Объекты и методы исследований экологии

Программа исследований предусматривала развитие нового научного направления в области экологии и агрономии ? энергетическая оценка почвенно-агрохимических условий устойчивого функционирования агроэкосистем.
При проведении исследований использованы принципы сопряженного и системного подходов, а также принятые в агрохимии, почвоведении и гидрохимии методы: химический, спектральный и атомно-абсорбционный. Результаты исследований обрабатывались с использованием статистических методов.
Особенности разрабатываемого направления обусловили создание новых методических подходов и методов (Методические рекомендации. Пущино, 1983).
Разработана методология (Булаткин, 1980) и создан наблюдательный комплекс на модельном аграрном бассейне р. Любожихи, позволивший в многолетних круглогодичных исследованиях детально рассмотреть входящие и выходящие потоки органического вещества, биологически важных макро- и микроэлементов.
Учёт совокупных затрат на производство продукции земледелия, проводили по методике (Булаткин, 1986).
На выщелоченных чернозёмах Тамбовской области почва экспериментальных участков глинистая и тяжелосуглинистая. В пахотном слое участков содержание Р2О5 (по Чирикову) составляло 25-65; К2О (по Масловой) – 179-237 мг на 1 кг почвы, гумуса (по Тюрину) – 5,5-6,9 %, рHKCI 5,0-6,2. Сумма поглощенных оснований (по Каппену-Гильковицу)-24,0-38,9 мэкв/100 г почвы, гидролитическая кислотность-5,1-6,4 мэкв/100 г почвы. Стекловидность зерна определяли по ГОСТу 10987-64, массу 1000 зерен-по ГОСТу 10842-64, коэффициент пересчёта белкового азота в белок-5,7.
В агроэкосистемах исследовалось влияние различных доз и видов минеральных удобрений на урожай, качество озимой пшеницы и энергетическую эффективность. В течение вегетации и во время уборки отбирались образцы культурных растений для определения продуктивности, химического состава, качества продукции и выноса химических элементов. Перед закладкой опытов были отобраны почвенные образцы со всех делянок опытов почвенным буром на глубины 0-20 и 20-40 см в 4-х кратной повторности. Площадь учётной делянки 100 м2, повторность 3-4-х кратная. Пшеницу высевали по занятому пару (однолетние травы). Опыты закладывались по трём схемам: эффективность одного элемента питания в различных дозах испытывали на постоянном фоне двух других. Аммиачную селитру (50 % годовой нормы), гранулированный суперфосфат и 40 % калийную соль вносили под вспашку осенью. Весной во всех вариантах с удобрениями растения подкармливали азотным удобрением.
Многолетние полевые опыты проводились на серых лесных почвах Экспериментальной полевой станции ИАП АН СССР (южное Подмосковье) в пятипольном севообороте, заложенном в 1977 г. В опытах изучалось влияние интенсивности применения минеральных удобрений на продуктивность агроэкосистем и качество урожая, круговорот органического вещества и химических элементов, биологическую активность серых лесных почв и эффективность вложений антропогенной энергии.
В опытах использовались следующие культуры: озимая пшеница, кукуруза на силос, ячмень + многолетние травы (клевер), травы 1-го года, травы 2-го года. Исследуемые почвы – серые лесные среднесуглинистые оподзоленные со вторым гумусовым горизонтом. Для каждой культуры севооборота было предусмотрено три варианта: без удобрений, N, P и K в дозах, рекомендованных для данной зоны (NРК1), и NРК2 – в дозах, рассчитанных на получение максимально возможного урожая по среднемноголетней влагообеспеченности посевов в течение вегетации (Каюмов, 1977).
Перед закладкой опыта на каждой делянке (площадь 16х60 м) проводился отбор буром индивидуальных почвенных образцов в 8 точках через 20 см до глубины 1 м. Повторность опыта трёхкратная. Проанализировано более 2 тыс. почвенных образцов на содержание подвижного фосфора и обменного калия (в 0,2 н. HСI), суммы поглощенных оснований (по Каппену–Гильковицу), гидролитической кислотности (по Каппену), рHKCI, гумуса (по Тюрину). Полученные результаты химических анализов обрабатывались статистически. Перед закладкой опыта модальные значения содержания подвижных форм фосфора находились в слое 0-20 см в пределах 50-60 мг, обменного калия – 90-120 мг/1 кг почвы, в слое 20-40 см ? соответственно 70-80 и 90-120 мг/1 кг почвы; гумуса в горизонте 0-20 см – 1,5-1,8 %, в горизонте 20?40 см–1,2-1,5 %. Почвы – слабокислые с рНKCI 5,3-5,4.
При оценке энергозатрат на воспроизводство плодородия почв по республикам СССР и экономическим районам России по методике (Булаткин, 1991а) было рассчитано средневзвешенное содержание гумуса,
подвижного фосфора и обменного калия в пахотных почвах с учётом данных (Результаты агрохимического обследования…, 1983) на 01.01.1971 г. и 01.01.1981 г., а также его изменение за 10 лет. По современной России использовались данные из ”Агрохимической характеристики почв…” (2004). Затем на основании разработанных нами эквивалентов было оценено суммарное вложение технической энергии на изменение кислотности почв, количества гумуса, подвижных форм фосфора и калия.
При анализе затрат энергии на воспроизводство плодородия почв использовались следующие нормативы расхода действующего вещества минеральных удобрений для повышения на 1 мг питательных веществ на 100 г почвы: по Р2О5 – 55 кг, по К2О – 70 кг/га (Жуков, 1978; Кулаковская и др., 1984; Шаталова и др., 1986; Рейнфельд, 1978; Кириллова, 2005). Затраты известковых материалов и антропогенной энергии на изменение рH почв оценивались по динамике площадей почв различных групп кислотности и затрат соответствующих рекомендованных доз мелиоранта (Типовые рекомендации…, 1977) с учётом (где было возможно) механического состава пахотных почв республик и экономических районов. В регионах, где не было данных по механическому составу почв, расчет проводился на тяжелосуглинистые почвы. Так как гумус имеет важное значение в продуктивности агроэкосистем, мы определили дополнительную потребность в органических удобрениях и энергоресурсах для полной компенсации его потерь в почвах пашни страны. Коэффициент гумификации органического вещества удобрений принят равным 30 %.
Для исследований по разработке методики баланса питательных веществ и энергии выполнены теоретические исследования и натурные наблюдения за входящими и выходящими потоками макро–и микроэлементов, энергии органи-ческого вещества в модельном аграрном бассейне малой реки Любожихи – притока р. Оки.
Модельный бассейн р. Любожихи расположен в южном Подмосковье с координатами 54о45’–54о49′ северной широты и 37о26’–37о36′ восточной долготы. Водосборная площадь реки до створа наблюдений равна 19 км2, из которых на долю интенсивно удобряемой пашни приходится 8 км2, леса – 7 км2. Поля пашутся под зябь.
Проведён анализ почв, поверхностных и грунтовых вод, атмосферных осадков, почвенного воздуха агроэкосистем, поступления питательных веществ с удобрениями, семенами, атмосферными осадками и пылью и их вынос с урожаем сельскохозяйственных культур, лесными грибами и древесиной, потери химических элементов и гумуса с твёрдым и жидким стоками и технологической эрозией.
На четырех стационарных площадках проводились многолетние режимные круглогодичные наблюдения за целлюлозолитической активностью почв (до глубины 40 см), и за содержанием СО2 в почвенном воздухе агроэкосистем и лесного фитоценоза (до глубины 3 м).
На водотоке оборудован гидрологический пост (трапецеидальный и прямоугольный водосливы и самописцы уровня воды типа “Валдай”). Наблюдения за гидрологическим режимом реки осуществлялись в соответствии с инструкцией Гидрометеослужбы (Наставление …, 1972).
В меженные периоды пробы отбирались 4 раза в месяц, а во время весеннего половодья – несколько раз в сутки и составлялась средневзвешенная (по расходу воды) проба. Содержание взвешенных наносов в воде реки изучалось по методике (Наставление.., 1957).
Образцы природных вод анализировались химическими методами по методикам, опубликованным в руководствах Е.В. Аринушкиной (1961), О.А. Алекина с соавт. (1973).