Прогнозная оценка состояния агроландшафта, процессов почвообразования и плодородия почв, пути их оптимизации на примере сельскохозяйственных предприятий Еткульского района Челябинской области

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный аграрный университет»

(ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ)

Институт агроинженерии

Факультет Заочного обучения

Кафедра Тракторы, сельскохозяйственные машины и земледелие

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему

Прогнозная оценка состояния агроландшафта, процессов почвообразования и плодородия почв, пути их оптимизации на примере сельскохозяйственных предприятий Еткульского района Челябинской области

по направлению подготовки - 35.04.03 Агрохимия и агропочвоведение

Обучающийся Ахмедьянов И.М.

Руководитель В.Н. Косова

доцент, к.с.-х.н.

2018

Исходные данные к работе

Таблица 1 - Структура земель сельскохозяйственных предприятий Еткульского района Челябинской области, га

Наименование землепользователей	Общая площадь	Всего сельхоз угодий	Пашня	Сенокосов	Пастбища	Лесов	Кустарников	Болот	Под водой	Прочих земель
ТОО «Каратобанское»	23218	14282	11344	6	2923	3959	138	1835	2495	149
ТОО «Красногорское»	3382	2347	1550	413	380	205	133	25	86	242
АОЗТ «Еткульское»	19024	13251	10429	39	2783	2945	234	1374	873	48
ТОО «Белоносовское»	14639	11614	8835	-	2779	1240	42	641	785	-

Дата выдачи задания «___» __________ 2018г.

Введение

Хозяйственная деятельность человека в настоящее время достигла той границы, за которой деградация природной среды может принять необратимый характер. Такое положение характеризуется как экологический кризис, вызванный нарушением взаимосвязей в экологических системах, в частности, в системе «человек-природа», в результате непродуманной хозяйственной деятельности. Наиболее существенные изменения природной среды связаны с агропромышленным производством, которое сопровождается нарушением естественных биологического и геологического круговоротов вещества и энергии, уменьшением биологического разнообразия, изменением структуры и основных свойств природных ландшафтов, загрязнением и нарушением процессов воспроизводства возобновляемых ресурсов. Сельскохозяйственное производство в своем стремлении взять от природных ресурсов как можно больше, все сильнее вторгается в исторически сложившееся экологическое равновесие в природе.

Основными факторами, определяющими состояние с/х угодий, являются: подкисление почв, дефицит элементов минерального питания, водная и ветровая эрозия, техногенное загрязнение почв, сработка запасов гумуса. При этом, состояние существующих орошаемых и осушаемых угодий существенно хуже по сравнению с богарными, что связано с усилением вымывания питательных веществ из почв в результате увеличения промывного режима, изменением условий почвообразования, загрязнением поверхностных и грунтовых вод в связи с усилением геологического круговорота воды и химических веществ [1].

Цель курсовой работы - дать комплексную оценку экологической устойчивости агроландшафтов, составить прогнозную оценку их состояния, процессов почвообразования и плодородия почв на примере сельскохозяйственных предприятий Еткульского района Челябинской области.

Задачи:

1. Описать агроклиматические и почвенные ресурсы Еткульского района Челябинской области;

2. Провести оценку экологической устойчивости агроландшафтов;

3. Разработать рекомендации по повышению устойчивости агроландшафтов;

4. Провести оценку состояния гумусо-аккумулятивного процесса почвообразования; почвенный агроландшафт почвообразование

5. Описать роль основного и сопутствующих процессов в почвообразовании.

6. Описать продукционный процесс.

Научные исследования и практика показывают, что полная освоенность территории приводит к уменьшению производства полезной продукции, которая составляет в этом случае 26% от возможного максимума. Её максимум достигается при определённой степени освоенности естественных экосистем. Сокращение природных экосистем и повышение сверх допустимого уровня антропогенной нагрузки приводит к возникновению серьёзных экологических проблем [2].

Комплексная оценка экологической устойчивости агроландшафтов, прогнозная оценка их состояния, процессов почвообразования и плодородия почв будет проводится на примере сельскохозяйственных предприятий Екульского района Челябинской области:

ТОО «Каратобанское»;

ТОО «Красногорское»;

АОЗТ «Еткульское»;

ТОО «Белоносовское».

1.Характеристика агроэкологических и почвенных условий Еткульского района

Климат

Южная лесостепная подзона - характеризуется большим количеством тепла. Сумма активных температур, превышающих 100С, составляет 2400-25000С. Этот температурный уровень наступает 5-8 мая и заканчивается 19-20 сентября, то есть продолжается 130-135 дней. Но заморозки весной прекращаются только после 20 мая, а осенью наблюдается уже в третьей декаде августа, поэтому безморозный период составляет 100-110 дней. Несмотря на это, температурный режим позволяет выращивать не только традиционные зерновые, но и некоторые теплолюбивые культуры.

По количеству атмосферных осадков южная лесостепь характеризуется значительной засушливостью. Здесь за год выпадает 350-400 мм, в том числе за вегетационный период 175-200 мм. Гидрометеорологический коэффициент колеблется в пределах 0,8-1,2. Запасы влаги в предпосевной период бывают недостаточные - 115-135 мм в метровом слое, или 45-60% от потребности сельскохозяйственных культур. Засуха и суховеи в районах южной лесостепи бывают практически ежегодно. Наиболее засушливый месяц - июнь. В этих условиях эффективное ведение сельского хозяйства возможно только при применении агротехнических приемов по накоплению, сохранению и экономичному использованию влаги.

Снежный покров на юге лесостепи формируется в середине ноября, сохраняется до 140-150 дней и достигает высоты 20-30 см. Однако нарастает он медленно. В начале декабря имеет мощность 10 см, в январе - 15-20 см и только к концу февраля - 30 см. при сильных морозах ( в январе до -44…-480С) почва промерзает до 200 см и более, а весной оттаивает только в третьей декаде мая.

Природные условия южной лесостепи менее благоприятны для земледелия. Четко проявляется дефицит влаги. Ветровая эрозия в самой южной части подзоны достигает 17-22 дней, поэтому 56,7% пахотных земель здесь подвержены эрозии.

Таким образом, климатические и погодные условия южной лесостепи создают определенный риск в земледелии из-за переодически повторяющихся засух. В то же время обеспеченность теплом дает возможность производить зерно с высокими хлебопекарными качествами.

Рельеф

Характерной особенностью рельефа плоских водоразделов являются округлые, так называемые блюдца (западины), которые представляют собой неглубокие (от 0,3 до 2,0 м) понижения диаметром несколько десятков метров. Западины зачастую непригодны для распашки и этим самым снижают хозяйственную ценность земель. Район полу засушливый.

Большая часть территории в орографическом отношении благоприятна для промышленного и гражданского строительства, механизированного ведения сельского хозяйства.

Гидрографическая сеть района развита слабо и представлена, в основном, рекой Уй и озерами. Район входит в зону недостаточного водообеспечения.

Растительность

Растительный покров района представлен сочетанием березовых и осиново-березовых колков, островных сосновых боров с участками остепненных и мезофитных лугов, луговых и петрофитных степей. Сложный расчлененный рельеф способствует значительной пестроте растительного покрова. В кустарниковом ярусе колковых лесов доминируют вишня степная, кизильник черноплодный, ракитник русский. В травянистом покрове часто преобладают вейник наземный, вейник тростниковидный, жабрица порезниковая, коротконожка перистая, костяника, овсяница красная, осока ранняя и др. На побережьях многочисленных озер, нередко заболачивающихся, распространены тростниковые заросли, окаймленные осоковыми кочкарниками и ивняками, заболоченными и солонцеватыми лугами. Изредка встречаются олиготрофные сфагновые болота с комплексом бореальных болотных видов. Характерный элемент растительности лесостепной зоны - островные сосновые боры на выходах гранитов, занимающие значительные площади.

Почвенный покров

Для южной лесостепной зоны характерны черноземы выщелоченные и обыкновенные. Преобладающими почвами южной степной зоны являются обыкновенные черноземы, выщелоченные черноземы и южные черноземы. Черноземные почвы являются наиболее плодородными пахотными почвами области. Они способны обеспечить высокий урожай картофеля хорошего качества.

Черноземы выщелоченные относятся к лучшим пахотным почвам, распространены повсеместно на хорошо дренированных участках. Имеют достаточно мощный гумусовый горизонт, благоприятную реакцию почвенного раствора. По содержанию гумуса подразделяются на малогумусные (менее 6%), среднегумусные (от 6 до 9%) и тучные (более 9%). По мощности гумусовых горизонтов представлены очень маломощными (менее 25 см), маломощными (25...40 см) и среднемощными (41...60 см). Почвы характеризуются высокой насыщенностью основаниями, значительным содержанием обменного калия, но малыми запасами подвижного фосфора. Имеют комковатую структуру гумусовых горизонтов, в значительной мере утраченную на пашне. Черноземы обыкновенные занимают относительно спокойные элементы рельефа, формируются на карбонатных породах, характеризуются наличием карбонатных включений в нижней части гумусового горизонта, а почвы карбонатного рода - по всему профилю. Это обстоятельство приводит к некоторой законсервированности питательных веществ в почвах, слабой их подвижности. В то же время богатые карбонатами почвы менее устойчивы к ветровой эрозии. Содержание гумуса в верхних горизонтах варьирует от 4,9 до 9,8%, мощность гумусовых горизонтов преимущественно 30...40 см. Менее распространены черноземы с укороченной мощностью гумусовых горизонтов (20...25 см) и среднемощные черноземы (от 40 до 60 см). Особенностью солонцеватого рода обыкновенных черноземов является повышенное (от 5 до 20%) содержание поглощенного натрия в составе обменных оснований, чем обусловлены неблагоприятные физико-химические свойства этих почв. 

2. Оценка экологической устойчивости агроландшафтов

Агроландшафт - природно-территориальный комплекс, естественная растительность которого на подавляющей его части заменена агроценозами. Он характеризуется экологической неустойчивостью. Равновесное состояние агроландшафта поддерживается системой агрономических, мелиоративных и экологических мероприятий. При анализе состояния агроландшафтов необходимо учитывать крутизну, длину, форму и экспозицию склонов, размер контуров, гидрологический режим, тип, разновидность и степень смытости почвы, удаленность от хозяйственных центров и водоисточников, влияние несельскохозяйственных угодий, наличие мелиоративных систем и подъездных путей.

Агроландшафт - антропогенный ландшафт, с преобладанием в их биотической части сообществ живых организмов, искусственно сформированных человеком (антропобиоценозов) и заменивших естественные фито- и зооценозы на большей части территории.

Многообразие и сложность почвенного покрова, его особое место в природе и агропромышленном комплексе требуют комплексной агроэкологической оценки и группировки для рационального использования земель.

Агроэкологическая группировка земель - условное объединение земель в категории, группы, отражающие их свойства и качество, для конкретного совместного пользования с учетом природно-экологических и социально-экономических условий.

Основой экологической оценки агроландшафта служит оценка устойчивости современного ландшафта и его оптимизация.

Под оптимальным ландшафтом понимают такой ландшафт, структура и функции которого максимально соответствуют возможностям и потребностям нормального сбалансированного развития отдельных его компонентов или определённым целям его использования.

Оптимизация ландшафта - комплекс мероприятий по сохранению или модификации существующих, или формированию новых связей между различными составляющими ландшафта в целях его рационального использования, сохранения полезных свойств, предупреждения их возможной утраты, установление максимально полного соответствия природного потенциала ландшафта социально-экономическим функциям задаваемых ему человеком.

Оптимизация природной среды - это поиск сбалансированного соотношения между эксплуатацией экосистем (рациональным использованием естественных ресурсов), их охраной и целенаправленным преобразованием. Но деятельность человека приводит к значительным и устойчивым изменениям природной среды.

При оценке агроландшафта должны учитываться следующие характеристики:

- геологическое строение территории и геологические процессы;

- рельеф и современные геоморфологические процессы (эрозия, суффозия, оползни и др.);

- составляющие почвенного покрова;

- агроклиматические и агрометеорологические условия;

- водный баланс;

- состояние растительности и животного мира [6].

Оценка экологической устойчивости агроландшафтов с использованием КЭСЛ

КЭСЛ интегрирует качественные и количественные характеристики абиотических (метод 1) и биотических (метод 2) элементов ландшафта.

Абиотический метод основан на определении и сопоставлении площадей, занятых различными элементами ландшафта, с учетом их положительного или отрицательного воздействия на окружающую природную среду по формуле (1):

, (1)

где - площадь, занятая стабильными элементами ландшафта - сельскохозяйственными культурами и растительными сообществами, оказывающими положительное влияние на него (лес, зеленые насаждения, заповедники, заказники, луга, пахотные земли под многолетними культурами);

- площадь, занятая нестабильными элементами ландшафта (ежегодно обрабатываемые пашни, склоны, площадь под застройками и дорогами, зарастающие водоемы, места добычи полезных ископаемых и т.д.) [7].

Оценка устойчивости ландшафта проводится по следующей шкале:

	Характеристика ландшафта
<0,5	нестабильность хорошо выражена
0,51...1,00	состояние нестабильное
1,01...3,00	состояние условно стабильное
>3,00	стабильность хорошо выражена

Биотический метод. Биотические элементы ландшафта оказывают неодинаковое влияние на его стабильность. Для оценки необходимо учитывать не только их площади, но и внутренние свойства, а также качественное состояние (влажность биотопа, структура биомассы, геологическое строение, местоположение и т.д.).

Расчет проводят по формуле (2):

, (2)

где - площадь биотического элемента, га;

- коэффициент, характеризующий экологическое значение отдельных биотических компонентов (площадь застройки - 0; пашня - 0,14; виноградник - 0,29; хвойные леса - 0,38; сады, лесополосы - 0,43; огороды - 0,5; сенокосы, луга - 0,62; хвойно-широколиственные леса - 0,63; пастбища - 0,68; водоемы - 0,79; лиственные леса - 1,0);

- коэффициент геолого-морфологической устойчивости рельефа (1,0 - стабильный; 0,7 - нестабильный, например, рельеф песков, склонов, оползней);

- площадь всей территории ландшафта, га.

Оценку ландшафта проводят по следующей шкале:

	Характеристика ландшафта
<0,33	нестабильный
0,34... 0,50	малостабильный
0,51... 0,66	среднестабильный
>0,66	стабильный

Расчеты KЭCJI1 и КЭСЛ2 дают основную информацию о степени экологической устойчивости исследуемого ландшафта, необходимую для выбора соответствующих мероприятий по его защите и переформированию.

По исходным данным из таблицы 1 рассчитаем коэффициент экологической стабилизации для хозяйств Еткульского района. Все расчёты представлены в Приложении А. Экологическая оценка агроландшафтов сельскохозяйственных предприятий Еткульского района Челябинской области представлена в таблице 2.

Таблица 2 - Экологическая оценка агроландшафтов хозяйств Еткульского района

Наименование землепользователей	Оценка агроландшафта	Характеристика агроландшафта
ТОО «Каратобанское»	0,99	0,49	состояние нестабильное	малостабильный
ТОО «Красногорское»	0,69	0,32	состояние нестабильное	нестабильный
АОЗТ «Еткульское»	0,79	0,43	состояние нестабильное	малостабильный
ТОО «Белоносовское»	0,62	0,38	состояние нестабильное	малостабильный
Средняя по району	0,77	0,405	состояние нестабильное	малостабильный

Коэффициент экологической стабилизации агроландшафтов, рассчитанный по абиотическому методу, составил: от 0,62 до 0,99 что характеризует нестабильность агроландшафа по всем хозяйствам в Еткульского районе Челябинской области. Рассчитанный по биотическому методу коэффициент экологической стабилизации варьирует в пределах 0,32 до 0,49 что характеризует малостабильный агроландшафт по всему району.

Данная ситуация по Еткульскому району связана, во-первых, с большой долей распаханной площади и, во-вторых, с малой площадью сенокосов и пастбищ в структуре сельскохозяйственных угодий.

Оценка степени антропогенного воздействия

Степень антропогенного воздействия на земельные ресурсы определяется с помощью 5-балльной шкалы, которая представлена в таблице 3.

Таблица 3 - Оценка степени антропогенного воздействия

Степень воздействия	Оценка, в баллах	Группа земель
Высшая	5	Земли промышленности и инфраструктуры
Значительная	4	Пашня, многолетние насаждения
Средняя	3	Культурные и улучшенные кормовые угодья
Незначительная	2	Естественные кормовые угодья
Низшая	1	Земли естественных урочищ

Эколого-хозяйственное состояние земель характеризуется коэффициентом относительной напряженности (3):

Кн =	F1-2	,	(3)
	F4-5

где - площади земель с баллом 1 и 2 (га);

- площади земель с баллом 4 и 5 (га).

Если ? 1, то территория сбалансирована по степени антропогенного воздействия на земельный фонд и природной защищенности.

При < 1 территория является экологически опасной, потому что значительная распаханность и земли промышленности служат дестабилизирующим фактором в экосистеме. В этом случае следует принимать меры по сокращению площадей этих земель, то есть разрабатывать принципы оптимизации структуры угодий в ландшафте.

Суммарную площадь земель экологического фонда (Fэф), с учетом антропогенного воздействия на отдельные категории земель, определить по формуле (4):

Fэф = 0,6 F3 + 0,8 F2 + F1 (4)

где , , - площади земель с различным антропогенным воздействием (га).

Коэффициент экологической защищенности Кэз рассчитать по выражению (5):

Кэз = Fэф / F (5)

где F - общая площадь территории (га) [8].

Оценка степени воздействия антропогенной деятельности на земельные ресурсы сельскохозяйственных предприятий Еткульского района Челябинской области представлена в таблицу 4.

Таблица 4 - Оценка степени воздействия антропогенной деятельности на земельные ресурсы сельскохозяйственных предприятий Еткульского района Челябинской области

Наименование хозяйства	Кн	Fэф	Кэз
ТОО «Каратобанское»	0,99	10770,2	0,46
ТОО «Красногорское»	0,48	1083,4	0,32
АОЗТ «Еткульское»	0,79	7683,6	0,40
ТОО «Белоносовское»	0,62	4931,2	0,34
Средняя по району	0,72	6117,1	0,38

Как видно из данных таблицы 4, у хозяйств Еткульского района коэффициент относительной напряженности меньше 1, то есть территория является экологически опасной, потому что значительная распаханность и земли промышленности служат дестабилизирующим фактором в экосистеме. Суммарная площадь земель экологического фонда с учетом антропогенного воздействия составила: ТОО «Каратобанское» - 1077,2 га, ТОО «Красногорское» - 1083,4 га, АОЗТ «Еткульское» - 7683,6 га, ТОО «Белоносовское» - 4931,2 га, а средняя по Еткульскому району 6117,1 га.

Рассчитав коэффициент экологической защищенности, можно сделать вывод о том, что агроландшафты всех хозяйств Еткульского района имеют низкую степень защищённости. Наибольший коэффициент экологической защищённости составил 0,46 ед. в ТОО «Каратобанское», наименьший в 0,32 ед. в ТОО «Красногорское», а средняя по району составило 0,37 ед.

Проведя экологическую оценку агроландшафтов Еткульского района, можно сделать вывод о значении агроклиматической зональности и рационального подхода оптимизации структур сельскохозяйственных угодий в оценке степени их экологической устойчивости.

Таким образом, при рассмотрении условий оптимизации ландшафтов интерес представляет соотношение площадей естественных и преобразованных экосистем. Согласно Н. Реймерсу экологическое равновесие наблюдается, когда процентное соотношение между ними составляет 60:40.

Расчеты этих коэффициентов дают основную информацию о степени экологической устойчивости исследуемого агроландшафта, необходимую для выбора соответствующих мероприятий по его защите и переформированию.

В качестве путей повышения устойчивости агроландшафтов можно предложить следующие мероприятия:

1) планирование рационального размещения сельскохозяйственных культур в системе севооборотов с учетом почвенного плодородия, биологических особенностей возделываемых культур;

2) дополнительная экологизация агроландшафтов: закладка лесополос, создание агростепей и др.;

3) выявление естественных экосистем, составляющих основу каркаса наивысшей степени устойчивости (остатки лесов, целины и др.);

4) сохранение сложной системы, включающей строгое соблюдение технологии обработки почвы, применение рациональной системы сельскохозяйственных машин, схем севооборотов, оптимальных сроков и способов посева.

5) использование современных агротехнологий позволяющий сохранять почвенный покров в неизменном виде, т.е. применение системы минимальной обработки почвы или же No-Til.

3. Оценка состояния гумусо-аккумулятивного процесса почвообразования

Современные представления о происхождении черноземных почв сложились на основании трудов В.В. Докучаева, В.Р. Вильямса, П.А. Костычева и других исследователей.

Черноземные почвы формируются под травянистой лугово-степной растительностью в условиях непромывного или периодически промывного водного режима. Ведущим почвообразовательным процессом при формировании черноземов является дерновый процесс, обуславливающий развитие мощного гумусово-аккумулятивного горизонта, накопление элементов питания растений и формирование водопрочной структуры [9].

В основе антропогенной изменчивости почв лежит нарушение квазиравновесного состояния между факторами почвообразования и процессами, составляющими суть почвообразования. Хозяйственная деятельность человека по своему влиянию неодинаково воздействует на основные факторы-почвообразователи. Чаще всего она фиксируется на почвенном климате и биоте, при этом не исключается прямое или опосредованное влияние антропогенеза на другие факторы. Учитывая, что все они равнозначны по своему влиянию на формирование почвенного тела, на что неоднократно указывал в своих работах В.В. Докучаев, все же следует иметь в виду, что в конкретных экологических условиях тот или иной фактор может иметь приоритетное значение среди остальных. При этом, чаще всего, основополагающая, ведущая роль в конкретном почвообразовании отводится гидротермическим условиям и живой части почвы. Нарушая и изменяя базовые факторы почвообразования, человек своей производственной деятельностью изменяет ход и направление почвенных процессов, результаты которых отражаются в глубокой трансформации свойств почв. Правомерность высказанных положений достаточно убедительно подтверждается результатами исследований трансформации гумусового профиля черноземов при их сельскохозяйственном использовании. Смена естественной растительности монокультурой приводит, с одной стороны, к снижению поступления органического материала в почву, с другой, - к относительному выравниванию его количества в ряду рассматриваемых подтипов. Вместе с этим отмеченная смена растительности приводит, как известно, к изменению водного режима черноземов в сторону гумидизации. Таким образом, снижение поступления количества растительных остатков в почву при усилении увлажнения как бы сдвигает процесс черноземообразования в рассматриваемом ряду подтипов в гумидную сторону (северных подтипов). Однако, если учесть, что указанные изменения не столь велики по сравнению с таковыми на подтиповом уровне, то следует ожидать неадекватности изменений гумусового профиля в результате антропогенного воздействия. Как известно, гумусовый профиль черноземов формируется при трансформации органического вещества растительных остатков. Соответственно, максимум гумуса приурочен к зонам максимального содержания растительных остатков и наибольшей интенсивности микробиологической деятельности, обусловливающей их гумификацию. В целинных черноземах расположение этих двух зон совпадает и всегда приурочено к верхней (0-5 см) толще. Это обусловливает абсолютный максимум содержания гумуса в этой толще, ниже которой происходит резкое снижение его количества, но в значительно меньшей степени, чем снижение биомассы корней с глубиной. Последнее указывает на наличие процесса перераспределения органического вещества в профиле черноземов. Максимум корневой биомассы в почвах пашни перемещается в слой 5-10 см на глубину заделки семян, а зона максимально возможной микробной деятельности, по-прежнему, остается в поверхностном слое. Наряду с этим в пахотных почвах в результате изменения их водного режима возрастает интенсивность миграционных процессов. Несовпадение зон максимального накопления растительных остатков и микробиологической деятельности приводит к усилению процесса минерализации собственно гумусовых веществ в верхнем 0-5 см слое. Более того, он провоцируется ежегодной перепашкой почвы с оборотом пласта, при котором энергетический материал для микробиологической деятельности пополняется не в виде растительного опада, как в целинных черноземах, а в форме вновь образованных гумусовых веществ [10].

Из вышесказанного следует, что в пахотных черноземах процессы, обусловливающие формирование гумусового профиля, сохраняются, но интенсивность их меняется. Гумусообразование ослабевает в результате снижения количества растительных остатков, поступающих в почву, а также интенсивной микробиологической деятельности. Также с одной стороны, в пахотных черноземах в верхней части почвенной толщи процесс гумусонакопления протекает более медленно, а минерализация вновь образованного гумуса идет более быстро. С другой стороны, увеличение степени антропогенного воздействия, в частности перепашка почвы, приводит к нарушению единого процесса гумусообразования и перераспределения гумуса в верхнем почвенном горизонте.

4. Роль основного и сопутствующих процессов в почвообразовании

Почвообразование - сложный комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных химических, физических, биологических явлений и процессов превращения и перемещения веществ, и энергии.

Все многообразие почв в природе - результат длительного естественного развития основных почвообразовательных процессов - типов почвообразования, и прежде всего подзолистого, дернового, болотного, солонцового.

Основным почвообразующим процессом в северной лесостепной зоне является дерновый тип почвообразования, входящий в группу биогенно-аккумулятивных элементарных почвенных процессов. Это группа процессов, протекающих в почве под влиянием живых организмов, при участии продуктов их жизнедеятельности и посмертных остатков. При этом в профиле почв образуются биогенные органо-аккумулятивные поверхностные горизонты.

Дерновый процесс - интенсивное гумусообразование, гумусонакопление и аккумуляция биофильных элементов под воздействием травянистой растительности и особенно корневой массы с образованием поверхностного темного комковатого или зернистого гумусового (перегнойного) горизонта, состоящего на половину из корневых систем растений.

Дерновый процесс почвообразования протекает под влиянием многолетней травянистой растительности в условиях умеренного влажного климата, особенно энергично на рыхлых карбонатных горных породах (лёссах). Сущность этого процесса состоит в обогащении материнской геологической породы или почвенной толщи (особенно верхней части) специфическим органическим веществом - гумусом.

Сопутствующим процессом является выщелачивание, который относится к группе элювиальных почвенных процессов. Это группа процессов, связанных с разрушением или преобразованием почвенного материала в элювиальном горизонте с выносом из него продуктов разрушения или трансформации нисходящими либо латеральными (боковыми) токами воды, в результате чего элювиальный горизонт обедняется теми или иными соединениями и относительно обогащается оставшимися на месте соединениями или минералами.

Выщелачивание - процесс обеднения того или иного горизонта или почвы в целом основаниями (щелочами и щелочными землями) в результате выхода их из кристаллической решетки минералов или из органически соединений, растворения и выноса просачивающейся водой. Частными видами выщелачивания являются:

а) декарбонатизация - разрушение и вынос извести из почвы или почвообразующей породы;

б) рассоление - освобождение почвы или почвообразующей породы от водорастворимых солей.

Выщелоченные черноземы широко распространены в лесостепи, а также частично в степях, вдали от лесов, в условиях повышенного увлажнения.

Они имеют более значительные запасы гумуса в перегнойном слое. Мощность гумусового горизонта (А+В) у выщелоченных черноземов в различных частях описываемой зоны сильно варьирует. Карбонаты в этих почвах залегают менее глубоко, чем в оподзоленных черноземах. Поэтому в выщелоченных черноземах происходит периодическое поднятие их с почвенными растворами до гумусового горизонта.

Глубина вскипания карбонатов в этих почвах сильно колеблется, но чаще всего лежит на уровне 90-120 см от поверхности, а в районах влажной лесостепи - на глубине 150-200 см.

В результате процессов выщелачивания для выщелоченных черноземов характерно также заметное уплотнение переходного горизонта, в котором обнаруживается несколько повышенное содержание коллоидных веществ и полуторных окислов. Структура этого горизонта зернистая или ореховатая.

От оподзоленных черноземов выщелоченные черноземы отличаются отсутствием в нижней части горизонта А скоплений кремнезема.

В поглощающем комплексе выщелоченного чернозема наряду с поглощенными кальцием и магнием содержится очень небольшое количество поглощенного водорода.

Умеренное увлажнение при непромывном типе водного режима, характеризующееся чередованием нисходящих и восходящих токов почвенной влаги, приводит к равномерному пропитыванию толщи гумусом и выщелачиванию легкорастворимых соединений и карбонатов кальция. Последний вымывается из верхней части профиля, переходные к материнской породе горизонты обычно обогащены карбонатами кальция (СаСО3), насыщенность коллоидного комплекса Са2+ и закрепление почвенных коллоидов (глины и гумуса) благоприятствуют созданию агрономически ценной водопрочной зернисто-комковатой структуры. Разрушения минеральной части не наблюдается [11].

Таким образом, сопутствующий процесс выщелачивание наряду с дерновым типом основного процесса почвообразования обуславливает не только интенсивное накопление гумуса, но и формирование водопрочной зернисто-комковатой структуры, что является немаловажным условием использования чернозёма выщелоченного в сельскохозяйственном производстве.

5. Описание продукционного процесса

Продукционный процесс растений - это совокупность взаимосвязанных процессов, происходящих в растении, из которых основными являются фотосинтез, дыхание, рост, формирующих урожай растений.

Многочисленные данные показывают, что продукционный процесс растений обусловлен уровнем фотосинтеза. Как в природных условиях, так и в посевах сельскохозяйственных растений главными критическими факторами для фотосинтеза обычно бывают условия освещения и количество углекислого газа в воздухе. С этой точки зрения любая популяция зеленых растений - это биосистема, главной функциональной чертой которой является поглощение солнечной радиации и усвоения углекислого газа из воздуха.

Продукционный процесс зависит от факторов внешней среды и способен сам трансформировать средообразующие факторы через изменение газообмена, транспирацию, архитектуру посевов.

1. Закон незаменимости основных факторов жизни. Этот закон утверждает, что ни один из факторов развития растений не может быть полностью заменен каким-либо другим.

2. Закон неравноценности и компенсирующего воздействия факторов среды. Действительно, основные факторы, такие как тепло, свет, воду, заменить ничем нельзя. А вот их действие как-то изменить могут другие факторы.

3. Закон минимума. Этот закон часто трактуется как закон Либиха в отношении питательных элементов для растений, и его нередко представляют в виде бочки с досками разной длины. Интенсивность продукционного процесса определяется действием того физического фактора среды, который наиболее удален по значениям от своего оптимума.

4. Закон оптимума. Этот закон гласит, что наивысшая скорость продукционного процесса достигается при достижении всеми факторами своего оптимума. Иначе говоря, максимальный урожай может быть достигнут только при оптимизации всех основных факторов жизни.

5. Закон «критических периодов». Этот закон указывает на то, что в жизни растения имеются периоды, в течение которых растение наиболее чувствительно к недостатку того или иного фактора.

Эти законы агрофизики, законы, связывающие физические факторы среды и продукционный процесс являются весьма общими, действующими в любых природных или искусственно созданных условиях. Хотя в каждом конкретном случае следует учитывать региональные особенности как внешних для растения факторов (почвенные, метеорологические и погодные условия и проч.), так и особенностей самих растений [12].

Одной из наиболее изученных областей в математической экологии является моделирование продукционного процесса растений. Это определяется практической значимостью таких моделей для оптимизации агрокультуры и тепличного хозяйства. Здесь математические модели используются для выбора оптимальной стратегии проведения сельскохозяйственных мероприятий: орошения, полива, внесения удобрений, выбора сроков посева или посадки растений с целью получения максимального урожая. Для полностью контролируемого тепличного хозяйства возможно построение модели, описывающей весь цикл процессов при заданных условиях. Тогда с помощью модели оптимальный «рецепт» управления культурой может быть задан полностью на все время вегетации.

Если же моделируется посев в открытом грунте, на который оказывают влияние непредсказуемые погодные условия, агробиоценоз нуждается в оперативном управлении, для него используются динамические модели, допускающие оперативное изменение параметров и, возможно, структуры модели в соответствии с изменениями погодных условий.

Всю систему происходящих в агробиоценозе процессов обычно представляют в виде блочной иерархической структуры. Выделяются биотический и абиотический блоки. Среди биотических процессов выделяют в отдельные блоки рост и развитие посева, функционирование почвенной микрофлоры, развитие энтомофауны, развитие болезней сельскохозяйственных культур, взаимодействие посева с сорняками и др.

Абиотические блоки включают в себя модели, описывающие формирование теплового, водного режима почвы и приземных слоев воздуха, концентрации и передвижения биогенных и токсических солей, различных остатков распада пестицидов, ростовых веществ и метаболитов в почве, концентрации углекислого газа в посеве. Пример блок-схемы модели продуктивности агроэкосистемы приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема взаимодействия процессов в агроэкосистеме пшеницы

Блочная структура позволяет изучать, изменять и детализировать одни блоки, не меняя других. Как правило, число параметров внутри блоков существенно больше числа параметров, которыми блоки соединяются между собой. На основе блоков синтезируются целостные динамические модели, способные прогнозировать изменение во времени ряда характерных параметров растений, в первую очередь биомассу всего растения и отдельных органов, начиная от всходов (иногда от момента посева) до завершения вегетации (созревания). Первые такие модели были разработаны коллективом американских авторов (SPAM - Soil-Plant-Atmosphere Model, Schaweroft et.al., 1974) и де Витом и его группой (BESCROP - Basic Crop Simulation, De Wit, 1978). В настоящее время имеется несколько десятков такого типа моделей формирования урожая, разработанных с разной степенью детализации для сои, пшеницы, трав, кукурузы, хлопчатника и других культур.

Структура и сложность модели продукционного процесса растений, степень ее детализации, форма представления процессов, происходящих в растении, определяются двумя обстоятельствами: предметом и целью моделирования. Модель роста травы, биомассу которой можно считать однородной, предназначенной для корма скота, может быть существенно проще, чем модели культур, урожай которых заключен в репродуктивных органах (злаки, бобовые) или корнеплодах. Для практических целей удобнее простая модель, позволяющая давать прогноз урожая при определенных погодных условиях или рекомендации по оптимальному режиму полива и внесения минеральных удобрений. Изучение физиологических особенностей растений и их реакций на почвенные и погодные условия требует построения сложных моделей с блочной структурой.

На рисунке 2 представлена блок схема модели посева сои, которая представляет имитационное описание роста, развития и урожайности сои и считается наиболее подробной из разработанных к настоящему времени моделей сельскохозяйственных культур. В ней объединены несколько субмоделей и большое количество входных данных. В модели SOYMOD четыре: категории сухого вещества: структурные углеводы, доступные углеводы (неустойчивые соединения, которые могут передвигаться по растению), крахмал и белок. Эти вещества распределяются между различными морфологическими частями: пластинками и черешками листьев, плодами и корнями. Предполагается, что необходимые для процессов роста и жизнедеятельности растения материалы - это азот и углерод. Они перемещаются между морфологическими частями растения и реализуются в этих частях для роста, дыхания, образования новых органов, транспортных процессов. Соотношение между углеродом и азотом используют в качестве функций контроля за ростом различных частей растения. В этом смысле модель сои относится к моделям углеродно-азотного типа.

Рисунок 2 - Блок схема модели посева сои.

Модель агрофитоценоза пшеницы (система Симона) - наиболее детальная отечественная имитационная модель продукционного процесса сельскохозяйственных растений разработана под руководством P.А. Полуэктова в Петербургском агрофизическом институте. С математической точки зрения модель представляет собой систему из нескольких уравнений в частных производных параболического типа и нескольких десятков обыкновенных дифференциальных уравнений. При переходе к численной схеме выбирают шаг интегрирования по координате х и по времени t. Базовый временной шаг модели выбран равным одному часу, это позволяет имитировать суточный ход как абиотических (энергообмен), так и биотических (фотосинтез, метаболизм) процессов. Состояние абиотической части системы характеризуется набором вертикально распределенных переменных: радиации, температуры, и влажности воздуха в посеве, температуры и влажности почвы и др. Биологическая часть системы представлена переменными: плотность ассимилирующей поверхности фитоэлементов, поглощающей поверхности корней, плотность отдельных составляющих биомассы (углеводы, аминокислоты, белки) и фитомассы в целом и др.

В модель включено описание процессов трех типов:

1) энерго- и массообмен, происходящий в среде обитания растений (в почве и приземном воздухе) и в самих растениях;

2) совокупность биофизических и физиологических процессов в растительном покрове, определяющих прирост биомассы, рост и развитие отдельных органов растения и формирования урожая;

3) экологическое взаимодействие культурных растений с сорняками, болезнетворными микроорганизмами и вредителями.

В качестве входных переменных выступают контролируемые (агротехника) и неконтролируемые (погода) внешние воздействия. Динамика погодных условий представлена реализациями многомерного случайного процесса.

Каждый из блоков представляет собой описание группы однородных физических, биофизических, биохимических или физиологических процессов в отдельных частях системы почва-растение-атмосфера. Каждый из блоков решает свою математическую задачу, и может быть верифицирован (т.е. проведена проверка правильности его работы) на независимых массивах экспериментальных данных. Объединение блоков в целостную систему и возможная последующая редукция (упрощение) этой системы представляет собой также самостоятельную задачу из области теории сложных систем.

Модели типа SOYMOD или СИМОНА слишком сложны для использования в практике. В своем полном объеме такие модели, действительно, служат исследовательским целям, причем они непрерывно развиваются, их структура и значения параметров уточняются с использованием новейших данных о характеристиках моделируемой системы. Их тщательный анализ открывает путь и для практических применений. Потребитель может вести диалог для решения конкретных практических вопросов сельскохозяйственного производства. Например, запрашивать возможные пределы изменения урожая для конкретного поля, задавая величину и сроки выпадения осадков или решать оптимизационные задачи о сроках и дозах внесения удобрений [13].

Итак, определение оптимальных стратегий управления процессом с применением методов теории управления возможно только при наличии математической модели, описывающей процессы, которыми предполагается управлять. И поскольку агробиоценоз нуждается в оперативном управлении, для его описания используют динамические модели, позволяющие вычислять значения характеристик процесса в любой момент времени от начала до конца вегетации. Однако сложность агробиоценоза не позволяет подойти к описанию его функционирования как к единому процессу. Поэтому целесообразно представлять всю систему происходящих в агробиоценозе процессов в виде блочной иерархической структуры.

Выводы

1) Климатические условия и рельеф территории Еткульского района накладывают отпечаток на все физико-географические процессы и на почвообразование в особенности. В зависимости от климата в совокупности с другими факторами формируются весьма разнообразные почвы, преобладающими среди которых в Еткульского районе являются чернозёмы обыкновенные и выщелоченные.

2) Состояние агроландшафтов сельскохозяйственных предприятий Еткульского района характеризуется как не стабильное. Рассчитанный по биотическому методу коэффициент экологической стабильности варьирует в пределах 0,3-0,49 ед., что говорит нам о малостабильным состоянии агроландшафтов всех хозяйств района, а также в среднем по району.

В Еткульском районе коэффициент относительной напряженности меньше 1, то есть территория является экологически опасной, потому что значительная распаханность и земли промышленности служат дестабилизирующим фактором в экосистеме.

3) В качестве путей повышения устойчивости агроландшафтов можно предложить следующие мероприятия: планирование рационального размещения сельскохозяйственных культур в системе севооборотов с учетом почвенного плодородия, биологических особенностей возделываемых культур; дополнительная экологизация агроландшафтов; выявление естественных экосистем; применение рациональной системы использования сельскохозяйственных машин, схем севооборотов, оптимальных сроков и способов посева.

4) В пахотных черноземах процессы, обусловливающие формирование гумусового профиля, сохраняются, но интенсивность их меняется. Гумусообразование ослабевает в результате снижения количества растительных остатков, поступающих в почву, а также интенсивной микробиологической деятельности. С одной стороны, в пахотных черноземах в верхней части почвенной толщи процесс гумусонакопления протекает более медленно, а минерализация вновь образованного гумуса идет более быстро. С другой стороны, увеличение степени антропогенного воздействия, в частности перепашка почвы, приводит к нарушению единого процесса гумусообразования и перераспределения гумуса в верхнем почвенном горизонте.

5) Сопутствующий процесс выщелачивание наряду с дерновым типом основного процесса почвообразования обуславливает не только интенсивное накопление гумуса, но и формирование водопрочной зернисто-комковатой структуры, что является немаловажным условием использования чернозема выщелоченного в сельскохозяйственном производстве.

6) Определение оптимальных стратегий управления процессом с применением методов теории управления возможно только при наличии математической модели, описывающей процессы, которыми предполагается управлять. И поскольку агробиоценоз нуждается в оперативном управлении, для его описания используют динамические модели, позволяющие вычислять значения характеристик процесса в любой момент времени от начала до конца вегетации. Однако сложность агробиоценоза не позволяет подойти к описанию его функционирования как к единому процессу. Поэтому целесообразно представлять всю систему происходящих в агробиоценозе процессов в виде блочной иерархической структуры.

Список литературы

1) Айдаров, И.П. Обустройство агроландшафтов Росии. М. : МГУП, 2007. 159 с.

2) Синявский, И.В. Состояние плодородия почв и экологическая устойчивость агроландшафтов Челябинской области // Агропродовольственная политика России. 2015, №1 (37), С. 2-7.

3) Воропаев, С.Б., Новоженин И.А. Природные условия и особенности факторов почвообразования Южного Урала // Вестник Оренбургского государственного университета. 2013, №10 (159), С. 241-243.

4) Глухих, М.А. Севообороты Южного Зауралья. Москва, Берлин : Директ-Медиа, 2015. 324 с

5) Левит, А.И. Южный Урал: География, экология, природопользование : учебное пособие. 2-е изд. испр. и доп. Челябинск : Юж.-Урал. кн. изд-во, 2005. 246 с.

6) Кирюшин, В.И. Экологические основы земледелия. М. : Колос, 1996. 367 с.

7) Герасименко, В.П. Практикум по агроэкологии : учебное пособие. СПб. : Издательство «Лань», 2009. 432 с.

8) Система оценки устойчивости агроландшафтов для формирования экологически сбалансированных агроландшафтов / Н.П. Масютенко [и др.]. Курск : ГНУ ВНИИЗиЗПЭ РАСХН, 2013. 50 с.

9) Почвоведение / О.В. Кормилицына [и др.] ; под ред. В.А. Рожкова. М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 290 с.

10) Щеглов, Д.И., Брехова Л.И. Агрогенная трансформация органопрофиля черноземов Центральной России // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2014, № 5 (115), С. 40-43.

11) Почвоведение / учебник для университетов Ч. 1. Почва и почвообразование / Г.Д. Белицина [и др.] ; под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. М.: Высш. шк., 1988. 400 с.

12) Агрофизика : учеб. пособие / Е. В. Шеин [и др.] ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. Владимир : Изд-во ВлГУ, 2014. 92 с.

13) Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур / Р.А. Полуэктов [и др.]. СПб. : изд-во С-Петерб. ун-та, 2006. 396 с.

Приложение А

Расчет экологической устойчивости агроландшафтов сельскохозяйственных предприятий

ТОО «Каратобанское»

КЭСЛ1 = (6+2923+3959+138+1835+2495)/(11344+149)=0,99

КЭСЛ2 = (11344*0,14+6*0,62+2923*0,68+3959+138*0,43+1835*0,79+

2495*0,79)/23218=0,49

Кн = (6+2923+3959+138+1835+2495)/(11344+149)=0,99

Fэф = 0,8*(6+2923)+3959+138+1835+2495=10770,2

Кэз = 10770,2/23218=0,46

ТОО «Красногорское»

КЭСЛ1 = (413+380+205+133+25+86)/(1550+242)=0,69

КЭСЛ2=(1550*0,14+413*0,62+380*0,68+205+133*0,43+25*0,79+86*0,79)/3382=0,32

Кн = (413+380+205+133+25+86)/(2347+242)=0,48

Fэф = 0,8*(413+380)+205+133+25+86=1083,4

Кэз = 1083,4/3382=0,32

АОЗТ «Еткульское»

КЭСЛ1 = (39+2783+2945+234+1374+873)/(10429+48)=0,79

КЭСЛ2 = (10429*0,14+39*0,62+2783*0,68+2945+234*0,43+25*0,79+873*0,79)

/19024=0,43

Кн = (39+2783+2945+234+1374+873)/(10429+48)=0,79

Fэф =0,8(39+2783)+2945+234+1374+873=7683,6

Кэз = 7683,6/19024=0,40

ТОО «Белоносовское»

КЭСЛ1 = (2779+1240+42+641+785)/8835=0,62

КЭСЛ2 = (8835*0,14+2779*0,68+1240+42*0,43+641*0,79+785*0,79)/14639

=0,43

Кн = (2779+1240+42+641+785)/8835=0,62

Fэф =0,8*2779+1240+42+641+785=4931,2

Кэз =4931,2/14639=0,34

Размещено на Allbest.ru