Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Биологические науки
Почвоведение

Диссертационная работа:

Донская Ольга Леонидовна. Запасы и потоки углерода в агроценозах Минусинской впадины : Дис. ... канд. биол. наук : 03.00.27 : Красноярск, 2004 183 c. РГБ ОД, 61:04-3/896

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 3

Глава 1. Состояние изученности вопроса 6

Глава 2. Объекты и методы исследований 26

2.1. Объекты исследований 26

2.2. Экологические условия региона исследований 35

2.3. Методы исследований 46

Глава 3. Агроценозы 51

Глава 4. Продукция агроценозов 70

4.1. Динамика продукции агроценозов 70

4.2. Аккумуляция годичной продукции агроценозов 87

4.3. Аккумуляция годичной продукции в ландшафтно - климатических зонах 92

Глава 5. Гумусное состояние почв пахотных массивов 98

Глава 6. Круговорот и баланс углерода в агропснозах 120

Общие выводы 134

Литература 137

Приложения 153 

Введение к работе:

Углерод выполняет планетарную роль в создании живого вещества, формировании почвенного покрова и его плодородия. По современным оценкам Д.С. Орлова и О.Н. Бирюковой (1995), средние запасы углерода в почвах России составляют 296 • 109 т, из которых 67% сосредоточено в почвах Сибири (Титлянова, Булавко, Кудряшова и др., 1998).

Проблемы национального углеродного баланса, связанные с прогнозируемым изменением климата, сосредоточили основное внимание исследователей на лесных территориях (Ведрова, 2002; Ведрова, Мухортова, Стаканов, 2002). Это выявило недостаточность знаний о вкладе агроценозов в основные процессы круговорота и баланса углерода. Между тем, сельскохозяйственное использование земель, сопровождающееся усилением минерализации и отчуждением части органического вещества с урожаем, снижает содержание гумуса и приводит к добавочному поступлению СОг в атмосферу. Так, почвенным покровом Красноярского края за 150 лет сельскохозяйственного использования потеряно 49,05 • 106 т углерода гумуса (Титлянова, Чупрова, 2003). Весьма значительна роль агроценозов и как источника стока СОг для атмосферы, причём эмиссия далеко не пропорциональна доле сельскохозяйственных угодий в общей площади территории (Сиротенко, Шевцова, Володарская, 2002). Высокая сельскохозяйственная освоенность юга Средней Сибири, в том числе и Минусинской впадины, в административных границах Хакасии, влечет за собой заметные изменения в сложившихся природных циклах углерода. В количественном отношении такие процессы изучены мало.

Цель данной работы - оценить запасы и потоки углерода в агроценозах Минусинской впадины, в административных границах Хакасии, и определить влияние агроценозов на сток СОг в атмосферу.

Задачи исследования: - сформировать банк данных урожайности полевых культур и содержания гумуса в почвах разного классификационного подразделения (тип - подтип) и территориального распространения (административный район - природная зона);

- определить интенсивность продукционного процесса в афоценозах и его динамику за 30-летний период (1971-2000 г.г.);

- получить количественные оценки запасов углерода в растительном блоке афоценозов;

- оценить гумусное состояние почв и определить запасы углерода в почвенном блоке афоценозов; дать оценку баланса углерода в афоценозах разных природных зон региона.

На защиту выносятся количественные оценки гумусного состояния почв, запасов углерода в почвенном и растительном блоках афоценозов Минусинской впадины, в административных фаницах Хакасии, характеризующиеся положительным балансом углерода и выполняющие роль стока СОг в атмосферу.

І Іаучная новизна работы: На основе статистической обработки и обобщения большого массива данных урожайности полевых культур (1971 - 2000 г.г.), содержания гумуса и состава органического вещества в почвах получены количественные характеристики баланса углерода в афоценозах Минусинской впадины, в пределах Хакасии. Гумусное состояние почв региона оценено по содержанию, запасам и профильному распределению гумуса. Впервые определены депонированные запасы углерода в почвенном покрове региона, равные 42 млн. т, из которых 21% приходится на легком и иерализуемое органического вещество. Запасы ЛМОВ в почвенном блоке афоценозов уменьшаются в ряду лесостепь степь сухостеиь. Новые материалы, количественно описывающие основные потоки (обменные процессы) углерода в системе атмосфера - афофитоценоз - почва свидетельствуют о том, что афоценозы Минусинской впадины (в пределах Хакасии) задерживают углерод в фитомассе, являясь тем самым стоком углерода атмосферы.

Теоретическая и практическая значимость работы: Результаты исследований вносят вклад в решение теоретических вопросов влияния, афоценозов на цикл углерода и сток СОг в атмосферу. Полученные данные могут быть использованы для качественной оценки земельных ресурсов Хакасии, для научно-обоснованного прогноза изменения гумусного состояния почв при их сельскохозяйственном использовании, для планирования и организации дальнейших научных исследований по балансу углерода и оценки агрогенного воздействия на этот баланс. Созданный банк данных урожайности всех полевых культур за период 1971 - 2000 г.г. и содержания гумуса в профиле почв (1946 разрезов) являются исходным материалом для организации и ведения мониторинга окружающей среды на данной территории. Материалы диссертации используются в курсах лекций по почвоведению на аграрном факультете и ландшафтоведению в Институте естественных наук и математики Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова.

Апробация работы: Материалы исследований докладывались на Международной конференции по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2001; 2002; 2003» (МГУ, Москва); Международной научно - практической конференции «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (ХГУ им. Н.Ф. Катанова, Абакан, 2001;2002); Региональной научной конференции «Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель,» (ТГУ, Томск, 2002); научных семинарах кафедры земледелия ХГУ им. Н.Ф. Катанова и кафедры почвоведения и агрохимии КрасГАУ.

Публикации: Опубликовано 7 научных работ: 2 статьи, 1 - материалы научных конференций, 4 - тезисов.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 182 наименования. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 27 рисунков и 21 приложение.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю -доктору биологических наук, профессору В.В. Чупровой за обсуждение результатов, научные консультации, постоянную и своевременную поддержку. Автор благодарен сотрудникам экономического отдела Министерства сельского хозяйства и почвенного отдела СибНИиПи землеустройства и мелиорации земель Савковой В.П., Егуновой Н.А. за участие и помощь, способствующих выполнению работы.

Глава 1. Состояние изученности вопроса

В общих запасах углерода планеты почвам принадлежит существенная роль. Более половины запасов углерода континентальной сферы приходится именно на почвы. Почвы являются главным резервуаром стока углерода на континенте. Запасы органического вещества в почвах традиционно служат основным критерием оценки почвенного плодородия. Однако в последние годы всё больше они рассматриваются и с точки зрения экологической устойчивости почв как компонента биосферы (Орлов, 1990; Кирюшин,1996). Общий запас органического углерода в почвах всего мира достигает 1500-109т и служит буфером в обменных процессах углеродного цикла в биосфере (Schlesinger,1984). Средние запасы углерода для почв всей России оцениваются в 296-109, в том числе на долю почв равнинных территорий приходится около 80%, а на почвы горных областей около 20% (Орлов, Бирюкова, 1995). Запасы органического углерода в почвах Сибири (без учёта лесных подстилок) составляют 13% от мирового запаса и 67% от запаса почвенного углерода в России (Титлянова, Булавко, Кудряшова и др., 1998). Высокое содержание почвенного углерода на единицу площади на территории Сибири связано с её экосистемным строением: в ней отсутствуют пустыни, характеризующиеся минимальными запасами органического углерода и довольно широко представлены болота, накапливающие органический углерод в толще торфа. Около 85-90% органического углерода аккумулировано в целинных почвах и лишь 10-15% его фонда вовлечено в сельскохозяйственное производство.

Распределение органического углерода по разным типам почв крайне неравномерно. Для европейской части России в зональном ряду проявляется увеличение запасов гумуса в почвах от подзолистых к чернозёмам и последующее уменьшение в почвах сухостеиной и полупустынных зонах. На территории Сибири общая картина распределения запасов гу.муса много сложнее. Так как значительная часть Сибири занята почвами горных областей, то в процессы гумусообразования и гумусонакоиления вносит определённую специфику вертикальная зональность (Орлов, 1998; Бирюкова, Орлов,2001). Наибольшими запасами почвенного органического углерода характеризуются южнотаёжная и среднетаёжная зоны, доли которых от общего запаса составляют 21 и 17%, соответственно. С севера на юг увеличивается также запас органического углерода в почвах, используемых в сельскохозяйственном производстве.

По оценкам О.В. Михайловой (2001), в почвенном покрове Красноярской и Канской лесостеией, относящихся к зоне Средней Сибири в пределах Красноярского края в слое 0-50 см аккумулировано 692,4-106 и 400,1 106т органического углерода, соответственно. Для почв Западной Сибири запасы гумуса в слое 0-100 см составляют 531-108т (Титлянова, Наумов, 1995).Содержание гумуса в слое 0-20 см в пахотных чернозёмах Койбальской степи Хакасии оцениваются В.П. Серединой, СП. Кулижским, Н.Н Афанасьевой (2003) в 160-180т/га.

В процессе сельскохозяйственного использования почв происходят потери углерода из пахотных массивов, которые связаны с эрозией и минерализацией гумуса. В период 1930-90 г.г. во всех почвах пашни Западной Сибири отмечалось уменьшение запасов органического углерода. Общие потери в данном регионе составили 11.2-108т или 29% от исходного запаса, средняя оценка потерь - 96 г/м2тод (Титлянова, Булавко, Кудряшова, Смирнов, Танасиенко,1998). Полученное значение близко к нижнему значению потерь органического углерода, характерному для ареала пахотных земель мира которые, по данным P. Buringha (1984), колеблются в пределах 53 —493 г/м -год. Всего за 150 лет почвенным покровом Красноярского края потеряно 49,05-106т углерода (Титлянова, Чуирова,2003). Подобные оценки, приведённые для США (Houghton, Hackler,2000) выше и составляют 7-109т. В пересчёте на единицу площади пахотные почвы Красноярского края утратили 16 т С/га, пахотные почвы США - 15 т С/га. Близость потерь почвенного углерода объясняется скорее всего разными причинами:

коротким временем непрерывного использования пахотных земель в Сибири (малые потери углерода) и современными агротехнологиями, сберегающими почвенное органическое вещество, в США.

Для пахотной территории Западной Сибири за весь период культивации почв потери органического углерода за счёт эрозии и дефляции составили 1,1-10 т, т.е. 10% от общих потерь. Ежегодные потери углерода органического за последние 60 лет несколько превышают 100 кг/га в расчёте на весь пахотный фонд. Причём на территории, занятой эродированными почвами, потери за счёт эрозионно-дефляционного переноса твёрдой фазы увеличиваются в 3 раза. Эти данные в значительной мере подтверждают мнение Д.С.Орлова с соавторами (1996), что в старых агроценозах крупные потери органического вещества связаны с эрозионно-дефляционными процессами. С течением времени минерализационные потери уменьшаются, эрозионные увеличиваются (Титлянова, Булавко, Кудряшова и др., 1998).

Потери органического углерода из пахотных почв Западной Сибири за период культивации зависят от типа почвы и системы её использования (Титлянова, Наумов, 1995). Дерново-подзолистые и подзолистые почвы могут как терять, так и накапливать органический углерод в зависимости от внесения органических удобрений. Подобная тенденция существует и для почв данного типа республики Беларусь в пределах Минского района (Лапа, Ивахненко, Лимантова,2000). Все остальные пахотные почвы теряют от 10 до 40% «целинного» углерода. Наибольшие потери - 10,2 кгС/м2 характерны для лугово-чернозёмных и луговых почв наименьшие - 1,0 кгС/м для каштановых. Для чернозёмов Западной Сибири ежегодные потери углерода в первые 10 лет (1930-40 г.г.) составляют 0,42 кг/м" и в последующие 50 лет — 0,05 кг/м2. По оценкам В.В.Чуировой (1997а; 19976), полученным для чернозёмов Средней Сибири в пределах Красноярского края, средние потери углерода составляют 0,023 кг/м2, что в 2 раза ниже, чем в Западной Сибири, хотя в первые годы после распашки целины потери вероятно были значительно больше.

Снижение гумуса, связанное с усиленной минерализацией органического вещества почв освоенных под папино, приводит к добавочному поступлению С02 в атмосферу (Кудеяров,1994;Курганова, Кудеяров,1998; Помазкина, Лубнина, Репина,2002). Причём эмиссия С02 в атмосферу обусловлена преимущественно верхними гумусовыми горизонтами и значительно снижается вниз по профилю (Орлов, Бирюкова, 1998). Результаты, полученные Л.В. Помазкиной, Е.В. Лубниной и Н.П. Лесных (1998) для пахотных почв лесостепи Прибайкалья, свидетельствуют об увеличении эмиссии С02 при их техногенном загрязнении. По расчетам вышеуказанных авторов общая эмиссия С02 в агроэкосистемах данного региона на загрязняемых почвах в районах локального загрязнения достигает 38 тыс. т за сезон. Относительно этой величины непосредственные выбросы С02 составляют около 6%. Поэтому нарушения режима функционирования агроэкосистем влечёт за собой более значительные и серьёзные последствия, чем даже прямые техногенные выбросы С02 в атмосферу. Однако литературные данные о темпах эмиссии углерода в атмосферу противоречивы. В настоящее время появляются сведения о прекращении потерь гумуса в пахотных почвах различных почвенных зон (Ларионова, Розанова, Евдокимов, Прмоласв,2002). Данные Л.А.Титляновой с соавторами (1993) свидетельствуют о постоянстве входа органического вещества и выделении С02 в длительно используемых почвах при постоянной агротехнике.

В связи с этим необходимы детальные сравнительные исследования современной эмиссии СО2 из целинных и пахотных почв на основных почвенных типах с целью корректировки эмиссии диоксида углерода почвенным покровом России. Тем не менее по современным оценкам концентрация С02 в атмосфере возрастает. За 30 лет (1930 - 87 г.г.) содержание С02 увеличилось с 316 до 345 ррт (Тиглянова, Наумов, 1995). Следствием такой динамики являются климатические сдвиги, проявляющиеся в смещении климатических областей. В результате становится необходимым определение масштабов этих изменений и роли агроценозов в фиксированном стоке СОг. Значимость данной проблемы возрастает после ратификации Россией в 1994 году Рамочной Конвенции ООН об изменении климата. Страны, подписавшие Конвенцию, приняли на себя обязательства ограничивать эмиссию СОг в определённых пределах и регулярно информировать ООН не только о величинах технологической эмиссии СХ 2, но и оценивать уровень эмиссии СОг естественными и сельскохозяйственными экосистемами на своей территории.

Сельскохозяйственное использование земель, сопровождающиеся усилением процессов минерализации и отчуждением части органического вещества с урожаем, нарушает баланс углерода между «входом» и «выходом» (Заварзин,1994). В результате баланс агроэкосистем по углероду в отличие от естественных экосистем далёк от замыкания и, что особенно важно, поддаётся всё-же управлению (Чупрова, 1997а; Никитишин,2002). Поэтому роль агроэкосистем как источника стока С02 для атмосферы весьма значительна и далеко не пропорциональна доле сельскохозяйственных угодий в общей площади территории (Сиротенко, Шевцова, Володарская,2002). Определить роль агроценозов в данном процессе возможно только, изучая количественные характеристики цикла или биологического круговорота углерода.

Биологический круговорот является фундаментальным свойством биогеоценоза и одним из главных звеньев его функционирования. Он представляет собой совокупность обменных процессов между всеми структурными единицами, связывающими биоту с биокосными (почва, природные воды) и костными компонентами биосферы (Титлянова, Косых, 1999). Биологический круговорот включает в себя процессы создания первичной продукции, отмирания надземных, подземных частей растений, разложения органических остатков под действием почвенных микроорганизмов, синтез органического вещества почвы и его распад с выделением химических элементов в атмосферу и почву (Титлянова, 1977).

Наиболее важной составляющей биологического круговорота углерода, по мнению А.Л. Титляновой (1977), А.Г. Исаченко (1991), является чистая первичная продукция. Создание чистой первичной продукции определяется деятельностью высших растений, которые по массе составляют 98% всего запаса продуцентов (Базилевич,1993).

Среди природных экосистем умеренного пояса травяные биогеоценозы являются наиболее продуктивными (Титлянова,1977). Это связано с тем, что травянистая растительность характеризуется ежегодным отмиранием не только надземной, но и корневой системы, составляющей обычно в степи и лесостепи не менее половины всей биомассы (Родин, Базилевич,1965). Продукция луговых степей изучалась в европейской лесостепи в Курской области (Утехин и др., 1975) и в лесостепи Новосибирской области (Вагина и др., 1975; Шатохина,1988), в лесостепи Красноярского края (Снытко, Нефедьева, Дубынина и др., 1986,1988). Данные о продуктивности биогеоценозов засушливых и сухих степей приводятся в работах МЛІ. Першиной и Л.А. Авдеевой (1971), Н.П. Дружининой (1973), А.А. Горшковой (1973) и других. Величина продукции луговых степей и дубрав лесостепной зоны европейской части России лежит в пределах 1100-1900 г/м год, а в степных экосистемах может достигать 2700 г/м год и в среднем составляет 2000 г/м год. Наименьшей продукцией характеризуются солонцеватые степи, особенно широко распространенные в зоне сухих степей (Базилевич,1993).

Основная доля органического вещества создаётся в травяных биогеоценозах в подземной сфере, благодаря интенсивному приросту и отмиранию корней (Титлянова, Косых, Мировычева-Токарева, 1994). В надземной сфере преобладает мортмасса над фитомассой. Доля подземных органов в структуре фитомассы возрастает от зоны луговых степей к зоне настоящих степей до 80 - 90% (Базилевич, 1993). Отмечается приуроченность корневой массы к слою почвы 0-20 см, обилие средних и мелких корней и сравнимость запасов живых и мёртвых подземных органов. Для различных травяных экосистем, распространённых в котловинах Минусинской впадины, обнаружено увеличение доли мортмассы и уменьшение доли корней в общем запасе подземного растительного вещества с севера на юг (Швабенланд,2002а).

Быстрые процессы трансформации большого количества корневых остатков при медленных процессах минерализации гумуса приводят к образованию огромных запасов органического вещества в почвах этих экосистем. Именно в травяных биогеоценозах в четвертичном периоде сформировались наиболее гумусированные и плодородные почвы, ныне полностью распаханные.

Изменение продукции в травяных фитоценозах определяется, прежде всего, условиями увлажнения, так как это экосистемы, лимитированные но влаге. В зональном ряду типов степей (луг— умеренно засушливые— засушливые) на примере Барабы величины запаса и продукции надземных органов с уменьшением увлажнения и среднегодовой температуры падают. Величины запаса и продукции подземных органов с уменьшением увлажнения до определённых пределов увеличиваются и достигают максимума в круинодерновинных степях. С дальнейшим снижением увлажнения запас и продукция корней падают (Шатохина,1980).

С продукционным процессом тесно связаны трансформационные и деструкционные процессы, протекающие в биогеоценозах. Ритм разложения определяется качеством поступающего материала и погодными условиями. Солома и другие лигнинофицированные ткани разлагаются медленно. Засушливость и континентальность климата также препятствуют разложению растительных остатков (Базилевич,1993). При разложении растительных остатков повышаются зольность и концентрации химических элементов (Титлянова, Тихомирова, 1975). Разлагающиеся растительные остатки являются центрами микробиологической и биохимической активности. Выделяющиеся органические вещества сильного хелатного действия тут же, на поверхности растительных остатков вступают во взаимодействие с минеральной частью почвы и образуют органо-минеральные соединения.

Таким образом, процессы биологического круговорота в природных экосистемах включают создание растительного вещества в результате аккумуляции свободной энергии и трансформацию растительного вещества в виде гумификации растительных остатков и минерализации гумуса, обеспечивая жизнь почвы и её плодородие. Их интенсивность зависит от ритмики образования, отмирания, разложения надземных и подземных органов, от погодных условий, а так же влияния техногенной нагрузки (Дубынина,2001). Сукцессионные изменения характеристик биологического круговорота осуществляются за десятки лет (Титлянова, 1994). В целом процессы биологического круговорота имеют характер реіулярньїх ежегодно повторяемых циклов при меняющейся от года к году суммарной интенсивности. Циклические изменения запасов углерода в компонентах экосистемы и скорость обменных процессов обуславливаются циклами развития растений и закономерной сезонной сменой гидротермических режимов.

Преобразование экосистем в результате хозяйственной деятельности человека изменяет биологический круговорот: запасы углерода в компонентах и интенсивность обменных процессов (Титлянова, Косых,1999). Глубокая трансформация экосистем связана, прежде всего, с развитием сельского хозяйства. В настоящее время (2000г.) пашня занимает 7% от общей площади России (Эколого-экономические проблемы России...,2002). В начальный момент в результате обработки уничтожается степной фитоценоз, разрушается дернина, разрыхляется верхний слой почвы. На месте длительно вегетирующего, многовидового сообщества степной растительности одномоментно создаётся агрофитоценоз, состоящий из одной культуры с коротким периодом вегетации (Титлянова, Косых,1997). Под влиянием изменения сложения почвы и смены фитоценоза постепенно перестраивается почвенная биота, трансформируется водный режим и структура обменных процессов элементов питания. В результате нарушается # скомиенсированность биологического круговорота.

Несмотря на то, что агроценозы получают дополнительные вложения энергии, воды, питательных элементов при проведении агротехнических мероприятий, их полная первичная продукция (включая её надземную и подземную части) близка или несколько ниже, чем продукция природных экосистем. Средняя величина ежегодной первичной продукции агроценозов составляет 1090г/м , в травяных биоценозах - 2000г/м (Титлянова, Тихомирова, Шатохииа, 1982). Причиной уменьшения продукции агроценозов является снижение их адаптационных возможностей по сравнению со степными фитоценозами в изменяющихся экологических условиях. Так, при неблагоприятном обеспечении теплом и влагой в агроценозе подвергаются воздействию все растения в одинаковой мере, так как агроценоз - это монодоминантное сообщество и синхронность в развитии отрицательно сказывается на продуктивности экосистемы в целом. Компенсаторный механизм (снижение продукции надземных - повышение продукции подземных органов) при почвенной засухе проявляется в агроценозах не в полной мере. Это связано с тем, что в агроценозе изменяется структура растительного вещества (Агроценозы степной зоны, 1984). В них резко повышается доля живой надземной фитомассы и столь же резко снижается запас и доля живых корней. Подземная продукция в агроценозе составляет лишь 20-25% от полной.

В работе А.А.Титляновой и Н.П.Косых (1999) даны оценки чистой первичной продукции различных ландшафтно-климатических зон Западной Сибири. Чистая первичная продукция агроценозов лесостепи, заместивших травяные экосистемы, составляет лишь половину продукции коренных степных и луговых сообществ. В целом по лесостепи величина чистой первичной продукции снижается на 41%. В зоне степи разрыв между величинами чистой первичной продукции коренных сообществ и заместивших их агроценозов достигает максимума. В целом потери продукции зоны составляют 46% от её прошлого значения. Потери продукции в расчёте на 1 га составляют 7 т в год в лесостепи и 8 т в год в степи (Титлянова,2000). Таким образом, чем ближе к югу располагаются агроценозы, тем сильнее снижается чистая первичная продукция трансформированного растительного покрова.

Динамика продукционного процесса в агроценозах имеет свои особенности и была рассмотрена на примере зерновых агроценозов в условиях Барабы Л.Л. Титляновой с соавторами (1982). Продукционный процесс в надземной сфере зерновых агроценозов, как наиболее распространенных, в зависимости от обеспеченности растений элементами питания в течение вегетационного сезона характеризуется одним или двумя максимумами. В засушливые годы - это один максимум в фазу колошения, в благоприятных условиях - два, так как процесс продуцирования более длительный и соответствует фазе колошения и периоду налива зерна. Считается, что корни у однолетних растений прирастают до фазы цветения. Прирост корней пшеницы прослеживается в течение двух периодов: от всходов до конца цветения, от конца фазы молочной спелости до фазы восковой спелости. После налива зерно становится менее конкурентным и пластические вещества из надземных органов перетекают в подземные, о чем свидетельствует уменьшение массы надземных органов в период созревания.

Наибольшая доля продукции в аїроценозе образуется в фазу кущения (35% ) и в фазу молочной спелости (26%). При этом в первый период около 1/3 продукции составляет продукция корней, во второй - вся продукция формируется в надземной сфере. В агрофитоценозе продукционный процесс наиболее интенсивно протекает в ранне- и среднслетним периоды, в позднелетний он резко замедляется.

Основными факторами, определяющими урожай зерна, как отмечают В.А.Сенников и А.П.Следнёв (1972), являются гидротермические условия. Особенно важны условия увлажнения в первую половину сезона вегетации от всходов до цветения пшеницы. В годы с низким запасом весенней влаги, суммой раннелетних осадков (май-июнь) и высокой суммой активных температур урожай зерна низкий. Выпадение осадков в более поздний период благоприятствует вторичному кущению пшеницы (подгон) и росту сорняков, это увеличивает общую продукцию аітюфитоценоза. В годы с более обильным увлажнением, значительными ранпелетними осадками, а также с более низкой суммой активных температур урожай зерна высокий.

Наибольшая разница между природными экосистемами и агроценозами проявляется и в величинах поступления растительных остатков в почву. Из агроценозов с хозяйственным урожаем отчуждается 45-55% продукции (Титлянова, Тихомирова, Шатохина,1982). Максимальный вынос растительного вещества характерен для агроценозов лесостепной зоны, минимальный наблюдается в зоне средней тайги (Тилянова, Косых, 1999). Средняя величина ежегодного поступления растительных остатков в почву в зерновых агроцепозах составляет 48()г/м2 с обычными колебаниями в различные годы от 300 до 770г/м . По сравнению со степными фитоценозами в почву агроценозов лесостепной и степной зон поступает в 3-5 раз меньше растительных остатков.

Таким образом, количество растительных остатков, поступающих в почву и поддерживающих гумусный баланс, резко уменьшается по двум причинам: а) более низкой чистой первичной продукцией агроценозов по сравнению с целинными степями и лугами; б) отчуждением части продукции с урожаем.

Результатом снижения поступления растительных остатков в почву является уменьшение запаса мортмассы в агроцепозах по сравнению с природными экосистемами. Мортмасса в почве агроценозов представлена в основном отмершими надземными и подземными органами растений. В течение вегетационного сезона её запасы формируются преимущественно за счёт поступающих надземных органов и частично за счёт отмирания корней растений. Осенью после уборки урожая запасы мортмассы пополняются пожнивными и корневыми остатками.

По данным В.В.Чупровой (2001), полученных для чернозёмной зоны Средней Сибири, вклад надземных органов до уборки составляет 16-48% надземной продукции. Потери надземной фитомассы в зерновых агроценозах начинаются в фазу кущения и продолжаются с различной интенсивностью до полной спелости. Летнее отмирание корней и переход их в мортмассу до уборки достигает 6-58% их продукции. Широкий диапазон изменения массы отмирающих корней свидетельствует о влиянии многих факторов на этот процесс. Это и погодные условия сезона, биологические особенности культуры и её место в севообороте и характер распространения корней вглубь профиля. Как правило, при засухе прирост корней замедляется, а отмирание усиливается, что несколько противоречит распространенному суждению о том, что растения вынуждены формировать мощную разветвлённую корневую систему в неблагоприятных условиях. Главной причиной приуроченности корней к тому или иному слою почвы является уровень содержания влаги и элементов питания (Орловский, 1979). Однако влияние этих факторов в чернозёмной зоне Средней Сибири неоднозначно. По данным В.В. Чунровой (19976), недостаток почвенной влаги и доступных форм азота в отдельные годы приводит к уменьшению запасов корней и концентрации их в пахотном горизонте, а в другие годы - к увеличению массы проникающих вглубь корней. Влажная почва всегда стимулирует развитие корней и способствует глубокому их распространению. При неглубокой корневой системе, размещаемой в верхних слоях почвы, отмирание корней также возрастает. Соотношение между массой отмерших летом надземных и подземных органов может быть различным и зависит от севооборота. В некоторых преобладает количество надземных органов, в других - корни. Однако иногда значения их одинаковы, но, тем не менее, максимум отмершей летом надземной фитомассы совпадает с максимальной величиной отмерших корней.

Таким образом, изменения цикла углерода при распашке земель и их сельскохозяйственном использовании связаны со снижением поступления растительного вещества в почву. Вследствие этого, в аїроценозах запасы мортмассы снижаются, что приведёт к нарушению гумусного баланса пахотных почв.

В целом биологический круговорот в агроценозах характеризуется следующими особенностями:

1. Направлением отбора. Если в природе естественный отбор ведёт к устойчивости экосистем, то в агроценозах, созданных человеком, осуществляется искусственный отбор, направленный, прежде всего на повышение урожайности, что не связано с устойчивостью. В результате агроценозы в неблагоприятных условиях снижают свою продуктивность.

2. Естественные экосистемы используют только энергию солнца и трансформируют её, а агроценозы получают дополнительное количество энергии в ходе мероприятий, проводимых человеком. Энергетические вложения всегда сопровождаются вещественными, что оказывает влияние на биологический круговорот в агроценозах.

3. Разнообразие экологического состава естественного фитоценоза обеспечивает устойчивость продукционного процесса при колебании погодных условий в различные годы. Агроценоз же - сообщество монодоминантное и односортовое, действие неблагоприятных факторов одинаково отражается на всех растениях, в результате устойчивость величины продукции в агроценозе ниже по сравнению с естественными экосистемами.

4. Разновременность развития растений в природном экосистеме и одновременность их развития в агроценозе приводят к различному ритму продукционного процесса. В агроценозах ритм деструкционпых процессов в меньшей степени зависит от ритма продукционного процесса, так как надземные растительные остатки поступают на почву за короткий период, лишь в конце лета и в начале осени, а их минерализация осуществляется в основном в следующем сезоне.

5. В агроценозе нарушается сбалансированность биологического круговорота, так как часть вещества изымается из экосистемы безвозвратно. Это приводит к отрицательной декомпенсации биогеохимических циклов.

6. Природные системы являются саморегулирующимися, агроценозы - управляемыми человеком.

Лгроценозы обладают специфическим режимом функционирования. Молодые агроценозы (возраст которых не превышает 100 лет) находятся в переходном режиме. Кардинальные изменения фитокомпонента экосистемы в результате распашки нарушают ритм продукционного процесса, тогда как почва с её биотой «переходит по наследству» из природной экосистемы в агроценоз и какое-то время сохраняет свои прежние свойства. Такое «смешанное» состояние характеризуется нарушением всех звеньев круговорота. Какое-то время подсистемы: приход мортмассы запас мортмассы —» разложение мортмассы и гумификация мортмассы — гумус почвы — минерализация гумуса функционируют в переходном режиме и с различной скоростью выходят на новый стационарный уровень. Причём время установления нового состояния динамического равновесия в подсистеме гумификация мортмассы- гумус почвы- минерализация гумуса много больше, чем в подсистеме приход мортмассы- запас мортмассы-»разложение мортмассы. Данный уровень задается в естественных экосистемах величиной первичной продукции, а в агроценозе величиной поступления растительных остатков (и органических удобрений), которая меняется в зависимости от возделываемой культуры и системы земледелия. Благодаря поступлению растительных остатков, их гумификации и минерализации гумусная система постоянно обновляется. Несмотря на то, что отдельные подсистемы агроценоза могут достигнуть стационарного состояния, агроценоз как экосистема стационарного уровня не достигает. Превышение величины чистой первичной продукции над величиной суммарного гетеротрофного дыхания характерно для ранних стадий сукцессии природных экосистем (Хакимзянова,1988; Титлянова, Афанасьева, Наумова и др., 1993). Полому агроценозы можно рассматривать как экосистемы, сохраняющиеся человеком на стадии развития, близкой к ранней сукцессионной. Эта особенность аїроценозов является существенной характеристикой, определяющей экосистемный базис для управления ими со стороны человека.

На огромное значение организмов и продуктов их жизнедеятельности в превращении породы в почву указывал ещё В.Р. Вильяме (1950). В настоящее время оценить вклад растительности в формирование почвы и, наоборот, роль почвы в развитии растительных сообществ позволяет биосферный подход В.Л. Ковды (1990). При этом организм рассматривается как биологически цельный, но находящийся в і оспой биологической связи с другими компонентами системы, которая развиваемся благодаря взаимовлиянию, взаимодействию, взаимозависимости её составных частей.

Продуктивность растений и плодородие почвы существуют в единстве и составляют сложную систему, где растение формируется за счёт почвы, и в то же время почва создаётся за счёт растений. Формирование оиопродукции - это результат совокупного взаимодействия основных физиологических процессов, протекающих в растении и почве. Фиксация СО2 зелёными листьями растений в процессе фотосинтеза - это лишь начальный этап накопления биомассы с последующим формированием биологических остатков и трансформацией их в гумус. По мнению В.П. Кефели с соавторами (1995), вклад растения в почвообразование определяется следующими процессами:

установление связей в пределах водно - солевого обмена между растениями и почвой;

формирование гумуса;

создание субстрата для развития почвенной микрофлоры, включая различные типы азо[фиксаторов;

- выделение в почву смывов и корневых экскретов из растений, обогащающих почву минеральными элементами и органическими веществами.

Путь углерода при фотосинтезе, начинаясь в растении, продолжается при трансформации биотических элементов в почве. Из почвы минеральные формы элементов транспортируются вновь в растение, реализуя принцип биологического круговорота

Таким образом, важное значение для функционирования экосистемы в целом наряду с наземной растительностью имеет почва и, в большей степени, её органическая часть, являющаяся показателем плодородия.

Особая роль гумуса как главной составляющей органической части почвы обусловлена уже тем, что это практически единственный компонент почвы, сформировавшийся в ходе почвообразования и являющийся следствием этого процесса (Орлов, 1999). Главный источник почвенного органического вещества - это растительные остатки. Определённый вклад вносят и остатки животных. Источником образования гумуса пахотных массивов являются отмирающие ежегодно корневые и пожнивные остатки сельскохозяйственных культур, вносимые органические удобрения, отмершие микроорганизмы и животные.

Количество ежегодно поступающих в почву растительных остатков сильно варьирует, так как оно обусловлено чередованием культур с севообороте, неравномерным и не ежегодным внесением органических удобрений, а также минеральных, влияющих косвенно, путём усиления развития культурных растений и тем самым способствующих накоплению большой массы корневых остатков (Винокурова, Колоскова, Суперанская, Шакирова,1972).

По мнению А.Л.Титляновой, С.Я.Кудряпювой, М.В.Якутина, Г.И.Булавко, П.П.Миронычевой - Токаревой (1999), пул почвенного органического вещества представляет собой смесь мелких неразложившихся и полуразложившихся, частично гумифицированных растительных остатков - детрит; микробобиомассы, продуктов метаболизма растений, животных и микробобиомассы - абионтических веществ и гумусовых веществ. Вклад углерода гумусовых веществ может составлять от 60 до 70% почвенного органического вещества (Schnitzer, Khan, 1978).

Исторические и химические аспекты изучения органической части почвы рассматривались в работах русских и зарубежных авторов И.В. Тюрина (1937; 1965), М.М. Кононовой (1963; 1972), Л.Н. Александровой (1980), Stevensona (1982), Л.А. Гришиной (1986), Д.С. Орлова (1990), Р.Тейта (1991). В них органическая часть почвы признаётся как чрезвычайно гетерогенная и состоящая из двух фракций: лабильной, быстро минерализуемой и устойчивой, консервативной части гумуса, создающей основной запас, фонд длительно сохраняющихся органических соединений.

Признавая важность всех компонентов органического вещества для плодородия почв, следует подчеркнуть особую роль его активной, быстро разлагающейся части (Кершенс,1990; Кершснс,1992; Чуирова, Белоусов, Кураченко,2000; Ведрова, Мухортова, 2000; Володарская,2001; Мухортова,2002). Наиболее вероятно, что агротехническими приёмами можно изменять именно этот пул органического вещества, а, следовательно, имеется реальная возможность его регулирования с целью повышения эффективного плодородия пахотных почв (Самойлова, Сизов, Яковснко,1990).

С содержанием органического вещества связаны все свойства почв, в .том числе и агрономические, влияющие на урожай. Многие исследователи указывают на тесную корреляционную связь между содержанием или запасами гумуса в почвах с урожаем (Брагин, Калиновский, Цыцковская,1980; Семёнов,1983; Лыков,1985; Шпедт,1997). Так, по данным Т.Н. Кулаковской (1976), увеличение содержания гумуса на 1% (примерно 30 т/га в пахотном слое) даёт прибавку урожая зерновых до 10 ц/га. В других работах (Гаижара, Борисов, 1997; Кирюхин, Ганжара, Кауричев и др., 1993) такой зависимости не установлено. Тем не менее содержание гумуса и урожай могут находиться в тесной корреляционной связи в результате того, что как гумус, так и урожай зависят от одних и тех же факторов и имеют с ними одинаковую направленность изменений (Ганжара,1998). Такими факторами моїут быть физико - химические свойства почв, которые сильно зависят от содержания гумуса, а также количества источников гумуса и дозы органических удобрений.

По И.1-І. Шаркову, И.П. Бреус, Л.Л. Даниловой (1997), освоение почв под пашню приводит к наиболее быстрому уменьшению содержания фракции легкоминерализуемого органического вещества или, по определению 1 .М. Ко гут (2003), агрогенно - трансформируемого. Оно существует в почвах в количествах, превышающих значение инертного гумуса и подвергается изменениям под влиянием сельскохозяйственного использования. Данных по содержанию легкоминерализуемого органического вещества в пахотных почвах мало. Гак, в дерново-подзолистых слабоокультуренных почвах (содержание гумуса 1,8%) лабильные гумусовые кислоты составляют 450 мг/кг почвы, среднеокультуренных (содержание 2,0 - 2,5%) - 700 - 1000 мг/кг почвы, хорошоокультуренных (содержание гумуса 2,5 - 3,0%) - до 1000 мг/кг почвы (Дьяконова, Ну.ісева,1987; Исмаилова, Замараев. Чаповская, 1 улкина,1996).

Содержание легкоминерализуемого органическою вещества в значительной степени определяется количеством и качеством остающихся в почве и на её поверхности пожнивно - корневых остатков, органических удобрений и интенсивностью обработки почвы. В результате распашки и культивации целинных почв (особенно чернозёмов) в агроценозах уменьшение общего запаса почвенного органического вещества идёт за счёт быстрой минерализации его лабильной части, которая и участвует в круговороте углерода. Ежегодная минерализация подвижного органического вещества почв Красноярского края составляет от 0,22% под многолетними травами до 0,8 - 3,26% иод зерновілми культурами и в паровых полях (Ведрова, Стаканов, Чуирова, Шугалей,2002). По данным Л.Л.Титляиовой с соавторами (1999), полученным для почв Западной Сибири, снижение активно минерализуемой фракции с 10 (целина) до 5% в пахотной почве приводит к увеличению доли устойчивых гумусовых веществ с 41 до 65%. Следовательно, длительная культивация почв приводит не только к потерям органического вещества, но и к трансформации его структуры в сторону значительного (1,5 раза) увеличения его пассивной части. Изменения в количестве органического вещества на начальных стадиях обработки целинных земель невелики, но через несколько лет происходит быстрое уменьшение его количества и постепенное снижение в последующие годы. Быстрая первоначальная потеря гумуса является немедленной реакцией на снижение поступления биомассы и уменьшение запасов

легкоминерализуемых органических соединений ( Гейт, 1991). Установлено (Шугалей, Чупрова,2003), что в лесных экосистемах общий запас углерода в легкогидролизусмой фракции органического вещества, обеспечивающей формирование минерализациоиного потока углерода в атмосферу и поддержание гумусного состояния почвы, составляет 35-48, в агроэкосистемах - 17-25% общего запаса углерода в почве. В процессах разложения лабильного органического вещества как в аїропенозах, так и лесных экосистемах количественные оценки минерализациоиного потока превышают значения гумификациошюго, ведущего к аккумуляции новообразованного гумуса.

Таким образом, в агроэкосистемах, формирующихся при сельскохозяйственном использовании территории, запасы и потоки углеродного цикла подвергаются количественным изменениям. В результате нарушается баланс углерода, что может приводить к дополнительной эмиссии СС»2 в атмосферу. Подобные исследования на территории Краноярского края показали, что преобразование человеком 22% его площади привело к снижению продукции растительного покрова и некомпенсированной фотосинтезом эмиссии СОг в атмосферу (Титлянова, Чупрова,2003). Новосибирская область является регионом, где цикл углерода также не сбалансирован (Титлянова, Косых,1997).

Анализируя современные публикации по данному вопросу обнаруживается значимость проблемы и недостаток сведений по ряду регионов. Поэтому требуются дополнительные исследования и уточнение оценок запасов и потоков углеродного цикла в агроэкосистемах с целью определения влияния агроценозов на сток СО2.

Подобные работы
Ганин Алексей Сергеевич
Логистический подход к комплексному управлению формированием и движением материальных потоков и производственных запасов
Фарафонов Александр Евгеньевич
Экономико-математическое моделирование финансовых потоков при решении задач управления запасами
Тагилова Ольга Анатольевна
Повышение экологической безопасности полигонов твердых бытовых отходов на основе анализа потоков органического углерода
Лизунов Алексей Владимирович
Разделение изотопов углерода методом химического изотопного обмена с термическим обращением потоков в системе CO2-карбамат ДЭА в толуоле

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net