Экологическая трансформация сорной растительности лесополос в травостои зонального типа методом агростепей
На правах рукописи
Дудченко Людмила Вадимовна ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ СОРНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ЛЕСОПОЛОС В ТРАВОСТОИ ЗОНАЛЬНОГО ТИПА МЕТОДОМ АГРОСТЕПЕЙ 03.02.08 – экология (биологические наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Ростов-на-Дону - 2013
Работа выполнена в Ставропольском научно-исследовательском институте сельского хозяйства Россельхозакадемии
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Дзыбов Джантемир Сосренович
Официальные оппоненты: Акатов Валерий Владимирович доктор биологических наук, профессор профессор кафедры экологии и защиты окружающей среды Майкопского государственного технологического университета Федяева Валентина Васильевна кандидат биологических наук, доцент, зав. кафедрой ботаники Южного федерального университета
Ведущая организация: Ставропольский государственный аграрный университет
Защита диссертации состоится 28 февраля 2013 г. в 17.00 на заседании диссертаци онного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам при Южном федеральном университе те (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б.Садовая, 105, ЮФУ, e-mail: [email protected], факс:
(863)263-87-23).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального универси тета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148).
Автореферат разослан 24 января 2013 года и размещен в сети Интернет на сайте ЮФУ www.sfedu.ru и на сайте Минобрнауки России www.vak.ed.gov.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук Денисова Т.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования обусловлена необходимостью подавления сегетальных сорняков и их зарослей в полезащитных лесных полосах биологическим способом, исклю чающим механические и химические средства борьбы, способствующим оптимизации эко логической ситуации и ресурсосбережению в агроландшафтах.
Постоянным функционирующим поставщиком семян и плодов вредных и карантинных сорняков в пашню являются полезащитные лесные полосы. Травяный покров лесополос формируется полностью из пашенных антропофитов – однолетников, двулетников и много летников, активно плодоносящих и ежегодно засоряющих культурные фитоценозы сплошно го и пропашного типа. До настоящего времени борьба с видами и зарослями сорняков про водится техногенными средствами – многократной культивацией или с помощью гербици дов, чреватыми эколого-экономическими издержками.
Исследования показали реальную возможность эффективного подавления сорных ви дов растений и их группировок в лесополосах биологическим путем – созданием в призем ном ярусе агростепного покрова.
Цель и задачи исследования. Цель работы – экологическая трансформация сорной растительности лесополос в травостои зонального типа методом агростепей.
Задачи исследования:
1. Провести сравнительный эколого-экономический и природоохранный анализ эффек тивности борьбы с сорняками лесополос, существующими и новым биологическим способом – агростепным методом.
2. Изучить флористические и фитоценотические показатели сорных травостоев в покро ве существующих разновозрастных полезащитных лесополос.
3. Исследовать по годам динамику изменения состава и сложения агростепного проти восорнякового покрова в двурядной тополевой лесополосе, выявить устойчивость в покрове культурных (сортовых) трав, добавленных в агростепную смесь семян.
4. Разработать предложения производству по использованию оптимальных вариантов подавления сорной растительности биологическим способом – посредством агростеп ного покрова.
5. Определить основные этапы технологии создания противосорнякового агростепного покрова лесополосы.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Восстановительная сукцессия в существующих покровных травостоях лесополос про текает весьма замедленно, задерживаясь на сорно-разнотравной и корневищных ста диях, вплоть до времени гибели древостоев из Robinia pseudoacacia, Gleditsia triacanthos, Fraxinus excelsior, Populus nigra, Armeniaca vulgaris, Elaegnus angustifolius и др., вследствие слабой, разновременной миграции в них семян степных доминантов:
Festuca valesiaca, Koeleria cristata, Agropyron pectinatum и других сопутствующих им видов зональной (целинной) флоры.
2. Современные способы борьбы с сорняками лесополос – многократная культивация междурядий в течение пяти-шести лет или обработка гербицидами экологически эф фективны лишь в годы их применения, энергозатратны и вредны. После чего сеге тальная флора вновь возобновляется из их почвенного запаса семян, конкурируя био логически с редкими стихийными мигрантами целинных растений, засоряя ежегодно прилегающие к насаждениям поля сельскохозяйственных культур.
3. Агростепной покров из нескольких десятков видов дикорастущей степной флоры, це нотически подавляет конкурентно слабые особи сорняков в течение четырех-пяти лет, выполняя в дальнейшем природоохранную роль в агроландшафте. При тщательной предпосевной подготовке почвы эффективность биологической борьбы с сорняками агростепным покровом может быть достигнута в течение трех лет.
Объект и предмет исследований представлены в главе 3.
Научная новизна работы. Впервые разработан и предложен биологический способ ускоренного подавления полевых сорняков и их зарослей в лесных полосах путем создания самоподдерживающегося, долголетнего агростепного покрова, отличающегося высокой эко лого–экономической эффективностью.
Практическая ценность работы. Агростепной метод борьбы с сорной флорой и ее группировками под лесными полосами может заменить традиционные агротехнические и химические способы с экономией средств на сумму от 5 до 22 тыс. руб./га. Толерантная про тив огня и долголетняя агростепь может функционировать как постоянный противоэрозион ный фактор в агроландшафте, и даже в случае гибели деревьев и кустарников лесополосы от старения или пожаров. Очевидна также экологическая, природоохранная значимость данного биологического метода, реализация которого на практике повысит биологизацию агроланд шафтов, оптимизирует среду обитания животного мира, включая редкие виды растений, по лезную энтомофауну и наземно гнездящуюся орнитофауну.
Личный вклад автора. В течение 6 лет осуществлены свыше 17 геоботанических экс педиций в 4 географические зоны Центрального Предкавказья и изучены флористические и фитоценотические показатели сорных травостоев в покрове разновозрастных полезащитных лесополос. Учеты, наблюдения и анализ результатов исследований растительного покрова в экспериментальной полезащитной лесополосе выполнены лично автором в динамике в те чение 5 лет. Тема, цель, задачи, объекты, методы определены автором совместно с научным руководителем.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и совещаниях: Межрегиональной научной конференции «О со стоянии и перспективах развития особо охраняемых природных территорий и проблеме де градации (опустынивания) земель», ст. Вешенская (2005). Экологические аспекты развития растительных сообществ в Ботанических садах ЮФО, Краснодар (2008), международной научной конференции Теоретические и прикладные проблемы использования, сохранения и восстановления биологического разнообразия травяных экосистем, Михайловск (2010 г.), на ежегодных отчетных сессиях Ставропольского НИИСХ Россельхозакадемии, г. Михайловск (2006-2011 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ, в том числе 4 ста тьи в научных журналах, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских и докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 162 страни цах. Состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций производству, списка литературы.
Содержит 24 таблицы, 25 рисунков и 8 приложений. Список литературы содержит 122 ис точника, в том числе 6 на иностранных языках.
Конкурсная поддержка исследования. Данное исследование является частью темати ческого плана научно-исследовательских работ ГНУ Ставропольского научно исследовательского института сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйст венных наук, задание 04.017.03.01, регистрационный номер 15070.5025003468.06.8.003.3.
Благодарности. Автор выражает свою признательность и благодарность за помощь в постановке задач и обсуждении полученных результатов своему научному руководителю – д.б.н., профессору Дзыбову Джантемиру Сосреновичу, сотрудникам отдела полевого и лу гового кормопроизводства, лаборатории агропочвоведения, лаборатории агрохимии и лабо ратории обработки почв ГНУ Ставропольского НИИСХ в проведении исследований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ Степное лесоразведение, начатое при Петре I более 300 лет назад, ставило целью смяг чить последствия засухи и суховеев, часто повторяющиеся в южных губерниях России и на носившие значительный урон урожаю сельскохозяйственных культур. К настоящему време ни в стране сложилась устойчивая система полезащитных лесных полос. Борьба с сорняками в процессе формирования лесонасаждений стала при этом актуальной проблемой. Сорные растения опережают в росте и развитии молодые особи деревьев и кустарников, становясь постоянными конкурентами за влагу и элементы питания, засоряя ежегодно окружающие поля в течение всего периода функционирования древостоев.
В настоящее время борьба с сорняками ведется большей частью культивацией и с по мощью гербицидов и нельзя признать эту систему особо продвинувшейся. Как и 60 лет тому назад операцию механизированной обработки междурядий и закраек лесополос осуществ ляют культивацией междурядий в сочетании с частичной ручной прополкой в рядах деревь ев и кустарников. С биологической точки зрения механизацию уходных работ нельзя считать безупречной, так как при этом нередки массовые повреждения стволовой части, а иногда и корневой системы сеянцев и саженцев. Химический вид ухода стал пропагандироваться и применяться в основном с начала 70-х годов ХХ века. Не отрицая истребительной значимо сти гербицидов, следует указать и на некоторые существенные отрицательные последствия их применения, такие как: экологический вред, наносимый окружающей среде;
вред, нано симый полезной энтомофауне и человеку;
нарушается экологическая чистота сельхозкуль тур на прилегающих к насаждениям полей;
не исключалается гибель самих древесных рас тений. В этом способе указанные негативные свойства сохраняются и в настоящее время;
В итоге эти приемы проводятся в течение первых пяти-шести лет жизни лесополос, что обусловливает существенные экономические и экологические издержки, при этом сорня ки, после прекращения уходных работ, активно возобновляются.
ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ Ставропольская возвышенность, в пределах которой осуществлено данное исследова ние, является базовой ландшафтной единицей в регионе. Она расположена в центральной и западной частях края и вытянута в направлении, параллельном Главному Кавказскому хреб ту. Она отличается разнообразием горных, почвообразующих пород и ярусностью строения рельефа, неоднородным растительным и почвенным покровом. Территория эксперименталь ного участка на полигоне «Агроландшафт» находится в зоне неустойчивого увлажнения, его почвенный покров представлен обыкновенным черноземом, частично деградированным, вследствие дефляции и водной эрозии.
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Данное исследование предваряется материалами экспедиционного геоботанического обследования в растительных зонах Ставропольского края – полупустыне, сухой, разнотрав но-дерновиннозлаковой степи с целью изучения особенностей приземного покрова разно возрастных лесополос, получения сравнительных данных по их флоре и группировкам. Вы явлено, что травяный покров полезащитных лесных полос формируется и функционирует под пологом древесных: Acer platanoides*, Acer tataricum, Armeniaca vulgaris, Elaegnus orientalis, Fraxinus excelsior, Gleditsia triacanthos, Populus nigra, Robinia pseudoacacia на долю которых приходится до 70-80 %. Второй древесный ярус создается кустарниками: Amorpha fruticosa, Caragana frutex, Cotinus coggygria, Lonicera tatarica, Salix caspica, Salix purpurea, Swida australis и некоторыми др.
Экспериментальная часть работы выполнена на опытном полигоне Агроландшафт Ставропольского научно-исследовательского института Российской академии сельскохозяй ственных наук. Территория полигона находится в зоне неустойчивого увлажнения, его поч венный покров представлен обыкновенным черноземом, частично деградированным, вслед ствие дефляции и водной эрозии. Мощность почвенного покрова опытного участка 71 см, содержание гумуса в слое 0-30 см – 3,7 %, запас K2 O в пределах почвенного профиля 246, мг/кг, P2 O5 – 11,3 мг/кг, среда слабо щелочная (pH =8).
Объект опыта – двурядная лесополоса в возрасте двух лет из тополя черного – Populus nigra. Высота особей саженцев в момент закладки опыта (19.04.06 г.) равнялась, в среднем, 2,7 м. Ширина междурядий лесополосы и, соответственно, делянок – 2,5 м, длина делянок – 9 м, повторность четырехкратная. Общая площадь варианта 90 м2, опыта в целом 450 м2. По севной материал вносился вручную поверхностным разбрасыванием смеси семян по вариан там с последующим прикатыванием [Основы систем земледелия…, 2005].
Опыт включал пять вариантов:
1. Самозарастание (контроль) 2. Агростепь (контроль) 3. Культурные травы 4. Агростепь + культурные травы 5. Агростепь + редкие виды Расположение делянок в пространстве систематическое. Графическая схема опыта по Доспехову (1985):
12345 12345 12345 В данном исследовании были проведены следующие учеты и наблюдения:
1. Геоботаническое описание видового богатства травостоев разного состава и сложе ния: целинных, залежного типа под лесополосами, экспериментальных – на *) Латинские названия растений – по С.К. Черепанову (1995) площадках 100 и 0,25 м проводились с учетом всей флоры (списочно) с обозначени ем обилия каждого вида растения по шкале О. Друде [Ярошенко, 1969;
Лавренко, 1951;
Миркин, 1985;
Работнов, 1987];
2. Определение проективного и истинного покрытия [Дзыбов, 1979];
3. Ботанический весовой анализ травостоя [Методика опытных работ…, 1961];
4. Описания разрезов и лабораторные анализы почв [Рекомендации по методике прове дения наблюдений …, 1973];
5. Таксационные замеры модельных деревьев тополя черного- Populus nigra [Черныше ва, 1972;
Анучин, 1982];
6. Изучение сорной флоры и ее группировок в пределах лесополосы [Дзыбов, 1986].
7. Методика степного противосорнякового покрова в двурядной тополевой лесополосе, которая включает: 1) подготовку почвы междурядий лесополосы обычными способами;
2) заготовку степной посевной травосмеси среди целины-донора, которая осуще ствляется комбайнированием;
3) поверхностным посевом агростепной травосмеси по взрых ленной почве;
4) боронованием, с целью равномерного распределения семян в междурядье лесополосы и прикатыванием посева для усиления контакта семян с почвой (Дзыбов, 2001).
Для выполнения исследований были применены три метода: стационарный, экспеди ционный и камеральный. Полученные данные обрабатывались статистически [Доспехов, 1979,1985;
Ушкаренко, 1988] при помощи компьютерных программ Statistica, CXSTAT.
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ СТИХИЙНОЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ СУК ЦЕССИИ (ДЕМУТАЦИИ) ТРАВЯНОГО ПОКРОВА ЛЕСОПОЛОС В РАЗЛИЧНЫХ ПРИРОДНЫХ ЗОНАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ Выявлены черты отличия стихийной восстановительной сукцессии (демутации) на от крытой залежи и в травяных покровах под разновозрастными лесополосами. Демутационный процесс на открытой залежи протекает в условиях максимальной освещенности и относи тельной свободы доступа семян и плодов из близлежащих целинно-степных экосистем. Ис ходная стадия сукцессии при этом начинается с прорастания зачатков большого разнообра зия агрессивных сегетальных сорняков из их почвенного запаса [Миркин, Розенберг,1978;
Дзыбов, 2010]. На этой стадии наиболее характерны пашенные сорняки с обилием Soc – Cop:
Ajuga genevensis- Echinochloa crusgalii Живучка женевская Куриное просо обыкновенное Ambrosia artemisiifolia- Echium vulgare Амброзия полыннолистная Синяк обыкновенный Anisantha tectorum Fumaria schleicheri Анизанта кровельная Дымянка Шлейхера Capsella bursa-pastoris- Hypericum perforatum Пастушья сумка Зверобой продырявленный Centaurea cyanus- Lactuca serriola Василек синий Латук компасный Chenopodium album- Lamium purpureum Марь белая Яснотка пурпурная Chorispora tenella- Papaver dubium Хориспора нежная Мак сомнительный Cirsium incanum- Portulaca oleracea Бодяк седой Портулак овощной Convolvulus arvensis- Senecio vernalis Вьюнок полевой Крестовник весенний Лишь к 30-45 годам демутации растительность на открытой залежи приобретает по флористическому составу и сложению черты, сходные с зональной степью, включая с оби лием Soc – Cop виды:
Amoria ambigua- Onobrychis arenaria Эспарцет песчаный Клевер сходный Bromopsis riparia- Poterium polygamum Черноголовник многбрачный Кострец береговой Centaurea orientalis- Securigera varia Вязель пестрый Василек восточный Dianthus ruprechtii- Thalictrum minus Василистник малый Гвоздика Рупрехта Festuca rupicola- Tragopogon dasyrhynchus Козлобородник опушенноносый Овсяница скальная Festuca valesiaca- Trifolium medium Клевер средний Овсяница валлисская Phlomoides tuberosa- Trifolium pretense Клевер луговой Фломоидес (Зопник) клубненосный Galium ruthenicum- Veronica teucrium Вероника широколистная Подмаренник русский Geranium sanguineum- Veronica spicata Герань кровяно-красная Вероника колосистая Koeleria cristata- Vicia tenuifolia Горошек тонколистный Келерия стройная К 60-85 годам демутации открытая залежная экосистема становится трудно отличимой от целины. О том, что это все же залежь – свидетельствует присутствие в покрове конку рентно сильных видов антропофитов: Artemisia austriaca, Melilotus officinalis, Salvia tescquicola, Salvia verticillata, Securigera varia, Vicia angustifolia и некоторые другие.
Экотоп лесополосы и его приземный, травяный покров функционируют в существенно иных абиотических и биотических условиях: 1) торможения процесса испарения влаги в те ни;
2) неоднородности боковой освещенности солнечными лучами;
3) затрудненности сме ны сорняков последующими волнами диаспор целинных растений в силу барьерной роли древостоев;
4) отсутствия вблизи естественных доноров плодов и семян степных растений, так как лесополосы окружены массивами пашни;
5) ослабленности факторов переноса зачат ков степной флоры – ветра, воды и малочисленной фауны – потенциального фактора транс портировки семян и плодов.
Этими причинами обусловлено торможение вторичной восстановительной сукцессии приземного покрова лесополос, по сравнению с открытой залежью. Об этом свидетельству ют, многочисленные материалы геоботанических описаний, полученные в данном исследо вании во всех основных природных зонах Центрального Предкавказья. Выявлено, что в раз новозрастных лесополосах в возрасте 40-60 и более лет восстановительный процесс протека ет лишь до пырейной стадии из Elytrigia repens.
В 10 пунктах были проведены геоботанические описания покрова разновозрастных полезащитных лесонасаждений. Укажем флористические и ценотические особенности есте ственной демутации приземного травостоя разновозрастных лесополос в двух пунктах Арз гирского района (п.п. 3-4).
В покрове 30-летней лесополосы преобладали исключительно сорняки: Anisantha tectorum, Cannabis ruderalis, Centaurea diffusa, Galium aparine и др. В целом же в обоих пунктах приземный ярус травостоя на 95 % состоял из сорняков и лишь один вид – Poa angustifolia, который будучи ползуче-корневищным чаще тяготеет к нарушенным местооби таниям, представлял степную флору. В пункте 3 выявлен Cannabis ruderalis с высоким оби лием, опасным для здоровья людей.
Травяный ярус лесополосы, описанный в пункте 4 лесополосы, сформировавшийся в течение 40 лет, состоит в основном из сорных видов. Покров находился на пырейной стадии (Elytrigia repens) и имел покрытие поверхности почвы: проективное 100 %, истинное – 5,1 %, асс. Elytrigia repens+ Galium aparine+ Poa angustifolia, 1 яр. покрова. – 75 см, 2 яр. – 50, 3 яр.
– 15 см. Флора покрова 30-ти и 40-летних лесополос почти полностью состоит из пашенных сорняков – стадии начального этапа демутации (табл. 1).
Таблица Состав и обилие травяных видов в покрове разновозрастных лесополос из Gleditsia triacanthos, Robinia pseudoacasia, Caragana frutex в полупустынной зоне на 100 м2 учетной площади Пункт 3 Пункт 4 сор- степ Виды ные ные 19.06 18. оби- фено- оби- фено лие фаза лие фаза 1 2 3 4 5 6 Злаки пл Anisantha tectorum cop3 + кол Bromus secalinus sp2 + цв Elytrigia repens soc + пл Poa angustifolia sp3 + Бобовые отцв Vicia villosa sp3 + Разнотравье бут Alcea rugosa sp1 + вег Calystegia sepium sp3 + цв Cannabis ruderalis cop3 + пл Capsella bursa-pastoris sol + бут Centaurea diffusa sp3 + вег вег Chenopodium album sp2 sol + вег Chenopodium hybridum sp1 + отцв Consolida regalis sp1 + цв цв Convolvulus arvensis sp3 sp2 + пл пл Galium aparine cop2 cop3 + бут Lactuca serriola sp2 + вег Lamium amplexicaule sp3 + Продолжение таблицы 1 2 3 4 5 6 бут Onopordon acanthium sp2 + бут Polygonum aviculare sp3 + бут Salvia aethiopis sp2 + Всего видов 20 14 9 19 Пункт 3 Лесополоса из Robinia pseudoacacia (19.06.2009).
Возраст – 30 лет Расстояние в ряду – 0,6 м Ориентация – СЮ Полнота 0, Полоса – трехрядная Высота – 8,5 м Порода – Robinia pseudoacacia Освещенность покрова – 50 % Ширина полосы – 12 м Ветвление с высоты – 1,3 м Междурядье – 3,5 м Диаметр на высоте 130 см – 20-27 см Проективное покрытие 100 %. асс. Anisantha tectorum + Cannabis ruderalis + Galium aparine. 1 яр. – 130 см, 2 яр. – 60 см.
Пункт 4 Лесополоса из Robinia pseudoacacia, Gleditsia triacanthos, Caragana frutex (18.06.2009).
Возраст – 40 лет Полнота – 0, Ориентация – ВЗ Высота древостоя:
Полоса – трехрядная 1 яр. – 8 м, 2 яр. – 6, 3 яр. –5 м асс. Robinia pseudoacacia+ Освещенность покрова – 50 % Ветвление с высоты – 0,7 м Gleditsia triacanthos+ Диаметр на высоте 130 см:
Caragana frutex Ширина полосы – 12 м Robinia pseudoacasia – 6-10 см, Междурядье –3 м Gleditsia triacanthos – 35-40 см Расстояние в ряду – 0,8 м Caragana frutex – 8 см Исследования показали, что, несмотря на несходство абиотических условий, разнооб разие пород деревьев и кустарников, традиционно используемых для создания полезащит ных лесных полос (Acer platanoides, Fraxinus excelsior, Gleditsia triacanthos, Populus nigra, Quercus robur, Robinia pseudoacacia) и многих других, демутационный процесс в травяном покрове во всех почвенно-растительных зонах Центрального Предкавказья протекает сход но:
1) вплоть до старения и гибели древесных, травостой под ними остается сорным;
2) флористическое сходство приземных покровов между пунктами исследования в пределах одной природной зоны всегда низкое – не превышает 32 %, что свидетельствует в значитель ном видовом разнообразии антропофитов;
3) сорные травы в покрове, в течение всего перио да жизни древесных, оказываются донорами семян и плодов – засорителей посевов сельхоз культур, включая злостные и даже карантинные, опасные для здоровья человека, виды: Am brosia artemisiifolia, Anisantha tectorum, Bromus japonicus, Cannabis ruderalis, Centaurea cyanus, Centaurea diffusa, Cirsium incanum, Convolvulus arvensis, Elytrigia repens, Galium aparine и др.
Таким образом, существующие способы истребления сегетальных сорняков в лесопо лосах не в полной мере решают данную проблему, хотя и продолжается их широкое приме нение лесхозами. Между тем идея биологического способа подавления антропофитов в агро ландшафте вообще и под насаждениями в частности, оставаясь наиболее эффективной, тре бует проведения соответствующих экспериментальных работ.
ГЛАВА 5 ПОДАВЛЕНИЕ СОРНЯКОВ И ИХ ГРУППИРОВОК ПОД ТОПОЛЕВОЙ ЛЕСОПОЛОСОЙ МЕТОДОМ АГРОСТЕПЕЙ 5.1 Флоро-ценотические и конкурентные особенности агростепного ценоза Полевой эксперимент по созданию противосорнякового покрова был заложен в моло дой двурядной тополевой лесополосе на экспериментальном полигоне Агроландшафт Ставропольского научно-исследовательского института Россельхозакадемии.
Опыт включал варианты:
1. Самозарастание (контроль) 2. Агростепь 3. Культурные травы (эспарцет песчаный + клевер луговой сорт Наследник + овсяница луговая Ставропольская 20 + кострец безостый Ставропольский 31) 4. Агростепь + культурные травы 5. Агростепь + редкие виды (ковыль красивейший, ковыль узколистный, пион тонколи стный, горицвет весенний, ирис низкий, ирис ненастоящий) Данная схема эксперимента была предназначена для выявления эффективности разных типов фитоценозов в конкурентном подавлении сорной флоры под молодой лесополосой, в сравнении с традиционным самозарастанием, имеющем место в настоящее время во всех ре гионах России. Вместе с тем ставилась задача – ввести под древесный полог, наряду с агро степью, вариант с редкими видами растений дикорастущей флоры для биологизации и охра ны редких растений под пологом древостоя, а также обычный агроценоз из сортовых много летних трав, как для возможного получения хозяйственно - ценной продукции сена, так и для подавления сорной растительности.
В год закладки опыта особи Populus nigra характеризовались рядом таксономических параметров. Замеры, проведенные в середине лета, показали, что высота модельных деревьев (п-30) колебалась незначительно – от 2,6 до 2,9. Донор многовидовой степной посевной тра восмеси, для создания агростепного покрова под лесополосой, был представлен ассоциаци ей: Festuca valesiaca + Bromopsis riparia + "разнотравье".
Флористическое богатство этого исходного семенника на 100 м2 учетной площади рав нялось 47 видам, в том числе: злаков и осок – 9(19,1 %), бобовых – 3(6,4), "разнотравье"– 35(74,5 %). Спектр жизненных циклов был представлен многолетниками – 41 вид (87,2 %), двулетниками – 3(6,4), однолетниками – 3 (6,4%). Рассмотрим результаты исследования в первый и пятый годы жизни покрова, контрастные по основным показателям.
В первый год жизни покровные травостои в вариантах были представлены следую щими группировками. В первый год жизни растительные сообщества характеризовались господством сегетальных сорняков из их запаса в бывшей пашне. Из всех участков сорняка ми был наиболее богат вариант "Самозарастание". Во всех остальных, наряду с сорняками, присутствовали в фазе вегетации и некоторые виды зональной степи (табл. 2).
Флористическая насыщенность на 0,25 м2 колебалась по вариантам от 6 до 13 видов.
Встречаемость, равную 100 % имели во всех вариантах такие злостные сорняки, как:
Ambrosia artemisiifolia, Chenopodium album, Convolvulus arvensis и некоторые другие. Во всех вариантах с разным уровнем встречаемости отмечены: Arenaria serpyllifolia, Amaranthus retroflexus, Capsella bursa-pastoris, Conyza canadensis, Echinochloa crusgalli, Setaria pumila и ряд других. Из видов сорняков с минимальной встречаемостью, равной 10-20 %, были выяв лены: Avena fatua, Descurainia sophia, Elytrigia repens, Lactuca serriola, Symphytum officinale и другие. Таким образом, особенности видовой насыщенности и встречаемости сорных расте ний в первый год жизни травяного покрова лесополосы, свидетельствуют о: 1) высоком их биоразнообразии;
2) отсутствии какой-либо упорядоченности в распределении сорняков по вариантам опыта;
3) ограниченной численности "сквозных " для всех вариантов видов расте ний – антропофитов;
4) низкой ценотической замкнутости травостоев. Результаты исследо ваний показали, что в первый год сживания между собой видов покровного ценоза явно пре обладают представители сегетальной флоры, на долю которой приходится 74 %. При этом целинные виды трав занимают 26 % (рис. 1).
Таблица Растительные группировки приземного яруса тополевой лесополосы в первый год жизни (2006 г.) Покрытие, % Группировки Ярусность, Варианты проек- истин покрова см тивное ное I – 60 2,7±0, Ambrosia artemisiifolia+ II – Amaranthus retroflexus+ 1. Самозарастание III – Cirsium arvense I – 50 3,6±0, Ambrosia artemisiifolia+ 2. Агростепь II – Chenopodium album + Festuca valesiaca I – 50 5,0±0, Ambrosia artemisiifolia+ 3. Культурные травы II – Trifolium(сорт) + Onobrychis arenaria 4. Агростепь+ I – 50 5,4±0, Ambrosia artemisiifolia+ культурные травы II – Trifolium(сорт.) + Festuca valesiaca I – 50 4,5±0, 5. Агростепь + Ambrosia artemisiifolia+ II – редкие виды Lactuca serriola+ Poterium polygamum НСР0,5 1, % сорные степные Рис. 1. Долевое участие сегетальных и целинно-степных видов растений в первый год сло жения ценозов в варианте "Агростепь" (2006 г.) Пятый год жизни агроэкосистемы характеризовался рядом существенных изменений, как в покровных травостоях, так и древостоя [Дудченко, 2012]. В травяном покрове лесопо лосы изменения происходили одновременно с изменениями таксационных показателей Populus nigra, особи которого к этому времени достигли высоты 3,7 м и заметно возросшую густоту крон.
По сравнению с предыдущими годами жизни покровов, в варианте "Самозарастание", который оставался сорным и на пятом году жизни, произошла смена двух доминантов: гос подствующее положение в нем заняли вместо Anisantha tectorum и Ambrosia artemisiifolia– Achillea nobilis и Senecio vernalis, соответственно. Из культурных трав выпал Onobrychis arenaria. В варианте "Агростепь + культурные травы" повысилась злаковость группировки, вместо Galium ruthenicum стала преобладать Festuca pratensis, а в варианте "Агростепь + редкие виды", наоборот, Festuca pratensis сменилась на Galium ruthenicum. Возросла ценоти ческая замкнутость в варианте "Агростепь", вследствие замены стержнекорневого вида на степной дерновинный злак: Galium ruthenicum на Koeleria cristata.
Увеличились показатели проективного покрытия в агростепных вариантах до 100 %, а истинного покрытия – в пределах 4,3-5,8 %. В вариантах "Самозарастание" и "Культурные травы" эти данные были значительно ниже. Все покровные травостои имели ярусность, рав ную трем (табл. 3). Следует отметить, что стабилизаторами складывающихся покровных группировок растений на пятом году жизни древесно-степного ценоза, как и на близлежащих зональных целинах является Festuca pratensis, Festuca valesiaca, Galium ruthenicum, Koeleria cristata, Poterium polygamum и др.
Этот факт убеждает в том, что покровные травостои в вариантах с агростепной основой станут наиболее эффективными в подавлении полевых сорняков в лесополосах. Демутаци онный процесс протекает в сторону сближения агростепных вариантов с исходным целин ным семенником – донором, что подтверждается также увеличением доли целинно-степных видов флоры, численность видов которой возросла за пять лет в варианте "Агростепь"– с до 84 % (рис. 2).
Таблица Растительные группировки приземного яруса тополевой лесополосы в пятилетнем возрасте (2010 г.) Покрытие, % Ярусность, проек- истин Варианты Группировки см тивное ное Achillea nobilis + I - 1.Самозарастание Convolvulus arvensis + II - 55 80 3,1±0, Senecio vernalis III - Festuca valesiaca + I - 2.Агростепь Galium ruthenicum + II - 30 100 4,4±0, Koeleria cristata III - Bromopsis inermis (сорт.) + I- 3.Культурные травы Achillea nobilis + II - 60 65 2,8±0, Convolvulus arvense III - Festuca valesiaca + I - 4.Агростепь+ Galium ruthenicum + II - 60 100 4,3±0, культурные травы Festuca pratensis III - 5. Агростепь + Festuca valesiaca + I - редкие виды Galium ruthenicum + II -35 100 5,8±0, Poterium polygamum III - HCP0.51, % сорные степные Рис. 2. Долевое участие сегетальных и целинно - степных видов растений в варианте "Агростепь" в возрасте пяти лет (2010 г.) К пятому году жизни в агростепном варианте цвели и плодоносили 89 % видов целин но-степной флоры – гарантия устойчивого функционирования покрова в последующие годы, обеспечения высокой ценотической замкнутости против внедрения сорняков в агростепной покров (табл. 4).
Таблица Феноспектр видов растений агростепных вариантов Всего в Варианты Феноспектры генера вег. бут. зацв. цв. отцв. пл.
тивной фазе Агростепь 11,4 6,8 - 20,4 15,9 45,5 88, Агростепь + 7,9 2,6 - 18,4 13,2 57,9 92, культурные травы Агростепь + 23,2 4,7 2,3 20,9 11,6 37,3 76, редкие виды растений В возрастном диапозоне от одного до пяти лет уменьшилась численность видов сорня ков. Например, из группы сорных видов, присутствовавших в травяном покрове первого года жизни, к пятому году выпали (были подавлены ценоцидным эффектом агростепи):
Adonis flammea- Centaurea cyanus Горицвет правильный Василек восточный Aegylops cylindrica Consolida regalis Эгилопс цилиндрический Живокость великолепная Alopecurus myosuroides- Conyza canadensis Лисохвост мышехвостниковый Кониза нанадская Alopecurus pratensis- Descurainia sophia Лисохвост луговой Дескурайния Софии Alyssum calycinum- Erodium cicutarium Бурачок чашечный Журавельник цикутовый Ambrosia artemisiifolia- Erysimum aureum Амброзия полыннолистная Желтушник золотистый Anisantha tectorum- Galium aparine Анизанта кровельная Подмаренник цепкий Artemisia scoparia- Lactuca serriola Полынь метельчатая Латук компасный Avena fatua- Lithospermum officinale Овсюг пустой Воробейник лекарственный Barbarea arcuata- Melampyrum arvense Сурепка обыкновенная Марьяник полевой Bromus arvensis- Papaver dubium Костер полевой Мак сомнительный Bromus japonicus- Rumex acetosa Костер японский Щавель кислый Capsella bursa-pastoris- Rumex euxinus Пастушья сумка Щавель клубневой Данный факт – свидетельство возрастающей замкнутости агростепных вариантов в процессе пятилетней демутации, а также конкурентной слабости указанных антропофитов в борьбе за экологические ресурсы с целинно-степной флорой агростепи. Существенный вклад в повышение плотности травостоя при этом внесли дерновины Festuca valesiaca, количество которых в агростепных вариантах колебалось от 60 до 80 шт./0,25 м2, со средним показате лем их диаметра, равном 3,8 см. Покров из культурных трав в пятилетнем возрасте вырожда ется и заменяется сорняками, так как противосорняковая роль травостоев в варианте Культурные травы ограничена временем (три-четыре года). Агростепные варианты покро ва экспериментальной лесополосы, начиная со второго года жизни, становятся источником пополнения запаса семян степных растений в экотопе древостоя.
5.2. Корневые системы травяных видов и деревьев в двурядной тополевой лесополосе Изучение корневых систем Populus nigra и травяного покрова траншейным способом выявило, что максимальный объем корней травяных растений сосредоточен в пределах глу бины 0-40 см от поверхности почвы, глубже их роль ослабевает. Господство корневой сис темы Populus nigra начинается с глубины 50 см, то есть корни двух жизненных форм – де ревьев и трав в процессе потребления влаги и элементов питания оказываются достаточно разграниченными по вертикали почвенного разреза. Уровень конкуренции между этими двумя жизненными формами растений оказывается минимальной.
В самозарастающих экосистемах конкурентная напряженность остается весьма высо кой в течение всей жизни полезащитных насаждений. Производственным лесополосам со путствуют высокорослые сорные травы, с глубоко проникающими в почву подземными ор ганами (Cirsium incanum, Convolvulus arvensis, Sonchus arvensis), имеющие корни длиной от до 6 м.
5.3. Эколого-экономическая и природоохранная оценка биологического способа борьбы с сорняками лесополос методом агростепей Почвозащитные лесные полосы в процессе функционирования являются каркасом, стабилизирующим экологическую ситуацию в агроландшафтах.В связи с этим становится целесообразной минимизация необходимых уходных работ, связанных с обработкой между рядий насаждений, применения технических средств в процессе борьбы с сорняками в их приземном ярусе. Необходимость тщательной борьбы с сорняками сопряжена с большими затратами труда и финансовыми издержками, расходуемыми на создание лесонасаждений в целом. Так, на разовую культивацию одного гектара пашни против сорняков требуется руб. В лесополосах в течение сезона необходимо провести пять культиваций, на что затраты составят 500 руб./га. В течение пяти лет на её проведение в расчете на 1 га затрачивается тыс. рублей. Собственно, данная операция за пять лет ее применения далеко не исчерпывает потенциала сорняков в пахотном слое. Опыт применения гербицидов против сорняков в производственных условиях показывает, что на 1 га обрабатываемой территории требуется в среднем 200 руб. в современных ценах при норме 4 л на га и двукратной обработке в сезон.
Несложный расчет показывает, что на обработку гербицидами одного га площади лесополо сы в течение пяти лет затраты составляют 8 тыс. руб. На первый взгляд подавление сорняков посредством гербицидов может показаться более приемлемым способом в связи с относи тельно низкими затратами на 1 га, но анализ ситуации свидетельствует о серьёзных послед ствиях химического загрязнения не только экосистемы лесополосы, но и прилегающей паш ни с различными сельскохозяйственными культурами. Более того, каждый случай примене ния химических обработок в агроландшафте, в том числе и в лесополосах всегда имеет по следствием массовую гибель фауны: пернатых, насекомых-опылителей и др. К сожалению, в настоящее время эти издержки лишь констатируются, но каких-либо расчетов, выполненных на системной основе, не существует.
С учетом этого может быть предложен экологически комфортный и экономически це лесообразный травостой степного типа – альтернативы длительно существующей сорной растительности в лесонасаждениях, имеющий ряд таких преимуществ:
1. агростепной противосорняковый покров лесополосы закладывается один раз;
2. цена одного га при этом составляет в условиях неустойчивого увлажнения 3 тыс.
рублей;
3. новый прием является экологически чистым;
4. методу агростепей не свойственны негативные эколого-экономические черты приемов культивации и обработки гербицидами сорняков под лесополосами.
ВЫВОДЫ 1. Вторичная восстановительная сукцессия в покрове 20-60-летних лесополос в полу пустыне, сухой, разнотравно-дерновиннозлаковой и луговой степи протекает медлен но, задерживаясь к концу жизни насаждений на сорно-"бурьянистой" и корневищной стадиях, флористическое сходство которых с зональными целинами не превышает %, что обусловлено слабым поступлением семян и плодов степных растений под по лог древостоев, до конца жизни оставаясь источником зачатков многих сорняков: Am brosia artemisiifolia L., Anisantha tectorum (L.) Nevski, Centaurea cyanus L., Cirsium incanum (G.S. Gmel.) Fisch., Elytrigia repens (L.) Nevski и др.
2. Существующие способы борьбы с сорной флорой в лесополосах – культивация меж дурядий и обработка гербицидами в первые пять лет никогда не достигают ожидае мой цели из-за непродолжительности применения, энергоемки и экологически вред ны. После прекращения уходных работ сорняки вновь занимают эконишу приземного яруса, благодаря почвенному запасу их семян, накопленному в предыдущие годы.
3. Варианты покровных травостоев лесополосы первого года жизни в опыте характери зуются господством пашенных сорняков – Amaranthus retroflexus L., Ambrosia artemisiifolia L., Chenopodium album L., Cirsium arvense (L.) Scop., Lactuca serriola L. и др.
4. В возрасте пяти лет агростепные покровные травостои дифференцируются на устой чивые микрогруппировки из видов степной флоры: Bromopsis inermis (Leyss.) Holub, Centaurea orientalis L., Festuca valesiaca Gaudin, Galium ruthenicum Willd., Onobrychis arenaria (Kit.) DC., Phleum phleoides (L.) Karst., Securigera varia (L.) Lassen, Scabiosa ochroleuca L. и др. Вариант "Самозарастание" при этом полностью состоит из сеге тальных сорняков – Cirsium incanum, Convolvulus arvensis, Elytrigia repens и др., по кров из культурных трав в пятилетнем возрасте деградируется в сорный ценоз залеж ного типа.
5. Переход от механического и химического приемов борьбы с сорняками лесополос на биологический способ с помощью метода агростепей, способствует оздоровлению фитоландшафтной ситуации, улучшению охраны природы, снижению затрат, что яв ляется основанием рекомендовать применение данного, нового способа борьбы с сор няками в полезащитных лесных насаждениях.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ Наряду с традиционными способами борьбы с сорной флорой в молодых полезащит ных лесополосах целесообразно использовать новое биологическое средство – метод агро степей, отличающийся экологической комфортностью, высокой экономической и природо охранной значимостью.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Дудченко Л.В. Новый биологический способ борьбы с сорными растениями и их группировками в полезащитных лесных насаждениях //Аграрный вестник Урала.
2010. № 4(70). С. 78-81.
2. Дзыбов Д.С., Дудченко Л.В. Способ биологической борьбы с сорной растительностью в лесных полосах // Патент на изобретение 2010. № 2390983.
3. Дудченко Л.В. К оптимизации фитосанитарного состояния приземного яруса защит ных лесонасаждений в аграландшафте //Труды Кубанского государственного аграр ного университета. 2012. № 1(34). С. 133-136.
4. Дудченко Л.В. Эффективный способ подавления сорных растений в полезащитных лесных насаждениях //Достижение науки и техники. 2012. № 7. С. 37-38.
Публикации в других изданиях:
1. Дудченко Л.В. Эффективный способ создания защитных зон вокруг особо охраняе мых природных территорий // Материалы межрегиональной научно-практической конференции «О состоянии и перспективах развития особо охраняемых природных территорий и проблеме борьбы с деградацией (опустыниванием) земель. ст. Вешен ская, 2005. С. 45-48.
2. Дзыбов Д.С., Лапенко Н.Г., Дружинин В.А., Дудченко Л.В. Геоботанический очерк степной растительности Грачевского района Ставропольского края // сб. научн. труд.
Ставрополь, 2006. С.41-45.
3. Дзыбов Д.С., Дудченко Л.В., Дудченко И.С. Интродукция разнотравно дерновиннозлаковой степи в техногенный каменистый почвогрунт // Эволюционные экологические аспекты интродукции растений на современных этапах (вопросы тео рии и практики). Первая научн.-практич. конф. Краснодар, 2007. С.155-163.
4. Дудченко Л.В. О повышении биоразнообразия и устойчивости дендрологических на саждений нового типа в зоне неустойчивого увлажнения Ставрополья // Научн. конф.
Краснодар, 2008. С. 92-98.
5. Дудченко Л.В. Агростепной метод борьбы с зарослями сорных растений в полеза щитных лесных насаждениях // Теоретические и прикладные проблемы использова ния, сохранения и восстановления биологического разнообразия травяных систем.
Межд. научн. конф. Ставрополь, 2010. С.161 – 164.