-15 см в подземной. При этом происходит накопление гумуса, общего азота, увеличение биологической активности субстрата, наблюдается повышение содержания легкогидролизуемого азота и усиление нитрификационной способности, как в мелкоземе, так и скелетной части.

13. Посев многокомпонентных травосмесей с участием дикорастущих кальцефильных и эндемичных видов растений позволяет сформировать на сильноэродированных почвах и меловых обнажениях разнообразные устойчивые растительные группировки, повысить проективное покрытие от нуля до 58%, увеличить надземную продуктивность, в зависимости от условий, до 123-412 г/м², повысить общее содержание гумуса в почвах, сместить его фракционный состав в сторону увеличения содержания гуминовых кислот, что способствует повышению устойчивости почвенно-растительных систем в эрозионных ландшафтах.

14. Дифференцированное использование смешанных посевов однолетних культур, многолетних трав и естественных сообществ позволяет стабилизировать плодородие эродированных почв и повысить продуктивность эрозионных агроландшафтов. Увеличение видового разнообразия агроландшафтов способствует росту их надземной, подземной фитомассы и общей продуктивности.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Для повышения продуктивности эродированных почв на пашне в современных условиях сельскохозяйственного производства ЦЧР необходимо использовать биологические способы пополнения их лабильным органическим веществом на основе применения севооборотов с многокомпонентными смесями однолетних культур с использованием подсевных промежуточных культур на сидераты. Промежуточные поукосные культуры в условиях недостаточного увлажнения малоэффективны.

2. Для создания долголетних травостоев на черноземах карбонатных эродированных необходимо применять чистые посевы лядвенца рогатого и эспарцета песчаного, а так же использовать их в качестве основных бобовых компонентов в злаково-бобовых травосмесях с кострецом безостым, овсяницей луговой, райграсом пастбищным.

3. В условиях овражно-балочных комплексов с меловыми обнажениями для формирования устойчивых растительных группировок, закрепления склонов, предотвращения эрозионных процессов, сохранения видового разнообразия в агроландшафтах и создания резерватов эндемиков необходимо высевать многокомпонентную травосмесь с включением в ее состав широкого набора многолетних трав, с обязательным использованием дикорастущих...