Эколого-мелиоративное состояние агроландшафтов степной и лесостепной зон Западной Сибири и условия их оптимизации: На примере агроландшафтов Омского Прииртышья

Использование обществом природного ландшафта в процессе сельскохозяйственного производства в Х1Х-ХХ веках привело к существенным изменениям, трансформированию и деградации большей части его компонентов. Объективно, с интенсификацией сельского хозяйства все больше углубляется противоречие между мероприятиями, направленными на повышение продуктивности сельскохозяйственных культур и действиями, направленными на поддержание стабильности ландшафта и качества среды. На современном этапе проблема рационального использования природных ресурсов в сельском хозяйстве должна решаться на эколого-мелиоративной балансово-экологической основе, суть которой состоит в обеспечении в процессе использования воспроизводства ресурсов. Таким образом, повышение продуктивности аграрного производства объективно должно сопровождаться улучшением состояния окружающей природной среды и восстановлением затраченных на производство природных и материальных ресурсов.

Следовательно, оптимизация природопользования в аграрной сфере, обуславливает, прежде всего, глубокое и системное исследование состояния объекта оптимизации, в качестве которого выступает агроландшафт, его современная структура, эколого-хозяйственное состояние, а также, взаимосвязь его компонентов, тенденции изменения во времени и пространстве, а также факторы, влияющие на экологическое равновесие агроландшафта в целом.

Современный агроландшафт формируется в большей степени под воздействием хозяйственной деятельности, но сохраняет основные черты природного ландшафта. Эта двойственность определяет современные формирующие его элементы — с одной стороны природные компоненты (почвы, рельеф и гидрографическая сеть, вода, воздух и микроклимат, растительность и животный мир), с другой — элементы системы земледелия и организации территории (земельные угодья, севообороты, агротехнологии, почвозащитные и гидротехнические сооружения и т. д.).

Таким образом, для оптимизации современного агроландшафта важное значение приобретает не только совершенствование систем сельскохозяйственного производства в ландшафтно-экологическом аспекте, но и повышение эффективности и качества мониторинга за состоянием среды. Зная современное состояние и степень антропогенной трансформации агроландшафта, можно разрабатывать эффективные технологии сельскохозяйственного производства.

Актуальность проблемы История сельскохозяйственного освоения территории лесостепи и степи Западной Сибири, в том числе Омского Прииртышья, связана с антропогенной нагрузкой, виды, объемы и сроки которой, с современных экологических позиций, привели к деградации природных и аграрных ландшафтов.

За последние сорок лет доля вовлеченных в пашню земель увеличилась с 60% в южной лесостепи Омской области, до 73% в степной зоне. Доля же сре-достабилизирующих, в т. ч. природных угодий составляет 31% и 19% соответственно, а лесных угодий 12% и 4%. В качественном соотношении естественные угодья представлены в основном азональными галофитными сообществами на солонцах и солончаках, а также травянистыми луговыми, пойменными и болотными фитоценозами. Зональные типчаково-ковыльные и луговые степи полностью распаханы. Под угрозой исчезновения находятся аборигенные зональные виды растений и животных.

Увеличение водозабора на коммунальные нужды и орошение, зарегулирование стока Иртыша, привели к снижению уровня воды, обмелению рек бассейна Иртыша, особенно в лесостепной зоне. Под влиянием инженерного при-родообустройства сельскохозяйственных территорий (дорожного строительства, устройства мелиоративных систем) и оросительных мелиораций, произошли локальные изменения гидрогеологических условий, прежде всего повышение уровня грунтовых вод, подтопление и заболачивание отдельных территорий, вторичное засоление. На фоне общей аридизации климата, глобальных природных и локальных техногенных изменений водного баланса лесостепи и степи активизируются эрозионные процессы.

Урбанизация и технический прогресс способствовали загрязнению почв, воздуха, водных объектов, как на селитебных территориях, так и в прилегающих агроландшафтах. Кроме того, химизация земледелия привела к специфическим загрязнениям сельскохозяйственных угодий аграрных ландшафтов. В результате чего нарушаются энергетические и обменные процессы в агроланд-шафтах, повсеместно отмечается изменение их водного и теплового режимов, снижение плодородия почв, деградация аборигенной растительности. Снижение культуры земледелия в последние годы, нарушение технологических процессов производства при применении элементов интенсивных технологий усугубляют проблему.

Аридная зона — южная лесостепь и степь — занимает 1/3 территории Омской области, но она на 70% обеспечивает производство валовой продукции от сельского хозяйства, в том числе 90% продукции растениеводства. Однако деградация природных компонентов и антропогенных элементов агроландшафта неизбежно приводят к ситуации, когда вложение средств не обеспечивается эквивалентным приростом продуктивности. При этом непрерывно растет опасность загрязнения и разрушения природной среды.

Решение сложного комплекса технологических, экономических и экологических проблем, повышение продуктивности сельского хозяйства возможно, прежде всего, на основе глубокого исследовании факторов, определяющих современное состояние агроландшафтов и разработке на этой основе технологий, способов и методов восстановления и поддержания его экологического равновесия и оптимизации хозяйственной емкости.

Цель и задачи исследований.

Главной целью исследований является оценка качественных изменений компонентов современных аграрных ландшафтов Омского Прииртышья в связи с увеличением антропогенной нагрузки и разработка комплекса мер по оптимизации хозяйственной емкости, восстановления экологического равновесия и повышения продуктивности агроландшафта степной и лесостепной зоны Западной Сибири на примере Омской области.

Сообразно цели решались следующие наиболее важные задачи:

• Исследование почвенных, гидрогеологических, гидролого-мелиоративных условий южной лесостепи и степи Омской области, выявление качественных изменений в динамике.

• Анализ систем земледелия, землеустройства и природопользования на изучаемой территории с целью оценки уровня антропогенной нагрузки.

• Выявление ключевых моментов изменения компонентов агроландшафта при длительном воздействии мелиораций.

• Проведение крупномасштабной эколого-мелиоративной оценки и эколо-го-мелиоративного районирования лесостепной и степной зон Омской области.

• Анализ методических подходов к оптимизации агроландшафтов аридной зоны и возможности их экстраполяции на изучаемую территорию.

Объектом исследования являлись природные и антропогенные компоненты агроландшафтов лесостепи и степи Омской области.

Предмет исследований — закономерности изменения свойств основных типов агроландшафтов под влиянием антропогенной деятельности.

Научная новизна.

• Впервые, на основе метода гидролого-климатических расчетов и полевых ландшафтных исследований изучены основные тенденции антропогенной трансформации агроландшафтов южной лесостепи и степи Омской области.

• На основе полученного материала и выявленных тенденций трансформации компонентов агроландшафта проведена эколого-мелиоративная оценка и эколого-мелиоративное районирование территории.

• Обоснована необходимость применения ландшафтно-экологического подхода в сельскохозяйственном производстве региона для оптимизации использования ресурсного потенциала.

• Предложен вариант природоохранного экологического каркаса аридной зоны Омского Прииртышья.

Практическая значимость работы.

Проведенные исследования позволили выявить закономерности трансформации агроландшафтов, провести эколого-мелиоративное районирование. Предложен комплекс мер по оптимизации структуры и использования агроландшафтов лесостепной и степной зоны. Эколого-мелиоративное районирование территории позволит корректировать существующие в настоящее время системы земледелия и землеустройства, разработать систему мероприятий, направленных на улучшение использования ресурсов агроландшафта, повышения его продуктивности и поддержание экологического равновесия в агроэкосисте-мах.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены на научно-практических конференциях: всероссийских (Петрозаводск 2001), региональных (Омск 2000,.

2001,2002). Кроме того, результаты работы ежегодно докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ОмГАУ (1998;2002). Материалы исследований использовались при выполнении квалификационной работы на международных курсах «Орошение и дренаж с учетом факторов окружающей среды», проходивших в Израиле в 2002 году.

Защищаемые положения Комплексная методика оценки современного мелиоративного состояния агроландшафтов в степной и лесостепной зонах.

Результаты эколого-мелиоративной оценки современного состояния агроландшафтов, выполненные на единой генетической основе путем совместного решения уравнений тепловлагопереноса.

Комплексное эколого-мелиоративное районирование в целях обоснования оптимального использования агроприродного потенциала, способов и методов мелиораций.

Эколого-мелиоративные приемы оптимизации использования агроландшафтов в современных условиях сельскохозяйственного производства.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

Изучение агроландшафтов южной лесостепи и степи Омской области и их антропогенной трансформации проводилось в период 1998;2001 гг. Методологическая основа работы: системный анализ, сравнительногеографический, водно-балансовый, картографический, математический и статистический методы.

Теоретическая основа работы — положение современной биогеоценологии о теснейшей взаимосвязи всех компонентов ландшафта и процессов, протекающих в нем. Метод ретроспективного анализа позволяет проследить изменения структуры агроландшафтов и характера землепользования во времени. В работе использовались архивные материалы и данные ведомственных отчетов о натурных обследованиях территории: материалы внутрихозяйственного землеустройства, почвенные и агрохимические очерки и отчеты, проекты систем земледелия, геоботанические описания. Анализ и обобщение данных материалов позволили проследить морфологические изменения агроландшафтов под влиянием антропогенной деятельности.

Проведенные в 1999;2001 гг. детальные полевые ландшафтно-экологические исследования отдельных типичных для региона, ключевых участков в южной лесостепи и степи Омской области позволили выявить степень антропогенного влияния и изменение ценотических связей отдельных компонентов ландшафта. Комплексные полевые ландшафтные исследования проводились в схожих по природным и хозяйственным условиям агроландшафтах — в южной лесостепи (Исилькульский, Марьяновский, Омский, Кормиловский) и степной зоне (Павлоградский и Одесский районы).

Ключевые участки выделены по результатам исследования документации административных районов и конкретных хозяйств, почвенных карт, а также по индикационным видам растительности (эталонный участок естественных угодий). Все участки расположены на зональных черноземах обыкновенных и черноземах южных. Исследовались компоненты ландшафта: почвы, растительность, микрофлора, микроклимат.

Изучение растительности естественных угодий проводилось на выделенных ботанических площадках по стандартной методике [137,139]. Площадь ботанической площадки — 100 м². Внутри каждой площадки проводились укосы в 4 повторностях с 1 м², описано по 10 малых площадок (0,25 м² каждая). На них учитывалось проективное покрытие, покрытие злаков и разнотравья, частота встречаемости видов, средняя высота травостоя и высота каждого вида. Затем учитывались все виды, не вошедшие в малые площадки, но попадающие в большие. В камеральных условиях на основе малых площадок проведен расчет продуктивности наземной фитомассы естественных угодий. Засоренность сельхозугодий (пашни, залежных многолетних трав) вегетирующими сорняками определялась глазомерно и количественно-весовым методом. Определение видового состава сорной растительности по H.A. Плотникову и др., (1972), естественной растительности по В. Н. Кравченко (2000).

Почвенное обследование и морфологическое описание генетических особенностей проведено на основании сопоставления фондовых разрезов и заложенных автором полуям. Параллельно, в соответствие с требованиями к отбору почв [90,45] был послойно, на глубину 1,0 метр, проведен отбор проб на химический анализ и содержание гумуса. Химические анализы проводились в межкафедральной лаборатории Омского ГАУ. Солевой состав водной вытяжки определялся по Гедройцу [42,43,44], рН водной суспензии — потенциометрически. Содержание и запас основных элементов питания в почве (нитратный азот, подвижный фосфор, обменный калий) определялись по общепринятым в России методикам [40,41]. Нитратный азот по Грандваль-Ляжу. Подвижный фосфор и обменный калий по Чирикову, на карбонатных почвах — по Мачигину. Содержание гумуса в почве определялось по Тюрину [116] также послойно через 10 см до глубины 70 см при трех-четырехкратной повторности.

Интенсивность биологических процессов определялась по разложению целлюлозы в почве в слое 0.20 см. В 2000 году в южной лесостепи на десяти участках на черноземе среднемощном среднегумусовом при разных вариантах использования, и одном ключе степной зоны (5 участков). В 2001 году опыт был повторен в лесостепной зоне, по трем срокам изъятия полотна.

Образцы почв для изучения качественного и количественного состава альгофлоры отбирали по общепринятой методике [34] из слоя 0−1 см рендоми-зированно. Это устранило неравномерность пространственного распределения водорослей и характеру средних данных. Качественный состав водорослей выявляли методом водных и почвенных культур. Результаты качественного анализа альгофлоры сопоставляли с помощью коэффициента Жаккара. Численность водорослей определяли прямым микроскопированием, работа велась на микроскопе МБИ- 6 при окуляре 40.

Данные полевых опытов обработаны статистически [50]. Все полевые исследования и отборы проб почв проводились непосредственно автором. Альго-логический анализ образцов почв проведен под руководством доцента кафедры почвоведения Омского ГАУ Леоновой В.В.

Наряду с полевыми исследованиями были изучены фондовые и картографические материалы, данные отраслевых ведомств, государственных организаций и служб, а также результаты известных исследований, характеризующие особенности природопользования и природные условия аридной зоны Омского Прииртышья. На основе математического анализа гидролого-климатических материалов выявлены тенденции общей аридизации климата и влияние антропогенного фактора на климат аридной зоны. Статистический анализ данных изменения уровня грунтовых вод сопряженный с изучением геоморфологии и литологического состава почвогрунтов, а также особенностями сельскохозяйственного водоснабжения позволил сделать вывод о преимущественно антропогенных причинах поднятия грунтовых вод, вторичного засоления и формирования азональных природных комплексов вблизи селитебных территорий. Применение метода гидролого-климатических расчетов (ГКР), предложенного B.C. Мезенцевым [87] позволило моделировать изменение компонентов агро-ландшафта при изменении уровня грунтовых вод и гидротермических условий.

В работе широко использован метод типологического картографирования, в основу которого положен комплексный анализ крупнои среднемасштабных тематических карт региона, литературных источников и результаты математической обработки данных материалов Госкомстата Омской области, Государственного комитета по земельным ресурсам и землеустройству, «Схемы противо-эрозионных мероприятий», материалы годовых отчетов сельскохозяйственных предприятий, первичные материалы Росгидромета по Омской области, первичные материалы по гидрогеологии Омского отделения Гидрорежимной партии Новосибирской нефтегазоразведочной экспедиции, данные ежегодных отчетов о состоянии окружающей природной среды Омской области и данные исследований автора по указанной тематике.

Выводы и предложения.

Выполненное исследование по выявлению современного эколого-мелиоративного состояния агроландшафтов позволяет сделать следующие выводы и предложения: • Низкий уровень экологичности современного сельского хозяйства аридной зоны Омского Прииртышья привел к трансформации и деградации ландшафтообра-зующих компонентов, экологическая емкость агроландшафтов при существующих формах природопользования исчерпана.

Антропогенная деятельность подстегнула процессы водной 'эрозии, дефляции и суффозии. Для аридной зоны характерна деградация почвенного покрова. В сравнение с целинными черноземами и в старопахотных почвах при экстенсивном земледелии отмечено снижение содержания гумуса на 17−54% (в слое 0−20) и на 13−14% (в слое 0−70 см), доступных форм фосфора и калия. Наиболее плодородными являются почвы под старовозрастными залежами (старше 50 лег) и лесополосами. Отмечено загрязнение почв и грунтовых вод агроландшафтов нефтепродуктами и их компонентами, кадмием, цинком, свинцом, пестицидами и их производными. Целлюлозолитическая активность почв в агро-фитоценозах в сравнение с естественными экосистемами, выше, особенно при орошении животноводческими стоками.

В орошаемых агроландшафтах наблюдается прогрессирующее вторичное засоление почв на площади более 30 тыс.га. Динамика уровней грунтовых вод указывает на увеличение площадей с уровнем от 2 до 3 м с 8 тыс. га до 22 тыс. га, с УГВ 3−5 метров с 8.5 до 45 тыс.га. Вследствие нерационального водопользования на водоразделе также отмечено поднятие среднегодовых уровней грунтовых вод вблизи населенных пунктов в пределах 26 метров за период с 1965 по 1999 и трансформация компонентов ландшафта: засоление и деградация почв, заболачивание, смена растительных сообществ.

Фитоиндикация черноземных почв по алыогруппировкам показала преобладание видов, свидетельствующих об осолодении, отсутствие форм-показателей экологического благополучия (желто-зеленые), в орошаемой пашне выявлены чуждые экосистеме виды.

Естественные степные и лугово-стенные фитоценозы, использующиеся как сенокое-но-пастбищные угодья отличает низкая продуктивность (3,1 — 13,6 ц/га сена), снижение доли разнотравья, присутствие рудеральных видов. Наиболее деградировать фигоцеиозы степной зоны.

Экологическая емкость агроландшафтов, устойчивость и ресурсы восстановления экосистемы при современных условиях аграрного производства снижены, в степной зоне правобережья Иртыша исчерпаны.

• Качественное и количественное соотношение пашни и средостабилизирующчх угодий в агроландшафтах препятствуют созданию высокопродуктивной экологически устойчивой саморегулирующейся системы.

Оптимальным для аридной зоны является лесоаграрный ландшафт с площадью поля 100−200 га, заключенный в каркас лесополос и березовых колков.

В зоне южной лесостепи необходимо довести долю лесов с 8−12% до 1 8−20% за счет лесомелиоративных насаждений. В степной зоне до 10−12%, с обязательной долей естес!-венных сенокосов и пастбищ не менее 6−8%(на правобережье Иртыша за счет создания аг-ростепей).

При лесомелиоративном устройстве предпочтение следует отдавать зональным видам древесно-кустарниковой растительности.

• Эколого-мелиоративные особенности аридной зоны Омского Прииртышья определяют переход на водосберегающие экологичные способы орошения, реконструкции существующих мелиоративных систем и широкого применения лесомелиорации и фитомелиораций.

В условиях аридизации климата территории — повышения среднегодовых температур на 1,8 °С, снижение водности водоемов, периодичности сухих (суммарный дефицит увлажнения 440−624 мм) и влажных лет (суммарный дефицит увлажнения 246−398мм) возрастает роль комплексных мелиорации территории. Показатели суммарного увлажнения варьируют в пределах 413−516 мм во влажный, 335−400 мм в средний, 226−375мм в засушливый год. Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов климата составляет 798−835 мм в средний год, 761−831 мм во влажный, 809−883мм в засушливый гол. Показатели среднегодовой влажности метрового слоя почвы в долях от наименьшей влагосмкости в пределах 0,67−0,78 во влажный, 0,58- 0,61 в средний, 0,5- 0,65 мм в засушливый гол. Коэффициенты увлажнения 0,53−0,65 во влажный, 0,38- 0,48 в средний, 0,31- 0,48 мм в засушливый год. Суммарный сток в засушливый год составляет 1−3% от суммы атмосферных осадков, во влажные годы достигает 7−10%. Показа гели расходных балансовых эле.

• ментов резко увеличиваются при высоком уровне грунтовых вол. В типичных средне и тяжелосуглинистых почвогрунтах участие грунтовых вод в испарении начинается при уровне ближе 4,5 м от поверхности.

Засоленность почвогрунтов и развитие процессов современного солепакоиления. высокий уровень грунтовых вод на большей площади аридной юны (2−5 метров), определяют необходимость доработки существующих оросительиых систем дренажом, строгое 41 соблюдение рекомендованных режимов орошения, оросительиых и поливных норм. В целях рационального водопользования и предотвращения деградации почв рекомендуется применение низконапорных дождевальных установок и капельног о орошения.

Более 13% площади аридной зоны (распаханные солонцы, сильнокомплексные почвы) необходимо перевести из пашни в сенокосы с залужением солеустойчивыми травами и травосмесями в целях сохранения почвенного плодородия, улучшения кормовой базы жи-" вотноводства и уменьшения нагрузки на естественные угодья. На орошаемых деградированных (сильносмытых, вторично засоленных) почвах вводить до 50% бобовых грав (донник, люцерна, козлятник восточный и др.) в севообороты для бездефицитною баланса 1у-муса и азота.

Улучшение микроклимата за счет лесомелиоративного обустройства территории позволит увеличить естественное увлажнение на 15−20%, сократить испарение с поверхност и ф почвы на 30−40%, повысить относительную влажность воздуха на 10%, снизить промерзание корнеобитаемого слоя почвы в зимний и перегревание в летний период, еппзшь скорость ветра, улучшить снегонакопление, снизить эрозионные процессы. • Повышение продуктивности и устойчивости агрожосистем возможно только при переходе на адаптивно-ландшафтные системы земледелия с одновременным сохранением природной среды в рамках регионального экологического каркаса ф, В целях оптимизации водного и теплового режимов почв, предотвращения эрозии необходимо соблюдать рекомендованные для зоны почвозащитные приемы обработки (безотвальную, плоскорезную основную, глубокое рыхление, чередование отвальной и безотвальной обработки в севообороте, оставление стерни и посев кулис для снегозадержания и пр.) в рамках зональных систем земледелия. Поддержание плодородия почв как за счет научно обоснованной системы удобрений, так и за счет введения в севообороты бобовых грав, оставления соломы на полях, сидеральных паров и пр. Повышение продуктивности земледелия в современных экономических условиях возможно при выращивании перспективных культур и новых сортов, развитии семеноводства. Развитие кормопроизводства необходимо для повышения общей хозяйственной продуктивности агроландшафтов за счет животноводства и для снижения пастбищной нагрузки на естественные экосистемы.

В целях оптимизации структуры агроландшафтов, а также поддержания устойчивости экосистем и сохранения биоразнообразия необходимо принятие концепции экологического ф каркаса на региональном уровне. Признать важными элементами каркаса все древеснокустарниковые насаждения и леса, как особо защитные участки леса в соответствие с природоохранным законодательством и лесным кодексом РФ, и ограничить режим лесопользования. Увеличить долю охраняемых территорий на правобережье, особенно в степной зоне, том числе за счет создания комплексных и ботанических заказников местного значения. Для сохранения флоры и фауны коренных луговых степей необходимо создание заповедника в лесостепной зоне с соответствующим режимом охраны.