CC BY
25
УДК 631.95
DOI 10.24411/0235-2516-2019-10023
ОПЫТ СОЗДАНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ МОДЕЛИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ПОЧВ И ЗЕМЕЛЬ, АДАПТИРОВАННОЙ К ГОРОДСКИМ УСЛОВИЯМ
Т.М. Джанчаров, к.б.н., П.К. Глушков, Н.А. Александров
РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: turmush@inbox.ru
Рассмотрены основные аспекты агроэкологической оценки почв в условиях урбоэкосистем на примере опытных участков Экологического стационара РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. Были определены: динамика агрохимических характеристик за 2017-2018 гг., а также их варьирование в пределах одного участка, выявлено влияние погодных факторов и различных систем питания на урожайность зерновых. В результате исследования удалось снизить диапазон значений ряда параметров внутрипольного варьирования по агрохимическим характеристикам, например, на Южном поле в 2017 г. минимальные значения кислотности локально доходило до 7, а максимальное до 8,35, то в 2018 г. минимальное значение равно 7,4, а максимальное 8. Подобное явление отмечалось и по отношению к другим параметрам, но несмотря на снижение содержания подвижного фосфора, локально фиксируется невысокое антропогенное зафосфачивание участка, что может быть объяснено интенсивным воздействием близкорасположенной урбоэкоси-стемы на резистентность агроценоза. Наблюдения за абиотическими факторами (температурой воздуха и почвы, влажностью) на протяжении всего срока вегетации выявили 14 дней с высокой стрессовой нагрузкой на рост и развитие растений ячменя в мае, а также 15 дней в июне, что негативно сказалось на вегетации культур. Максимум урожайности (2,60 т/га) на Южном поле выявлен у ячменя сорта Владимир (на варианте с применением аммиачной селитрой и биопрепаратом Агринос), наименьший урожай был получен на Центральном участке в варианте с применением аммиачной селитры в совокупности с БисолбиФитом и Экстрасолом (1,94 т/га), что может зависеть от внутрипольного варьирования как агрохимических характеристик, так и от комплексного влияния со стороны урбоэкосистемы.
Ключевые слова, агроэкологическая оценка, зерновые культуры, почвы.
EXPERIENCE OF DATABASE CREATING FOR MODEL OF AUTOMATED SYSTEM OF AGROECOLOGICAL ASSESSMENT OF SOILS AND LANDS, ADAPTED TO URBAN CONDITIONS
Ph.D. T.M. Djancharov, P.K. Glushkov, N.A. Aleksandrov
Russian Timiryazev State Agrarian University (RSAU-MTAA), e-mail: turmush@inbox.ru
Describes the main aspects of the agroecological evaluation of soils in the conditions of urban ecosystems on the example ofpilot plots of Environmental experiment of Russian Timiryazev State Agrarian University (RSAU -MTAA). It was determined: the dynamics of agrochemical characteristics for 2017-2018, as well as their variation within one area, the influence of weather factors and different food systems on grain yield. As a result of the study, it was possible to reduce the range of values of a number of parameters of intra-field variation in agro-chemical characteristics, for example, in the southern field in 2017, the minimum acidity values locally reached 7, and the maximum to 8.35, then in 2018 the minimum value is 7.4, and the maximum 8. A similar phenomenon was noted in relation to other parameters, but despite the decrease in the content of mobile phosphorus, locally recorded low anthropogenic eutrophication of site, which can be explained by the intense impact of a nearby urban ecosystem on the resistance of agrocoenosis. Monitoring of abiotic factors (temperature and soil moisture) throughout the vegetation period revealed 14 days with a high stress load on the growth and development of barley plants in May and 15 days in June, which adversely affected the growing season of crops, high yields (2,60 t/ha) in the southern field identified in barley cultivar Vladimir (in the variant with application of ammonium nitrate and biopreparation Agrinos). The lowest yields were obtained on Central field in the variant with applica-
tion of ammonium nitrate in conjunction with Bisolbifit and Extrasol (1.94 t/ha), what may depend on the internal variation of both agrochemical characteristics and the complex influence from the urban ecosystem. Keywords: agroecological assessment, grain crops, soils.
Близкая к критической ситуация с экологическим состоянием земель обусловливает необходимость активных исследований качества городских и техногенноизмененных почв, решение методических вопросов их оценки и разработку рациональных технологий восстановления приемлемого состояния загрязненных и деградированных земель [1]. Вместе с этим растет понимание особой актуальности региональных и локальных экологических исследований, направленных на снижение экологического риска и повышение экономической эффективности использования земель. Современная система оценки почв, земель и землепользования находится в стадии активного предложения и верификации различных вариантов и технологий, в разной степени принимающих во внимание те или иные функции и качества почв. Это обусловлено как широким спектром прикладных задач, так и высокой сложностью объекта оценки, что подразумевает практически неограниченное число различных функционально-экологических моделей оценки разной степени детализации. Информационно-методическую основу такой оценки составляют: разработки по количественному анализу влияния основных лимитирующих факторов на продукционный процесс и относительную урожайность культур; районированные технологические карты по основным сельскохозяйственным культурам с выделением обязательных и факультативных операций, ранжированием гибких элементов технологии, а также агроэкологические требования районированных культур и сортов [2].
Цель исследования - создание базы данных для последующего применения в модели автоматизированной системы агроэкологической оценки почв и земель, адаптированной к городским условиям.
Объектами исследования послужили почвы полевых участков Экологического стационара РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева на участках более 5 га. Рассматриваемая территория, более 30 лет назад использовалась под пастбище, а затем как залежь. Строительство неподалеку участков создало экологические риски и обустройство территории [3-6]. На участках преобладают урбанизированные агро-дерново-подзолистые легкосуглинистые почвы на двучленных отложениях. Некоторые участки расположены в ложбине, поэтому имеют близкое залегание грунтовых вод и долгое время требовали осушения. Для полевых работ подбирали систему сельскохозяйственных машин, удобрений и технологию рекультивации контуров трансформированных почв [7]. В результате проведенных мероприятий естественный гумусовый горизонт был погре-
бен под минеральной насыпью, а нахождение участков под залежью позволило начать формироваться новым почвам. В итоге на некоторых полевых участках сформировались антропогеннотранс-формированные почвы местами с двумя гумусовыми горизонтами, которые несут в себе следы ранее проведенных сельскохозяйственных работ.
Активные научные исследования на данных участках начали проводить в 2017-2018 гг. В процессе исследования были получены следующие данные внутрипольного варьирования: pH водной и солевой вытяжек; нитратного и аммонийного азота; подвижного фосфора и обменного калия, а также динамика основных элементов питания и содержание некоторых тяжелых металлов. В результате мониторинга посевов ярового ячменя и яровой пшеницы в период вегетации было проведено наблюдение за культурами по современной шкале Цадокса, выявлены стресс-факторы, оценена урожайность по результату опыта с минеральными удобрениями и биопрепаратами. Также были получены данные по эмиссии азота в опытах применением различных видов азотных удобрений.
Территория стационара разделена на четыре поля Южное, Западное, Центральное и Восточное, на которых выращивали яровую пшеницу (Южное и Центральное); ячмень сорт Владимир (Южное); ячмень сорт Нур (Восточное), также в севообороте использовали люпин узколистный (Южное и Центральное) и горчицу белую (Южное и Восточное). Исследовали влияние различных минеральных удобрений (аммиачная селитра, азотно-известняковое и водорастворимые NPK) и биопрепаратов (Экстрасол, Аг-ринос 1, Агринос 2) на зерновые культуры. Выбранная схема опыта согласована со стратегическим партнером МХК «ЕвроХим».
Аммиачная селитра (AN). Основное действующее вещество - азот, формула NH4NO3. Его содержится в составе удобрения от 26% (низкие сорта) до 34,4% (высшие сорта). Вторым макроэлементом классической аммиачной селитры является сера, которой в составе этого удобрения содержится от 3 до 14%. Физиологически это кислое удобрение, которое, в тоже время, не подкисляет почву с нейтральной рН. Гектарная норма варьирует от 100 до 200 кг/га.
Азотно-известняковое удобрение (CAN). Состав: NH4NO3 х CaCO3 х MgCO3, N 26-28%, Ca 4%, Mg 2%. Удобрение имеет нейтральную реакцию и создает оптимальные условия для питания растений азотом в ризосферной зоне. Известково-аммиачная селитра содержит карбонаты кальция и магния, что особенно эффективно при использовании на кислых
почвах, вследствие эффекта нейтрализации присущей для дерново-подзолистых почв выраженной нативной кислотности. Гектарная норма 250 кг/га.
Водорастворимые NPK. За счет листового внесения в растворенной форме элементы больше доступны растениям, применяли в двух концентрациях №К: 13-40-13 и 18-18-18. Гектарная норма 3,5 кг/га.
Биопрепарат Экстрасол применяют при выращивании всех видов сельскохозяйственных культур, в любых климатических условиях как отдельно, так и с минеральными подкормками, стимуляторами, фунгицидами, гербицидами, инсектицидами [8].
Бактерии Экстрасола, поселяясь на корнях растений, синтезируют во время своего роста вещества, которые подавляют развитие патогенных грибов и бактерий - возбудителей болезней. Экстрасол повышает иммунитет растений, защищает их от стрессов, таких как засуха или чрезмерная влажность. Гектарная норма препарата составляет 1 л/га [8].
В одном из вариантов опыта на Центральном участке использовали сухую форму препарата БисолбиФит. Основное отличие от жидкой формы состоит в наличии в составе кремния, а также то, что таким препаратом можно обрабатывать гранулы минеральных удобрений, в нашем конкретном случае - аммиачной селитры [9].
Агринос 1 - концепт применения микробного консорциума для улучшения питания растения. Препарат содержит активные полезные микроорганизмы 10 различных семейств и более 80 штаммов. Причем в его составе имеются как аэробные, так и анаэробные и микроаэрофильные бактерии. Поэтому внесение данного препарата в почву приводит к лучшему усвоению растениями элементов питания, стимулирует корнеобразование, подавляет вредную микрофлору [10]. Гектарная норма составляет 2 л/га.
Препарат Агринос 2 - биостимулятор и анти-стрессант. Помогает растению преодолеть стрессо-
вые ситуации за счет усиления активности метаболических процессов, что повышает его устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды и патогенам. Улучшается общее физиологическое состояние, в том числе активность фотосинтеза, увеличивается накопление сложных и простых са-харидов, усиливаются ростовые процессы. В составе препарата - комплекс биодоступных элементов питания (протеин, легкоусвояемые L-аминокислоты, азот, калий, углерод, магний, медь, железо, хитин и хитозан) [10]. Гектарная норма составляет 2 л/га.
Методы исследования. Наблюдение за культурами включали анализ погодных условий (температура воздуха, температура на поверхности почвы и на глубине 5-10 см, количество осадков, влажности почвы), контроль сорной растительности и сельскохозяйственных вредителей для своевременной обработки ХСЗР, использование современной международной шкалы стадий развития зерновых колосовых культур Цадокса (рис. 1), а также отбор и анализ растительной биомассы на каждой из стадий фенофазы. Главным достоинством шкалы Цадокса является как возможность отслеживать фенофазы по широко представленным стадиям, так и по количеству дней с момента посева.
Шкала включает в себя четыре основные стадии развития зерновых: кущение, выход в трубку, колошение-цветение и созревание. Внутри данной «словесной» шкалы отображается еще двенадцать подста-дий. Этим же подстадиям соответствует непосредственно цифровая шкала (количество дней с момента посева до наступления соответствующей стадии).
По достижении определенной вегетационной стадии по шкале Цадокса для более точного контроля развития культур проводился отбор биомассы в фазы кущения, выхода в трубку и колошения. Первые три отбора проводили с учетной площадки
48 51-69 в1-60 71-92 Цифровая шкала (Цадокса)
Рис. 1. Международная шкала стадий развития зерновых колосовых культур Цадокса
0,5 х 0,5 м по 5 проб с культуры, затем отборы делали с учетной площадки 0,25 х 0,25 м, такое изменение было связано с решением сократить площадь выбраковки. Отбор проводили по краям делянок, чтобы не повреждать посевы. Учет биомассы проводили как с корневой системой, так и без нее.
Каждый отбор сопровождался географической привязкой Stonex X9 GNSS III, после чего были составлены карты с точками отбора, а при помощи программного обеспечения Surfer 15 были составлены картосхемы внутрипольного варьирования агрохимических параметров (рис. 3).
Агрохимические показатели почвы включали: обменный калий по Чирикову (ГОСТ 26204-91); обменный аммоний (ГОСТ 26489-85); нитратный азот
(ГОСТ 26488-85); подвижный фосфор по Чирикову (ГОСТ 26204-91); pHн2o (ГОСТ 26423-85); ТМ (№, Zn, Cu).
Южное поле выделяется на фоне остальных практически по всем показателям. Так, pHкa составлял 7,4 в 2017 г. и 7,15 в 2018 г., в то время как на Центральном и Восточном соответственно 6,5 и 6,7. Отмечено заметное увеличение аммонийного азота по сравнению с 2017 г., что объясняется внесением 200 кг/га аммиачной селитры. По содержанию обменного калия существенных различий не выявлено. В 2018 г. снизился диапазон содержания подвижного фосфора, также можно отметить его достаточно высокое количество, что свидетельствует об антропогенном зафосфачивании почв (рис. 2).
1000,0
- 600,0 <л
О 400,0
С-
«*-»Р205 2017 *»Р205 2018 —Линейная (Р205 2017) —Линейная (Р205 2018)
Точки отбора
Рис. 2. Динамика показателей обменного калия, аммонийного азота и подвижного фосфора за период 2017-2018 гг. на Южном поле Экологического стационара, мг/кг
В современном землепользовании имеет большое значение учет внутрипольного варьирования почвенных характеристик: рельеф местности, характер склонов, структура почвенного покрова, рН, аммиачный и нитратный азот, обменный калий, подвижный фосфор, содержание различных микроэлементов и тяжелых металлов, локальное переуплотнение участка и т.д. В данном конкретном случае рассмотрим внутрипольное варьирование почвенной кислотности (pHн2o) Южного поля.
На рисунке 3 можно заметить, что в среднем рН остался таким же (около 7,5 единиц), однако стоит отметить снижение диапазона величин. То есть, если в 2017 г. минимальные значения кислотности локально доходил до 7, а максимальное до 8,35, то в 2018 г. минимальное значение равно 7,4, а максимальное 8. Также отмечается снижение количества участков с локальным отклонением по сравнению с 2017 г.
Западное поле в наибольшей степени было подвержено антропогенной нагрузке вследствие проводимых мелиоративных работ, поэтому были определены валовые содержания трех тяжелых металлов (свинец, медь, цинк) первого и второго классов опасности. Результаты были сопоставлены с существующими нормативами ПДК почв (табл. 1).
Можно отметить, что валовое содержание исследуемых тяжелых металлов крайне низкое по сравнению с ПДК, однако необходимо исследовать еще ряд элементов, чтобы дать точную оценку экологическому состоянию почв. Динамика агрохимических показателей на Центральном и Восточном участках представлена в таблице 2.
В процессе мониторинга были выявлены серьезные различия между прогнозом вегетации по шкале Цадокса и реальными стадиями онтогенеза. На начальных этапах отставание доходило до 15 дней. Причина таких различий связана с погодными явлениями. Май, а также первая декада июня характеризовались наименьшими средними температурами (рис. 4) и наименьшими температурами воздуха и почвы, из чего произошло 15 дней отставания начала стадии кущения. Связано это не только с температурами, но и с малым количеством влаги, так как в третью декаду мая осадков было настолько мало, что их невозможно было зарегистрировать (рис. 5). В июне негативная тенденция сохраняется, что связано с резкими перепадами температур в течение суток. Июль выдался наиболее благоприятным, в нем практически отсутствовали стрессовые дни, сам месяц был достаточно теплым. Это
1. Валовое содержание тяжелых металлов в почвах
Элемент Номер образца ПДК
1 2 3 4 5 6
Pb 1,32 1,72 1,91 2,07 1,85 1,67 32
0,40 0,41 0,42 0,42 0,44 0,43 33
Zn 0,263 0,206 0,148 0,197 0,251 0,145 55
Рис. 3. Фрагмент картосхемы Южного поля Экологического стационара внутрипольного варьирования рНн2о: вверху — за 2017 г., внизу — за 2018 г.
2. Динамика агрохимических показателей Центрального и Восточного полей Экологического стационара
Показатель 2017 г. 2018 г.
Центральное поле
pHкcl 5,9 5,8
N-N63, мг/кг 24,5 10,7
N-^4, мг/кг 36,9 111,9
К20, мг/кг 129,1 Не определено
Р205, мг/кг 99,4 38,2
Восточное поле
рНка 5,76 5,7
N-N03, мг/кг 22,6 5,7
№ЫН4, мг/кг 32,5 93,2
К20, мг/кг 147,43 Не определено
Р205, мг/кг 103,71 183,3
серьезно сказалось на развитии культур, потому что именно в этот период отставание от развития по шкале Цадокса не просто сократилось, а вовсе
опередило сроки. Однако обильное количество осадков за вторую декаду июля в стадии цветения -начало молочной спелости крайне негативно сказалось на качестве зерна (рис. 5).
Итоговая урожайность по полевым участкам в силу погодных стресс-факторов получилась достаточно неоднозначной. Так, урожайность ячменя Владимир на Южном поле (табл. 3) на всех вариантах превышают урожайность пшеницы. К тому же существенно отличается по урожайности пшеницы только вариант 4 (аммиачная селитра + NPK + Аг-ринос), где было получено 2,27 т/га. Наиболее продуктивным оказался вариант 3 (аммиачная селитра + Агринос), где было получено 2,60 т/га, а в контроле с аммиачной селитрой был получен наименьший урожай ячменя 2,24 т/га.
Большая урожайность ячменя по сравнению с пшеницей объясняется более высокой отзывчивостью ячменя на применение удобрений, в частности
Рис. 4. Средние подекадные температуры воздуха за вегетационный период (2018 г.)
Рис. 5. Подекадные суммы атмосферных осадков за вегетационный период (2018 г.)
3. Урожайность зерновых на Южном поле Экологического стационара, т/га
Культура Вариант 1 AN Вариант 2 CAN Вариант 3 AN + Агринос Вариант 4 AN + NPK + Агринос
Яровая пшеница сорт Любава 1,94 1,87 1,90 2,27
Ячмень сорт Владимир 2,24 2,39 2,60 2,44
4. Урожайность яровой пшеницы на Центральном поле
Культура Вариант 1 AN Вариант 2 AN + Агринос A Вариант 3 lN + Бисобифит + Экстрасол
Яровая пшеница сорт Любава 2,07 2,04 1,94
в частности, азотных. Особенно это заметно на вариантах с комплексным применением удобрения и препарата Агринос (2,6 и 2,44 т/га соответственно).
На Центральном поле наибольшая (2,07 т/га) урожайность пшеницы была получена с варианта 1 (аммиачная селитра), что на 0,03 т больше, чем с варианта 2 и на 0,13 т больше, чем с варианта 3 (табл. 4). Такие результаты могут быть связаны как со стресс-факторами, так и с внутрипольным варьированием почвенных характеристик. Восточное поле было одним из наиболее проблемных участков. В 2017 г. на нем был проведен пробный посев сидеральной культуры горчицы белой для улучшения почвенных свойств. Так как год был достаточно влажным и произошло вымокание большей части посева, было принято решение в 2018 г. провести дополнительные мелиоративные мероприятия для решения данной проблемы.
Таким образом, в результате исследования удалось снизить диапазон значений ряда параметров внутрипольного варьирования по агрохимическим характеристикам. Благодаря мониторингу культур по шкале Цадокса, было отмечено заметное влияние абиотических факторов на развитие растений. Так, в мае отставание вегетации от средних модельных значений составило порядка 15 дней (в третьей декаде мая отсутствие осадков), в июне
сократилось до трех дней, а в июле, за счет выпавшего достаточного количества осадков (41 мм во второй декаде месяца) и оптимальных температур (свыше 20°С со второй декады июля), культуры и вовсе опередили средний статистический график роста и развития растений на 8 дней. Максимум урожайности (2,60 т/га) на Южном поле выявлен у ячменя на варианте с аммиачной селитрой и биопрепаратом Аг-ринос, лучший результат урожайности пшеницы (2,27 т/га) получен на варианте с аммиачной селитрой, препаратом Аг-ринос и с обработкой водорастворимыми К, на остальных вариантах существенных различий не наблюдается. На Центральном участке значимая разница между первым и вторым вариантами не отмечена, однако наименьший урожай получен в варианте с применением аммиачной селитры в совокупности с БисолбиФи-том и Экстрасолом (1,94 т/га), что может зависеть от внутрипольного варьирования как агрохимических характеристик, так и от комплексного влияния со стороны урбоэкоси-стемы.
Литература
1. Черников В.А., Алексахин Р.М., Голубев А.В. и др. Агроэкология: под ред. Черникова В.А., Чекереса А.И. -М.: Колос, 2000. - 536 с.
2. Черногоров А.Л., Чекмарев П.А., Васенев И.И., Гогмачадзе Г.Д. Агроэкологическая оценка земель и оптимизация землепользования. - М.: Издательство Московского университета, 2012. - 268 с.
3. Яшин И.М., Когут Л.П., Прохоров И.С., Васенев И.И. Экологическое состояние почв в условиях полевых и лесопарковых экосистем Московского мегаполиса // Агрохимический вестник, 2014, № 2. - С. 17-21.
4. Прохоров И.С. Оценка воздействия городской инфраструктуры и строительства на почвы. - М.: ООО «Сам Полиграфист», 2015. - 120 с.
5. Прохоров И.С. О контроле за состоянием почвенного покрова в городе Москве и методах восстановления городских почв / сборник материалов Московской международной летней экологической школы M0SES-2015 «Экологический мониторинг, моделирование и проектирование в условиях природных, городских и агроэкосистем» (г. Москва, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 1-11 июля 2015 г.). - М.: ООО «Скрипта манент», 2015. - С. 157-163.
6. Яшин И.М., Васенев И.И., Белопухов С.Л. Путеводитель научных почвенно-экологических экскурсий в лесных и аграрных ландшафтах ЦЛГПБЗ и мегаполиса Москвы. Коллективная монография. - М.: РГАУ-МСХА, 2018. - 128 с.
7. Прохоров И.С. Система управления качеством городских почв и выбор методов восстановления их экологических функций / Эволюция и деградация почвенного покрова: сборник научных статей по материалам IV Международной научной конференции (г. Ставрополь, 13-15 октября 2015 г.). - Ставрополь: Агрус, 2015. - С. 115-120.
8. https://agroserver.rU/b/ekstrasol-mikrobiologicheskiy-preparat-kompleksnogo-deystviya-308421.html.
9. http://fialka.tomsk.ru/forum/viewtopic.php?t=36042.
10. http://agropromyug.com/evrokhim/115-agrinos-1-i-agrinos-2-unikalnye-vysokoeffektivnye-biopreparaty.html.
