Размещено на http://www.allbest.ru/

Дніпропетровський державний аграрний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

03.00.16 - екологія

Агроекологічне обґрунтування освоєння і використання лесоподібного суглинку при рекультивації земель в Нікопольському марганцеворудному басейні

Таріка Олександр Григорович

Дніпропетровськ 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Дніпропетровському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України

Наукові керівники: Доктор біологічних наук, професор, академік УААН Масюк Микола Дніпропетровський державний аграрний університет, ректор

Доктор сільськогосподарських наук, професор Забалуєв Віктор Олексійович, Дніпропетровський державний аграрний університет, кафедра ґрунтознавства та екології, завідувач

Офіційні опоненти: доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН Тараріко Олександр Григорович, Інститут агроекології УААН, м. Київ, провідний науковий співробітник

доктор сільськогосподарських наук, професор, член-кореспондент УААН Черенков Анатолій Васильович, Інститут зернового господарства УААН, м. Дніпропетровськ, заступник директора

Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, кафедра ґрунтознавства та охорони ґрунтів, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 30 червня 2006 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.804.02 в Дніпропетровському державному аграрному університеті за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Ворошилова, 25, корпус 1, конференцзал (ауд. 342).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Дніпропетровського державного аграрного університету за адресою 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Ворошилова, 25.

Автореферат розісланий 29 травня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат с.-г. наук, доцент Мицик О.О

1. Загальна характеристика роботи

агрохімічний кормове угіддя едафотоп

Актуальність теми. Необхідність повернення у господарське використання порушених гірничими розробками земель передбачена Земельним кодексом та Законом України “Про охорону земель”. Технологія рекультивації порушених земель у деяких ситуаціях передбачає можливість створення спеціальних моделей едафотопів без використання родючого шару ґрунту з потенційно родючих розкривних гірських порід, найбільш поширеними з яких в Степу України є лесові відклади. При відкритих (кар'єрних) розробках вони найбільш часто формують поверхню відвалів і стають об'єктами біологічного освоєння. Тому при сільськогосподарському освоєнні порушених земель актуальним є агроекологічне обґрунтування можливості господарського використання штучного едафотопу, сформованого з лесових відкладів, а також розробки елементів технології створення агрофітоценозів, які найбільш адаптовані до специфічних едафічних та кліматичних умов південного Степу України, мають виражений фітомеліоративний вплив на лесові відклади та високу продуктивність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною наукових досліджень кафедри ґрунтознавства та екології Дніпропетровського державного аграрного університету (НТП ”Родючість і охорона ґрунтів“ за темою ”Розробити технологію поліпшення родючості рекультивованих та еродованих земель шляхом створення довговегетуючих фітомеліоративних агроценозів“ (№ д. р. 0101U004233); 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).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є агроекологічне обґрунтування раціональної моделі антропо-техногенного едафотопу, створеного із лесоподібних відкладень (без використання ґрунтової маси) для сільськогосподарській рекультивації земель, порушених відкритими розробками.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

· Дати агроекологічну оцінку лесоподібним відкладенням як об'єкту освоєння і використання у сільськогосподарському виробництві;

· Дослідити динаміку складу та властивостей антропо-техногенного едафотопу, сформованого з лесоподібних відкладень, в процесі тривалого сільськогосподарського використання;

· Підібрати компоненти багаторічних трав для фітомеліоративних агрофітоценозів, які найбільш адаптовані до едафічних умов лесоподібних відкладень;

· Дослідити екологічні чинники, що впливають на динаміку щорічної продуктивності, якість та структуру врожаю багаторічних полікомпонентних бобово-злакових агроценозів, створених на лесоподібних відкладеннях, а саме:

o встановити оптимальне співвідношення компонентів при посіві, яке забезпечує найвищу продуктивність і фітомеліоративний вплив;

o встановити оптимальні параметри архітектоніки надземної частини фітоценозів, які забезпечують найбільш ефективне використання екологічних чинників;

o розробити заходи по подовженню продуктивного довголіття багаторічних агрофітоценозів;

o встановити якісні показники поживної цінності фітомаси агроценозів;

· Дослідити вплив найбільш перспективних видів бобових трав-фітомеліорантів на злакові компоненти при їх сумісному вирощуванні на лесоподібних відкладеннях;

· Вдосконалити енерго- та ресурсозберігаючу технологію створення і використання багаторічних фітомеліоруючих агрофітоценозів для господарського використання едафотопів з лесоподібних відкладень.

Об'єкт досліджень - антропо-техногенний едафотоп, представлений лесоподібними відкладами; багаторічні бобово-злакові агроценози.

Предмет досліджень - динаміка едафічних властивостей лесоподібних відкладень при їх біологічному освоєнні; вплив фітоценотичних зв'язків та архітектоніки на продукційні процеси багаторічних бобово-злакових агроценозів.

Методи досліджень - польові, лабораторно-польові експерименти зі спостереженнями та порівняннями; лабораторно-аналітичні, вимірювально-вагові, розрахунково-порівняльні, математично-статистичні.

Наукова новизна. Вперше з агроекологічних позицій зроблена комплексна оцінка лесоподібних відкладів як субстратів для формування антропо-техногенних едафотопів при рекультивації порушених земель; досліджена динаміка їх складу і властивостей при тривалому сільськогосподарському використанні; доведена можливість створення продуктивних кормових угідь на лесоподібних суглинках без покриття їх шаром родючого ґрунту.

Розширено уявлення про родючість та можливості ефективного господарського використання потенційно-родючих гірських порід при біологічній рекультивації порушених земель.

Для умов південного Степу України екологічно обґрунтована і удосконалена технологія створення та вирощування багаторічних бобово-злакових агрофітоценозів на рекультивованих землях, представлених лесоподібними відкладеннями, яка відрізняється високою щорічною продуктивністю фітомаси, поживною цінністю, низькими витратами ресурсів, вираженим позитивним впливом на родючість антропо-техногенного едафотопу.

Одержало подальшого розвитку дослідження фітоценотичного взаємовпливу бобових та злакових рослин при їх сумісному вирощуванні.

Практичне значення одержаних результатів. Виробництву запропонована модель едафотопу з лесоподібних відкладень: а) на час стабілізації поверхні спланованих відвалів до покриття їх шаром родючого ґрунту (протягом 15-25 років); б) для повернення у господарське використання порушених площ, для рекультивації яких не вистачає ґрунтової маси (території, які до порушення були сильно еродовані, засолені, заболочені та ін.).

Впровадження у виробництво розробленої технології вирощування багаторічних бобово-злакових агрофітоценозів на лесоподібних відкладеннях дозволяє одержувати протягом перших п'яти років використання 25,3-50,9 ц/га сіна, а також підвищує родючість едафотопу завдяки фітомеліоративним властивостям багаторічних трав.

Результати досліджень використовуються при розробці проектів біологічної рекультивації порушених земель, впроваджені на рекультивованих землях Нікопольського району Дніпропетровської області - в ПП “Катеринівське” та агрофірмі “Агросвіт”, а також у навчальному процесі при вивченні дисциплін “Ґрунтознавство з основами геології”, “Агроекологія”, “Охорона та відтворення родючості земель”.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом самостійних досліджень дисертанта, що проводилися протягом 1997-2003 рр. Особисто автором виконані польові та лабораторні дослідження, проаналізована отримана наукова інформація, сформульовано висновки. Публікації за результатами досліджень видано автором одноосібно або у співавторстві.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались на міжнародних науково-практичних конференціях “Раціональне використання рекультивованих та еродованих земель” (Дніпропетровськ, 2001 р.), "Відновлення порушених природних екосистем" (Донецьк, 2002), на VI з'їзді українського товариства ґрунтознавців та агрохіміків (Умань, 2002 р.), “Оптимізація агроландшафтів: раціональне використання рекультивація, охорона” (Дніпропетровськ, 2003), “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів” (Дніпропетровськ, 2003), міжнародній конференції із здоров'я ґрунтів “Soil Health: Exploring Opportunities for International Alliances” (Ітака, Нью Йорк, 2004), на з'їздах товариства агрономів США (Індіанаполіс, США, 2002, Сіетл, США, 2004), на 16-й міжнародній конференції товариства з відновлення порушених екосистем (Вікторія, Британська Колумбія, Канада, 2004), на щорічних наукових конференціях Дніпропетровського ДАУ (1997-2003 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 17 наукових праць, з яких 6 - в спеціалізованих (фахових) виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, огляду літератури, опису природнокліматичних умов та методів досліджень, трьох розділів з описанням результатів власних досліджень, висновків, рекомендацій виробництву, списку використаних джерел, додатків. Дисертаційна робота викладена на 203 сторінках тексту комп'ютерного набору, з яких 165 сторінок основного тексту. В роботі 41 таблиця, 11 малюнків та 6 фотографій. Бібліографія налічує 219 джерел, з них 36 латиницею. Додатки викладені на 15 сторінках.

2. Основний зміст роботи

Огляд літератури. В розділі приведений огляд основних напрямків і прийомів відновлення земель, порушених гірничодобувною промисловістю. Проаналізовано світовий досвід використання розкривних гірських порід як об'єкта біологічного (сільськогосподарського) освоєння, досліджені специфічні чинники, що можуть впливати на стійке функціонування агроекосистем на лесоподібних відкладеннях. На основі аналізу літературних джерел обґрунтовано напрямок, мету і задачі подальших досліджень.

Умови та методика досліджень

Польові досліди проводились на науковому стаціонарі з рекультивації земель Дніпропетровського державного аграрного університету поблизу м. Орджонікідзе Дніпропетровської області (Азово-Причорноморська південно степова провінція, 47є39' N, 34є08' E). Клімат - помірно-континентальний з недостатнім та нестійким зволоженням. Середньорічна температура повітря 9,8 (7,712,6)?С, сума атмосферних опадів 448 (317626) мм. Середньорічний ГТК - 0,6-0,8. Сума активних температур становить 3100-3200?С, тривалість безморозного періоду 160-190 днів. В геоботанічному відношенні район досліджень відноситься до зони справжніх степів і представляє собою перехідну зону від дернинно-злакової багаторізнотравної підзони до дернинно-злакової біднорізнотравної. Ґрунтовий покрив представлений в основному чорноземами південними повнопрофільними та різного ступеню еродованості.

Стаціонарні польові досліди з багаторічними полікомпонентними агрофітоценозами проводились згідно ”Методики проведення дослідів по кормовиробництву“ (1994). Облікова площа ділянок - 40 м2 при 5-кратній повторності. Попередник - чистий пар. Покривна культура горох+ячмінь на зелений корм. Агротехніка - загальноприйнята для Степу України. Сумарна норма висіву компонентів 7 млн. шт. схожого насіння на 1 га. Варіанти досліду відрізнялися як співвідношенням між бобовими і злаковими компонентами при сівбі (бобові/злаки), так і нормами висіву окремих компонентів:

· Варіант 1 (бобові/злаки, як 7/0): еспарцет піщаний (Onobrychis arenaria (Kit.) DC) ~2,3 млн./га + люцерна посівна (Medicago sativa L.) ~2,3 млн./га + буркун білий (Melilotus albus Medik.) ~2,3 млн./га;

· Варіант 2 (бобові/злаки, як 6/1): еспарцет піщаний ~2,0 млн./га + люцерна посівна ~ 2,0 млн./га + буркун білий ~2,0 млн./га + житняк вузькоколосий (Agropyron pectiniforme Roem. et Schult.) ~0,5 млн./га + стоколос безостий (Bromopsis inermis (Leyss.) Holub) ~0,5 млн./га;

· Варіант 3 (бобові/злаки, як 5/2): еспарцет піщаний ~1,7 млн./га + люцерна посівна ~1,7 млн./га + буркун білий ~1,6 млн./га + житняк вузькоколосий ~1,0 млн./га + стоколос безостий ~1,0 млн./га;

· Варіант 4 (бобові/злаки, як 3,5/3,5): еспарцет піщаний ~1,2 млн./га + люцерна посівна ~1,2 млн./га + буркун білий ~1,1 млн./га + житняк вузькоколосий ~1,8 млн./га + стоколос безостий ~1,7 млн./га;

· Варіант 5 (бобові/злаки, як 0/7): житняк вузькоколосий ~3,5 млн./га + стоколос безостий ~3,5 млн./га.

У польовому досліді визначали продуктивність наземної маси фітоценозу ваговим методом. Ботанічний склад, структуру, ярусність, щільність (чисельність) пагонів, умови освітленості в агроценозах, а також динаміку цих показників у часі досліджували на ділянках площею 1 м2 у 10-ти кратній повторності по всіх варіантах. Умови освітленості визначали щорічно перед проведенням обліків врожайності та структури агрофітоценозів за методикою Ewel та Benedict в модифікації Gliessman (2000). Повторність замірів - 30-кратна. Вертикальну структуру надземної частини агроценозів вивчали за методикою Ларіна та Годлевської в модифікації Сабардіної і ін. (1967).

Склад та властивості едафотопу з лесоподібних суглинків досліджували на глибину до 1 м через кожні 20 см. Визначали: гранулометричний склад (ГОСТ 5180-84), щільність складення (ГОСТ 5180-84), щільність твердої фази (ГОСТ 5180-84), рН водної витяжки (ГОСТ 26423-85), суму обмінних основ (ГОСТ 27821-88), загальний азот (ГОСТ 26107-84), рухомий фосфор (ГОСТ 26205-91), обмінний калій (ГОСТ 26207-91), гумус (ГОСТ 26213-91).

Математична обробка даних польових дослідів проводилася методом дисперсійного аналізу по Доспєхову (1985) з використанням програми SPSS 8.0.

Вміст водорозчинних вуглеводів, сирої клітковини, лігніну, білку, азотовмісних сполук та золи проводили за Разумовим (1982). Вміст мікроелементів та важких металів - методом полум'яної фотометрії в солянокислій витяжці на спектрофотометрі С-302 за Розумовським (1972).

Дослідження ефективності сумісного вирощування бобових і злакових рослин проводили у спеціальних модулях діаметром 1200 і висотою 1500 мм, об'єм яких заповнювали потенційно-родючими гірськими породами, відібраними з борту кар'єру. Дослідними бобовими культурами були люцерна посівна (Medicago sativa L.), еспарцет піщаний (Onobrychis arenaria (Kit.) DC) та буркун білий (Melilotus albus Medik.), кожна з яких висівалась окремо у центрі модуля на площі діаметром 20 см. Одночасно по периферії модуля засівали злаковий компонент райграс високий (Arrhenatherum elatius (L.) J. Et Presl). Після сходів залишали по 5 бобових рослин. Протягом вегетації проводили фенологічні спостереження та визначали біометричні показники. Облік надземної вегетативної маси (г/дм2) і динаміки висоти (см) злакового компоненту проводили через кожні 10 см залежно від відстані до бобового компоненту (0-10; 10-20; 20-30; 30-40 см). Повторність обліків - 4-разова. Надземну масу доводили до повітряно-сухого стану і визначали продуктивність ваговим методом.

Агроекологічні чинники, що визначають придатність лесових відкладів для біологічного освоєння і сільськогосподарського використання рекультивованих земель

Склад і властивості лесоподібних суглинків в місцях їх природного залягання. В розділі приводиться характеристика лесоподібних відкладень як об'єкту сільськогосподарського освоєння та використання на основі аналізу літературних джерел і власних досліджень. 5-27-метрова товща лесоподібних відкладів Нікопольського марганцеворудного басейну неоднорідна і має 2-4 яруси, які розмежовуються шаром палеогрунтів. Їх гранулометричний склад змінюється від легкосуглинкового в другому ярусі (глибина відбору зразків 4,3-5,7 м) до легкоглинистого в третьому (глибина відбору зразків 6,5-8,5 м). Найбільшу питому вагу в лесоподібних відкладеннях мають сполуки кремнію (60,464,3 %). Через нерозчинність у воді та кислотах вони не впливають на агрохімічні властивості відкладень, однак їх вплив на фізичні властивості є визначальним. Сумарний вміст Fe2O+Al2O складає від 11,4 в суглинку жовто-бурому до 15,4 % в суглинку червоно-бурому. За вмістом К, Ca, Mg, Fe, S, Na лесові відклади є достатньо забезпеченими для вирощування сільськогосподарських культур. За вмістом рухомих форм калію відкладення наближуються до середньо- та сильно-змитих зональних ґрунтів. Однак вміст рухомого фосфору в 10-15 разів нижче оптимальних для рослин значень, а доступні для рослин форми азоту в лесоподібних відкладеннях майже відсутні. Вміст органічної речовини складає 0,200,39 %; СаСО3 -7,6913,79 %; легкорозчинних солей - від 0,08 до 1,07 %; ємності поглинання -11,128,32 мг-екв./100 г. породи; рНводн -7,37,5.

Таким чином, лесоподібні відклади Нікопольського марганцеворудного басейну у їх корінному заляганні є неоднорідними за складом і властивостями. Основними чинниками, що обмежують сприятливі умови для вегетації більшості культурних рослин, є низькі запаси азоту і фосфору, а також підвищений вміст водорозчинних солей у третьому ярусі. Можливість сільськогосподарського освоєння і використання едафотопів з лесоподібних суглинків пов'язано з впровадженням спеціальних агрофітоценозів, які складаються з азотфіксуючих солевитривалих видів.

Динаміка едафічних властивостей технозему з лесоподібних суглинків при тривалому сільськогосподарському освоєнні. При гірничих роботах перемішуються різноякісні яруси лесоподібних відкладень, результатом чого є деяка їх гомогенізація. Для дослідження змін складу та властивостей едафотопу з лесоподібних суглинків за 30-річний період сільськогосподарського освоєння були використані едафічні характеристики первинно сформованих едафотопів, які приведені у роботах М.Д. Горобця (1975) та М.Т. Масюка (1989). Тривале (19732003 рр.) сільськогосподарське використання лесоподібних суглинків обумовило такі зміни (табл. 1):

· збільшення вмісту органічної речовини у орному шарі (0-20 см) з 0,45 до 1,05 %, тобто в 2,3 рази у порівнянні з первинним вмістом. У шарі 20-60 см вміст гумусу збільшився на 0,21-0,34 %; глибше суттєвого накопичення гумусу не виявлено.

· підвищення вмісту загального азоту (на 61-103 %) та доступних форм фосфору (на 10-22 %) в залежності від глибини відбору зразка. Це можна пояснити інтенсивним біологічним колообігом елементів-біофілів, фітомеліорацією переважно багаторічними бобовими травами.

· перерозподіл легкорозчинних солей по профілю. Верхній кореневміщуючий шар (060 см) едафотопу став незасоленим (0,130,22 %), глибше слабозасолений (0,310,37 %).

· щільність складення в шарі 0-10 см у посівах багаторічних трав 4-го року вегетації становила 1,26 г/см3, що на 0,15 г/см3 більше у порівнянні з первинно сформованим едафотопом. З глибиною вона збільшувалася до 1,51-1,52 г/см3.

· Шпаруватість залежала від глибини і була в межах 47,3-57,2%, що відповідає оптимальним показникам для зонального ґрунту.

Таблиця 1 Динаміка складу та властивостей лесоподібних суглинків при їх сільськогосподарського освоєнні та використанні