Агроэкологическая оценка сельскохозяйственных культур. Агробиоценотические основы земледелия

Помимо источника азотного питания растений биологический  азот имеет большое экологическое  значение. Находясь в почве в составе  органического вещества, он не вымывается и не загрязняет почву и грунтовые  воды нитратами, как это часто  происходит с минеральным азотом. А период наиболее активного разложения корневых остатков и клубеньков с  выделением в почву аммиака, нитратов и других доступных для растений питательных веществ совпадает с периодом интенсивного роста большинства сельскохозяйственных культур (май–июнь), когда эти соединения азота могут быть поглощены растениями в больших количествах.

С важной агроэкологической  функцией сельскохозяйственных культур  связано и пополнение запасов  органического вещества в почве  за счет корневых, пожнивных или  поукосных остатков растений. Здесь опять на первом месте оказываются посевы многолетних трав, особенно их злакобобовые смеси. В условиях Московской области после уборки клеверо-тимофеечной смеси 2‑го года пользования в дерново-подзолистой почве остается 7– 8 т/га сухих корневых и поукосных остатков, что и по количеству, и по качеству равноценно внесению 30–35 т/га хорошего навоза. В то же время после озимой пшеницы и озимой ржи остается 3–4 т/га, после ячменя и овса –2–3 т/га растительных остатков.

По накоплению растительных остатков в почве основные полевые  культуры можно разместить в следующий  убывающий ряд: многолетние травы  – кукуруза на силос – озимые зерновые – яровые зерновые – зерновые бобовые – сахарная и кормовая свекла – картофель – лен-долгунец. Однако эта последовательность может  изменяться в зависимости от местных  почвенно-климатических условий, удобрений, обработки почвы, орошения и других факторов.

С накоплением растительных остатков в почве связано и  влияние сельскохозяйственных культур  на физическое состояние почвы–ее строение, структуру, плотность, водопроницаемость и др. Но особое агроэкологическое значение имеет воздействие сельскохозяйственных растений на структуру почвы, на содержание в ней водопрочных агрегатов. Это связано с тем, что водопрочные агрегаты не разрушаются водой, и между их количеством и водопроницаемостью почвы существует тесная прямая связь. На хорошо оструктуренных почвах с их высокой водопроницаемостью можно быстро перевести поверхностный сток во внутренний и устранить угрозу смыва и разрушения почвы. Большое агроэкологическое значение имеет и то обстоятельство, что структурные агрегаты размером больше 1 мм не подвергаются выдуванию и препятствуют развитию дефляции.

Известно, что в формировании водопрочной структуры почвы  большое участие принимает почвенный  гумус. Поэтому растительные остатки, различные виды органических удобрений  или другой способ обогащения почвы  органическим веществом повышают структурность  и улучшают другие агрофизические свойства почвы. Хорошо известно положительное  влияние на структуру почвы посевов  многолетних трав. Их наличие в  структуре посевных площадей отвечает задачам экологизации современных систем земледелия и имеет большое значение для разработки системы севооборотов, особенно в районах с благоприятными условиями возделывания многолетних трав.

2. Агробиоценотические основы земледелия. Структура агробиоценоза. Компоненты, трофические связи

Агробиоценоз – это  совокупность различных групп почвенных  организмов (бактерий, грибов, актиномицетов, водорослей, лишайников, простейших, беспозвоночных, насекомых, позвоночных).

Численность и активность различных групп почвенных организмов по-разному изменяется в зависимости  от угодья, культуры, интенсивности  и способа механической обработки  почвы, применения органических и минеральных  удобрений, мелиорантов, пестицидов, загрязнения тяжелыми металлами и другими токсикантами.

Проявление биологической  активности почв в первую очередь  связано с микрофлорой благодаря  ее высокой численности, общей поверхности  и активности. Количество микроорганизмов  во всех почвах возрастает после распашки. Например, численность бактерий в  выщелоченных черноземах по усредненным  данным увеличивается с 3 млн. в 1 г  почвы на целине до 5 млн. в 1 г почвы  после освоения, численность актиномицетов  – с 1,5 млн. до 3 млн в 1 г почвы. В выпаханных черноземах наблюдается уменьшение микронаселения.

Биогенность лесных почв сильно возрастает при внесении извести и навоза. Например, общая численность микробов при окультуривании дерново-подзолистых почв увеличивается с 2– 3 млн./г в горизонте А1 до 6–7 млн./г в пахотном слое. При этом усиливаются процессы аммонификации, нитрификации, азотофиксации.

Интенсивность почвенно-биологических  процессов зависит помимо содержания гумуса и особенно детрита от качественного  их состояния. В степной зоне, например, отчетливо прослеживается увеличение численности бактерий и актиномицетов (преобладающих в микробоценозе) от черноземов южных к солонцеватым черноземам и солонцам по мере повышения дисперсности гумуса при снижении общего его содержания в этом ряду. После распашки данная закономерность усиливается. Наиболее высокая интенсивность минерализационных процессов, подтверждаемая высокой скоростью разложения целлюлозы, нитрификации, увеличением численности микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота, наблюдается в солонцах в связи с повышенной доступностью для микроорганизмов их органического вещества. Этим процессам способствуют карбонатность и щелочность среды.

При дефиците влаги, ограничивающем урожай растений в степной зоне, а следовательно, использование элементов питания, высокая интенсивность минерализационных процессов в карбонатных и солонцеватых почвах приводит к непроизводительному расходу органического вещества, потерям минерального азота вследствие нисходящей миграции избытка нитратов. Предотвращение этих процессов достигается, как уже отмечалось, за счет биологической аккумуляции азота при оставлении соломы и снижении темпов минерализации органического вещества при минимизации обработки почвы.

Наряду с микроскопическими  грибами и бактериями определенный агрономический интерес представляют почвенные водоросли. Тем более, что в функциональном отношении они как фототрофные организмы являются продуцирующим компонентом, выполняющим определенную роль в образовании первичной продукции, служат дополнительным фактором аккумуляции энергии. Важной стороной жизнедеятельности почвенных водорослей является также фиксация молекулярного азота. Наиболее существенный вклад в накопление связанного азота они вносят на почвах степных и пустынных биогеоценозов, где широко распространены азотфиксирующие синезеленые водоросли, образующие значительную биомассу.

В агроценозах под влиянием смены растений и агротехнических мероприятий состав почвенных водорослей претерпевает существенные изменения, характер которых неодинаков в разных природных зонах. Так, в почвах лесной зоны, имеющих достаточное увлажнение, но относительно низкую биологическую активность, роль почвенных водорослей под влиянием культуры усиливается, особенно азотфиксирующих видов из синезеленых, нередко образующих видимые разрастания на поверхности почвы.

Ранее уже упоминалось  о влиянии различных культур, севооборотов, систем обработки на почвенную микрофлору и биологическую  активность почв. Обширная информация по этому поводу, накопленная для  большинства регионов, позволяет  использовать данные приемы для регулирования  микробиологических процессов в  почве.

Существенное влияние  на эти процессы оказывают минеральные  удобрения. Обогащая почву элементами минерального питания и стимулируя развитие растений, они способствуют повышению биологической активности почвы, увеличивают численность  и активизируют деятельность почвенных  микроорганизмов. Этим объясняется, в  частности, усиление минерализации  органического вещества. Дополнительно  поглощенный растениями азот, высвобождающийся из почвенного гумуса под влиянием азотных удобрений, называют экстраазотом. Вопрос о количественной стороне этого процесса дискутируется. Имеются данные о том, что под влиянием азотных удобрений усиливается минерализация только бедных азотом (СгИ более 40) растительных остатков.

Серьезную агрономическую и  экологическую проблему представляет регулирование процесса нитрификации в почвах. Приходится решать ее как в плане интенсификации этого процесса, так и в противоположном, учитывая потери самых дорогостоящих удобрений и последствия загрязнения окружающей среды нитратами и промежуточными продуктами нитрификации.

Нитрификация в почвах может протекать двумя путями. Автотрофная нитрификация осуществляется специфическими нитрифицирующими бактериями. Наиболее эффективно она протекает  в почвах при хорошей аэрации, оптимальной для растений влажности, нейтральной реакции среды, в  результате чего образуются нитраты и нитриты с возможным промежуточным образованием газообразных соединений азота. В последнее время установлено, что процесс нитрификации могут осуществлять и гетеротрофные почвенные микроорганизмы (бактерии, грибы). Это происходит при повышенном содержании органического вещества, слабокислой реакции и дефиците кислорода.

Помимо рассмотренных  выше агротехнических средств регулирования  нитрификации, которыми не всегда достигается решение этой задачи, особенно в интенсивных технологиях, применяются ингибиторы нитрификации (органические соединения из класса хлорпиридинов, пиримидинов и др.).

Применение высоких несбалансированных доз минеральных удобрений, особенно азотных, приводит к появлению ряда негативных для почвенной биоты эффектов. В кислых почвах происходит активное развитие грибов и снижение числа бактерий, повышается доля видов, способных выделять токсичные вещества, которые могут негативно влиять не только на растения, но и на беспозвоночных.

Азотные удобрения оказывают  двоякое влияние на процессы фиксации атмосферного азота в почвах. В  небольших дозах (до 60–70 кг/га) они  способствуют повышению активности азотфиксации, а в высоких дозах снижают как симбиотическую, так и несимбиотическую азотфиксацию.

Особую проблему представляет взаимодействие почвенной биоты с пестицидами. Оно имеет два аспекта: влияние пестицидов на биоту и деградация пестицидов под влиянием почвенной биоты. И та и другая стороны проблемы пока что далеки от исчерпывающих оценок. Нередко имеют место противоречивые толкования, что связано с большим разнообразием пестицидов, условий их применения и превращения, недостатком информации.

При повышении пестицидной нагрузки почвенный микробный комплекс может претерпевать четыре стадии изменения:

• в зоне гомеостаза биоцид не вызывает существенных изменений, наблюдается устойчивое колебание численности отдельных групп микроорганизмов или активности метаболических процессов около определенного среднего уровня;
• в зоне стресса наблюдаются количественные изменения на уровне временного угнетения жизнедеятельности, обратимая депрессия;
• в зоне изменения резистентности происходят устойчивые сдвиги, индуцирующие смену доминантных форм;
• в зоне репрессии происходит разрушение микробного комплекса.

Реакция микробопеноза считается обратимой, если микробиологическая деятельность (численность и видовой состав) восстанавливается в течение 60 сут после воздействия, и необратимой, если ингибирование отдельных форм микроорганизмов более чем на 50% сохраняется до конца вегетационного периода.

Нарушение цикла в развитии отдельных групп микроорганизмов  в течение 30 дней при любых стрессовых ситуациях расценивается как  нормальное, естественное явление.

Рассматривая с этих позиций  данные о влиянии на почвенные  микробоценозы интенсивных технологий возделывания полевых культур с длительным (5-8 лет) и систематическим применением современных пестицидов, можно отметить, что изменения численности и активности основных групп микроорганизмов находятся в основном в пределах гомеостаза, реже – выходят в зону стресса. Однако имеется и другая точка зрения, согласно которой последствия применения пестицидов характеризуются выпадением наиболее чувствительных видов.

Опасные нарушения равновесия микробных ценозов возникают из-за высоких концентраций пестицидов вследствие нарушения технологий. Наиболее чувствительны к воздействию пестицидов микроводоросли, нитрификаторы, азотфиксаторы, деструкторы целлюлозы, симбионты. Эти организмы можно рассматривать в качестве индикаторов.

Другой аспект проблемы связан с интенсификацией очищающей  способности почвенной биоты по отношению к пестицидам, большинство которых являются ксенобиотиками, т.е. чужеродными соединениями, ранее не присутствовавшими в биосфере. Они могут быть разрушены только микроорганизмами.

Способность к трансформации  и детоксикации пестицидов показана для многих форм микроорганизмов. Наиболее велика в этом отношении роль бактерий, затем актиномицетов и грибов. Особое значение принадлежит микроорганизмам ризоплана. Соединения, которые в условиях чистой культуры микробов не подвергаются деградации, в природе все-таки деструктурируются микробиологическим путем вследствие кооперативного воздействия. Из всех групп пестицидов наиболее легко разлагаются гербициды, с наименьшей скоростью – фунгициды.

При необходимости остаточное токсическое действие пестицидов в  почве можно продлить, если одновременно с ними вносить ингибиторы микробиологической активности.

Для разложения пестицидов в почве требуется сочетание  определенных экологических условий (аэрации, температуры, реакции среды, наличия органического вещества и др.). Нередки случаи, когда необходимо вмешательство человека в естественные процессы очищения почвы. Это достигается  в основном путем создания оптимальных  условий для микроорганизмов-деструкторов. В особых случаях возможна инокуляция почвы некоторыми их видами. Поиск  микроорганизмов-деструкторов ведется  давно, их выделяют из природной среды  либо конструируют генно-инженерными  методами. Технологии ликвидации высокого уровня загрязнения почвы пестицидами  в результате различных экстремальных  ситуаций с помощью микроорганизмов-деструкторов пока еще не разработаны, но успешные примеры их применения имеются.