Звено: пар-пшеница (с внесением органических удобрений):

1. Звено: пар-пшеница (с внесением органических удобрений):

То же самое без внесения органических удобрений:

Вывод: при расчете экологической системы земледелия на модели пар - пшеница без внесения органических удобрений выяснилось, что в результате происходит активный расход гумуса. Меньшее значение Кэз свидетельствует о недостаточной экологичности земледелия. Поэтому необходимо разрабатывать мероприятия по улучшению экологичности за счет уменьшения эрозионных процессов, улучшения системы севооборотов, увеличения количества сидеральных культур и многолетних трав.

3.3 Оценка экологической устойчивости почвенного блока

Разрушение и создание органического вещества составляют сущность почвообразования. Из этого общеизвестного положения вытекает принципиально важное следствие – соотношение между процессами минерализации и гумификации обуславливает экологическое равновесие в почве. Сбалансированность названных процессов отражает суть экологической устойчивости почвенного блока, а, следовательно, и агроэкосистемы в целом. Определение количественных параметров, соответствующих состоянию экологического равновесия в почве, раскрытие его природы и разработка на этой основе методов целенаправленного воспроизводства почвенного плодородия – важная научно-практическая задача, требующая комплексных решений, в том числе с учетом и агроэкологических аспектов проблемы.

Достаточно значимым количественным показателем интенсивности процессов минерализации органического вещества почвы может служить отчуждение (вынос) азота с урожаем сельскохозяйственных культур. Процессы гумусообразования, наоборот, связаны непосредственно с накоплением азота в почве, поэтому величину аккумуляции его в приросте запасов гумуса можно принять за объективный показатель гумификации. Исходя из данных предпосылок, оценку сбалансированности процессов гумификации и минерализации в почвенном блоке агроэкосистемы реально проводить, основываясь на определении агроэкологического параметра – коэффициента биологической утилизации азота удобрений (КNут). Названный показатель подсчитывают как суммы коэффициентов усвоения возделываемыми растениями элемента из удобрения (КN усв) и аккумуляции его в приросте гумуса за ротацию севооборота по отношению к количеству, определяемому перед закладкой опыта (КN ак). Отношение коэффициента усвоения азота удобрений к коэффициенту его аккумуляции (КN усв/КN ак) отражает степень сбалансированности в почве процессов минерализации и гумификации, а значит, и направленность процесса почвообразования за ротацию севооборота. Очевидно, что это отношение наряду с другими показателями может служить объективным экологическим критерием оценки устойчивости высокопродуктивной агроэкосистемы. Степень устойчивости почвенного блока агроэкосистемы определяют по формуле:

Эуст = КN усв/ КN ак

Где Эуст – интегральный показатель экологической устойчивости почвенного блока агроэкосистемы;

КN усв – коэффициент усвоения азота культурами за ротацию севооборота, %;

КN ак – коэффициент аккумуляции азота в приросте гумуса за ротацию севооборота, %.

Расчет показателей экономической устойчивости почвенного блока при практикуемых звеньях севооборота:

1.         Звено севооборота: пар – пшеница.

Общий расход азота на создание 34,2 ц/га – 123,12 кг (3,6*34,2)

Общий расход гумуса – (123,12*100)/5=2,5 т/га

Содержание азота в соломистых остатках - 22,5 кг/га (4500*0,5)/100=, где 4500 кг/га – биологическая масса соломы, 0,5 % - содержание азота в соломе.

Таким образом, в звене пар – пшеница создаётся отрицательный баланс азота – 100,62 кг/га (123,12-22,5).

2.         Звено: люцерна – пшеница.

Приход органического вещества с корневыми и пожнивными остатками люцерны составляет 12 т/га (3,5 т – пожнивные и 8,5 т – корневые остатки).

Приход азота в звене составит 122,2 кг/га.

Содержание азота в растительных остатках люцерны составляет 2 %.

Таким образом, в звене люцерна – пшеница создаётся положительный баланс азота - +21,58 кг/га (122,2+22,5).

Эуст = 123,12/144,7 = 0,85

Вывод: результаты расчетов показали, что коэффициент экологической устойчивости почвенного блока является довольно высоким. Следовательно, процессы гумификации и минерализации, протекающие в почве, находятся в экологическом равновесии, что говорит о высокой устойчивости данной агроэкосистемы.

3.4 Проблема использования биологического азота

Важнейшую проблему создания достаточного количества белка невозможно решить без использования биологического азота в земледелии, поэтому остаётся актуальным широкое использование уникальных способностей бобовых и микроорганизмов фиксировать молекулярный азот атмосферы.

Микробиологическая фиксация атмосферного азота – экологически чистый путь снабжения растений связанным азотом, требующий относительно небольших энергетических затрат на активизацию азотфиксаторов в почве.

По источникам доступной энергии азотфиксирующие микроорганизмы относят к 2м основным группам: автотрофам и гетеротрофам, хотя такое деление достаточно условно. Автотрофные фиксаторы атмосферного азота – цианобактерии и фотосинтезирующие анаэробные бактерии – играют заметную роль лишь в переувлажненных и затопленных почвах, где фиксируют до 20-50 кг/га азота в год. В почвах всех типов в ризосфере и филлосфере растений наиболее распространены и многочисленны гетеротрофные азотфиксирующие организмы. Наиболее хорошо известно значение клубеньковых бактерий в азотном питании бобовых растений и в обогащении почв азотом.

Способность к фиксации азота обнаружена у большого числа бактерий, принадлежащих к различным систематическим группам. Помимо хорошо известных – азотобактера, клостридий, клубеньковых бактерий – эта способность обнаружена у многих других бактерий: Bacillus, Erwina, Klebsiella и др. У чистых культур эукариотных микроорганизмов, в том числе у грибов и дрожжей, азотфиксирующая активность не обнаружена. Однако известно, смешанные культуры азотфиксаторов с эукариотами характеризуются повышенной нитрогеназной активностью.

Бессменное возделывание небобовых культур не приводит к существенному снижению содержания азота в почве, несмотря на ежегодное отчуждение его с урожаем, тогда как в пару количество гумуса и азота в почве непрерывно уменьшается. Хотя при ассоциативной азотфиксации микроорганизмы и растения не вступают в такое тесное взаимодействие, как в симбиотических системах, в целом она имеет примерно те же экологические особенности – активность азотфиксации меняется по мере развития растений, достигая максимума в периоды бутонизации и цветения и снижаясь во время созревания.

В течение последних лет проводились интенсивные исследования нитрогеназы – основного фермента, осуществляющего процесс азотфиксации. У бобовых культур нитрогеназа находится в клубеньковых бактериях, приобретающих внутри клубенька форму бактероидов. Характерная особенность нитрогеназы – восстановление не только молекулярного азота, но и других субстратов, обладающих тройными связями. Это позволяет широко использовать метод определения азотфиксации по восстановлению ацетилена в этилен.

В состав симбиотических азотфиксирующих систем помимо фермента нитрогеназы входят и другие металлсодержащие белки бактероидов и тканей клубенька.

Особенно следует отметить роль железосодержащего белка – леггемоглобина. Леггемоглобин локализуется растительных клетках. В клубеньках он образуется как продукт симбиоза бактерий с высшими растениями. Активность азотфиксации связана с концентрацией леггемоглобина в клубеньках.

Леггемоглобин, являясь переносчиком кислорода, не принимает непосредственного участия в восстановлении азота. Благодаря наличию этого пигмента, с одной стороны, бактероиды, обеспечены кислородом, с другой стороны, сохранены анаэробные условия для работы нитрогеназы. Нитрогеназа очень чувствительна к кислороду и инактивируется им; в то же время для образования энергии АТФ, необходимой для процесса азотфиксации, требуется кислород. Механизм защиты нитрогеназы от кислорода весьма сложен, и леггемоглобин, по-видимому, является лишь одним из многочисленных звеньев в данном процессе.

Проблема максимального использования биологического азота связана с химизацией сельского хозяйства. Практика показывает, что высокие урожаи бобовых культур можно получить лишь при устранении кислой реакции среды, применении фосфорных, калийных удобрений и отдельных микроудобрений.

Таким образом, можно отметить следующие наиболее важные практические аспекты проблемы биологического азота на ближайшее будущее:

1.         Эколого-биологическое и агрономическое значение естественного процесса позволит более полноценно использовать природную фиксацию азота и найти способы её интенсификации.

2.         Знание условий связывания азота биологическим путём в мягких условиях позволит разработать новые способы получения азотных удобрений.

3.         Изучение генетико-селекционных основ азотфиксирующего симбиоза бобовых растений с клубеньковыми бактериями, использование генной инженерии, а также ряда достижений биохимии и молекулярной биологии будут способствовать распространению процесса азотфиксации на многие сельскохозяйственные культуры.

4.          Расшифровка механизма фиксации азота даст возможность целенаправленно разработать способы воздействия на этот процесс в природе с целью его интенсификации.

4 Перспективная система мероприятий по созданию высокопродуктивных устойчивых агроэкосистем

4.1 Мероприятия по стабилизации ландшафтов и агроландшафтов

Основные положения создания агроландшафтов сформулированы еще В.В. Докучаевым, определившим главные принципы адаптивного природопользования и обосновавшим комплекс агро-гидромелиоративных мероприятий по оптимизации лесостепных ландшафтов.

Важнейшим мероприятием этого комплекса было создание защитных лесонасаждений. Узкие полезащитные полосы могут занимать на равнинах 2,5-4 %, а при пересеченном рельефе – до 5-8 % пашни.

В отличие от утилитарного подхода к полезащитному лесоразведению в основном с точки зрения защиты агроценозов от неблагоприятных природных факторов агроландшафтная ориентация предполагает создание устойчивой агроэкологической обстановки: повышение обводненности территории за счет сокращения поверхностного стока и усиления внутрипочвенного, снижение интенсивности эрозионных процессов, ослабление силы ветра, равномерное снегозадержание, повышение относительной влажности воздуха, защиту орошаемых земель от заболачивания, резервации для птиц, зверей, энтомофагов, создание благоприятных условий для сельскохозяйственных животных (зелёные зонты), озеленение производственных и социально-бытовых объектов, облесение водоёмов.

Главным инструментом формирования агроландшафта является адаптивно-ландшафтная система земледелия, каждый элемент которой несёт соответствующую нагрузку в данном отношении. Те из них, которые приближают агроландшафты по устойчивости к природным и способствуют повышению продуктивности, заслуживают особого внимания. В числе таких приёмов в первую очередь следует отметить мульчирование поверхности почвы растительными остатками. Этот приём в какой-то мере компенсирует экологическую роль лесной подстилки и степного волокна. Значение его особенно велико для предотвращения дефляции, избыточного стока воды, эрозии, чрезмерного испарения влаги, регулирования температурного режима почвы, подавления сорных растений.

Растительная мульча из пожнивных остатков, соломы и т.п. уменьшает разрушение верхнего слоя почвы под влиянием ударов дождевых капель, ветра, размыва, предотвращает заиление пор, образование корки, благодаря чему увеличивается водопроницаемость почвы и уменьшается поверхностный сток.

Мульчирование растительными остатками в условиях умеренного климата создаёт благоприятные условия для развития дождевых червей, поскольку обеспечивает их легкодоступной пищей, защищает от избыточного иссушения, низких температур почвы. Благодаря этому они быстро размножаются и в течение более длительного времени остаются деятельными в почве.

Так как в предложенном по заданию хозяйстве агроландшафт является мало стабильным, поэтому необходимо провести мероприятия по стабилизации агроэкосистем:

1. Посадку многолетних трав;

2. Посадку лесов;

3. Перевод нестабильных агроэкосистем в стабильные.

Таблица 4

Трансформация земельных угодий

Нестабильные элементы: Стабильные элементы:

Пашня 8488 га Сенокосы 478 га

Приусадебные участки 76 га Пастбища 780 га

Дороги 100 га

Пруды и водоёмы-22 Лес 11176 га

Прочие 0 га. Болота 0 га.