Мониторинг культуртехнического состояния естественных луговых фитоценозов

Основа мониторинга

Мониторинг - регулярное наблюдение, оценка и прогноз состояния окружающей среды, проводимый по определенной программе. Он позволяет получать объективную информацию о происходящих в природе процессах. Главными объектами мониторинга являются почвы, водные источники, фауна, флора.

На основании данных мониторинга прогнозируются возможные негативные явления, ведущие к нарушению экологического баланса, уменьшению численности и даже исчезновению отдельных видов растений и животных. Мониторинг особенно необходим в условиях нарастания техногенных нагрузок и загрязнения объектов природы, чрезмерного использования ресурсов и отсутствия планомерной работы по их восстановлению. Очень важна информация о деградации почв и снижению продуктивности земель сельскохозяйственного назначения, интоксикации продукции земледелия.

Одним из важнейших объектов мониторинга являются естественные кормовые угодья. В Российской Федерации луга и пастбища занимают 76,3 млн. га, что составляет 39,3 % к общей площади сельскохозяйственных угодий. В Челябинской области на долю сенокосов приходится 549 тыс. га, пастбищ - 1 млн. 376,7 тыс. га, соответственно 11 % и 27,5 % к площади всех сельскохозяйственных угодий.

На основной площади луга и пастбища используются человеком бессистемно. Продуктивность их всецело зависит от двух факторов – погодных условий и интенсивности эксплуатации.

Учитывая это, главная цель мониторинга:

установить происходящие во времени изменения ботанического состава и продуктивности фитоценозов на суходольном и низинном лугу.

предоставить хозяину – землепользователю сведения и рекомендации для осуществления системы мер, позволяющих повысить кормовую ценность и урожайность луга.

В ходе исследования проводился мониторинг ботанического состава и продуктивности низинного (пойменного) и верхового (суходольного) участков луга на основе общепринятых методик исследования растительного покрова естественных кормовых угодий и с использованием определителей высших растений (7-17).

Срок и продолжительность выполнения проекта – 3 года (2005-2007 года). Исполнители: воспитанники Чебаркульского районного Центра детского творчества , учащиеся 9 класса.

Объект исследования

Выбранные для мониторинга участки луга по рельефу, почвенному и растительному покрову типичны для условий лесостепной зоны предгорий Челябинской области. Они расположены в пойме небольшой речки Лобановки, протекающей с юго-запада на северо-восток на территории землепользования хозяйства «Тимирязевское» и Челябинского НИИСХ.

Луг используется как сенокосное угодье жителями поселка Тимирязевский Чебаркульского района. При выборе участка мониторинга бралось во внимание отсутствие деревьев и кустарников, явных признаков повреждения дернины, стравливание травостоя скотом, выхода глин и щебня на дневную поверхность, а также наличие несвойственной лугу сорной растительности. Характеристика низинного и суходольного лугов.

Почвы на участке мониторинга представлены на суходольном и низинном участках луга черноземом выщелоченным, среднесуглинистым и среднемощным. В низинной части луга отмечены признаки, присущие как чернозему выщелоченному, так и лугово-черноземной почве. Глубина залегания грунтовых вод на суходоле составляет 4,8 м, на низинном участке луга - 3,9 м. Мощность гумусного горизонта варьирует на верховом участке луга от 28 до 34 см, низинном – от 38 до 43 см. Содержание гумуса в генетическом горизонте А1 составляет соответственно 5,8 % и 6,1 %. Различия других агрохимических свойств почвы незначительны: слабокислая реакция почвенного раствора (рН солевой вытяжки 5,9 - 6,1), плохая обеспеченность подвижным фосфором (34 - 42 мг/кг) и хорошая обменным калием (127-135 мг/кг). По бледно - зеленой окраске листьев у злаковых трав можно судить о недостатке в почве минеральных форм азота. На обоих участках луга встречаются пятна, где растения имеют мощную надземную массу темно - зеленого цвета, что свидетельствует о лучшей обеспеченности почвы азотом за счет гниения и минерализации органического вещества небольших куч ранее неубранной скошенной травы. Относительно невысокий процент в травостое бобовых видов исключает возможность проявления свободной азотофиксации за счет деятельности клубеньковых бактерий на корнях клевера, чины, мышиного горошка и других представителей семейства Бобовые.

Обзор литературы

К лугам относят растительные сообщества, основу которых составляют многолетние травянистые растения – мезофиты, требующие для своего развития умеренно влажные и умеренно богатые сравнительно теплые почвы с достаточной аэрацией.

Луга свойственны преимущественно лесной зоне и на равнине, и в горах. Почти все они возникли в результате деятельности человека, связанной с уничтожением лесной растительности и превращением лугов в сенокосы или пастбища.

Луговым ценозам свойствен особый дерновый тип почвообразования. Луговой биоценоз – это комплекс групп живых организмов: высших и низших растений, грибов и различных представителей животного мира.

Основной особенностью луга является общая маломощность растительного яруса с ежегодным разрушением его по окончании вегетации растений. Сильное физическое воздействие на луг оказывают выпадающие осадки, когда подземные части луговых ценозов могут оказаться полностью разрушенными при сильных ливневых дождях и граде. Весной и в начале лета луговые растения испытывают сильные перепады температуры.

Травостой и дернина – два основных биогеоценотических горизонта, определяющих структуру лугов. Травостой образуется из надземных органов луговой растительности. Дернина – это гумус, образующийся за счет подземных органов растений, представителей почвенных организмов и запасов минерального питания растений.

Луговые ценозы характеризуются хорошо выраженной сезонной изменчивостью – сменой фенологического состояния компонентов сообщества. Число видов травянистой растительности сильно варьирует. Это зависит от общего состава флоры, условий произрастания, длительности существования сообщества, формы и степени влияния деятельности человека и других факторов.

Все луга традиционно делят на две группы: водораздельные суходольные (материковые) луга и пойменные (заливные), сформировавшиеся в речных долинах.

Территорию под лугами лесной зоны подразделяют на два топографических клона местоположений: верховые (суходольные) и низинные, формирующиеся в низких частях склонов, на днищах оврагов.

На суходольных лугах увлажнение происходит, в основном, за счет атмосферных осадков, а в низинных - за счет близко залегающих к поверхности почвы грунтовых и натечных вод, собирающихся с окружающих приподнятых участков.

Особенность луговой растительности состоит в том, что само её появление и существование, в основном, зависит от деятельности человека. Использование лугов только в качестве сенокосов и пастбищных угодий сохраняет их как тип.

Луговой растительности свойственен и другой тип применений, также происходящий без влияния человека - разногодичная изменчивость или так называемая флуктация. Она связана с метеорологическими условиями вегетационного сезона и проявляется в изменении соотношения обилия разных видов или групп видов в травяном покрове конкретного сообщества. Видовой состав при этом, в целом, не меняется, и перемена облика ценоза зависит от сопряженного увеличения или уменьшения растительной массы, образованной видами разной экологической природы, входящими в одно сообщество.

Флористическое богатство луговых ценозов зависит от нескольких причин: общего состава флоры района, условий произрастания, длительности существования сообщества, формы и степени влияния деятельности человека.

Сенокошение оказывает на луговую растительность резкое воздействие: удаляются надземные органы, нарушается ритм вегетации и ограничивается семенное размножение. После удаления травостоя уменьшается минеральное питание, увеличивается прогрев почвы, повышается испарение, что приводит к иссушению. Выпас уплотняет почвы, понижая их проницаемость для воды и воздуха, растительность уничтожается постепенно, удобряются пастбища экскрементами животных неравномерно. Только естественные луга могут представлять комплекс растений, где наряду с ценными кормовыми растениями присутствуют и малоценные в кормовом отношении растения, но они способны улучшать у животных аппетит, обладают лекарственным и молокогонным действием.

В Уральском регионе накоплен значительный экспериментальный материал и опыт производства, дающий представление о состоянии луговых фитоценозов и эффективных способов повышения их продуктивности и питательной ценности. Изменение во времени ботанического состава и урожайности многолетних трав на лугах и пастбищах в различных природных зонах Южного Урала отражены в отчетах Челябинского НИИСХ по мониторингу агроэкологического состояния земель в 20 муниципальных районах.

Причины изменения во времени видового состава травостоя и снижения его продуктивности обусловлены уплотнением дернины, ухудшением водного и пищевого режима в корнеобитаемом слое почвы, следствием чего является уменьшение количества некоторых видов ценных в кормовом отношении бобовых растений, например красного клевера. Нарушение аэрации дернины и его водоудерживающей способности особенно заметно проявляется в годы с недостаточным количеством атмосферных осадков. Затопление пойменных лугов также ведет к ухудшению аэрации. Бессистемная пастьба и сенокошение при отсутствии мер ухода является главной причиной деградации естественных кормовых угодий.

В условиях преобладания в травостое злаков, при отсутствии или малом количестве бобовых компонентов, всегда проявляется уплотнение дернины и дефицит в почве минеральных соединений азота. Становятся заметны внешние признаки азотного голодания растений: слабое развитие вегетативной массы, плохая облиственность, бледно - зеленая и желтоватая окраска листьев, низкорослость. Наличие в травостое клевера, люцерны, эспарцета, донника, чины луговой и других бобовых трав способствует накоплению в почве аммиачного и нитратного азота.

Метеорологические условия в период вегетации луговых трав в 2005 и 2006 годах

Погода во время интенсивного роста и развития луговой растительности в 2005 году в разные периоды была неустойчива и существенно отличалась от средних многолетних показателей. Так, июнь характеризовался несвойственным для этого месяца обилием атмосферных осадков, низким дефицитом влажности воздуха при относительно невысокой сумме положительных температур. Обычно дождливый июль в 2005 году был засушливым. Если в июне выпало 109 мм осадков при норме 60 мм (182 %), то в июле всего 45 мм при норме 76 мм (59 %).

Гидротермический коэффициент, отражающий отношение суммы осадков к сумме эффективных температур, составлял в июне 2,18 (избыточное увлажнение), а в июле всего 0,78 (засуха).

Погодные условия 2006 года были очень контрастными, в течение лета холодная дождливая погода сменялась жаркой и сухой. Наибольшее количество осадков выпало в третьей декаде июня - 55 мм, что составило 239 % от декадной нормы. В августе наблюдался дефицит осадков по сравнению со средним многолетним показателем.

Своеобразные и нетипичные для местного климата погодные условия в 2005, 2006 года не смогли не отразиться на продуктивности многолетних трав.

Методика проведения мониторинга

Геоботаническое обследование суходольного и низинного луга проводилось визуально с последующим уточнением месторасположения и почвенного покрова по карте землеустройства и почвенной карте хозяйства «Тимирязевское» и Челябинского НИИСХ.

На подобранных для мониторинга участках суходольного и низинного лугов накладывались рамки 1 м х 1 м в трехкратной повторности. На площадках в границах рамок изучался видовой состав трав и проводился учет скошенной серпом зеленой массы. Первый укос и учет продуктивности травы оба года проводился в июне в период массового цветения, второй – в конце сентября и начале октября, после отрастания отавы в период колошения злаков и начала цветения бобовых и разнотравья.

Отобранная с площадок трава в течение месяца высушивалась в марлевых мешочках при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния. Видовой состав трав устанавливался при помощи ботанического определителя и справочников. Исследование и учет растительности проводился в соответствии с общепринятыми методическими правилами. Хозяйственная оценка кормовых достоинств осуществлялась согласно учебной литературе.

Взвешивание убранной с учетных площадок фитомассы проводилось на бытовых чашечных весах с точностью +/- 1 г. В журналах наблюдений и учетов урожай оценивался в граммах на квадратный метр и в центнерах на гектар (г/м2, ц/га).

Результаты мониторинговых исследований

Ботанический состав луговых фитоценозов

Видовой состав трав на участках изучаемого луга представлен следующими хозяйственно-ботаническими группами:

Семейство Бобовых;

Семейство Злаковых;

Разнотравье невысоких кормовых достоинств;

Непоедаемые и ядовитые растения.

Последние две группы луговой растительности состоят из экземпляров различных видов, принадлежащих к разным ботаническим семействам.

Установлены различия состава травостоя на суходольном и низинном участках луга, а также различия в составе фитоценозов между 1-м и 2-м укосами в 2005 и 2006 годах (таблица 4,5,6,7).

Бобовые многолетние травы - главный источник растительного белка в рационе травоядных домашних животных, особенно коров. На суходольном лугу количество бобовых растений, наиболее ценных в кормовом отношении луговых трав, в 2005 году составило 5 видов, из которых преобладающими по массе были клевер ползучий (1 укос) и мышиный горошек (2 укос), а по количеству - мышиный горошек. В 2006 году среди бобовых растений появился новый вид – клевер лупиновый, но исчез клевер ползучий и количество бобовых растений на суходольном лугу также составило 5 видов. При этом по массе преобладал клевер луговой, а по количеству также, как и в 2005 году, - мышиный горошек. На низинном лугу в 2005 году всего бобовых растений было обнаружено 4 вида, из них редко встречающийся в фитоценозе – сочевичник весенний, а в 2006 году – 5 видов, добавились клевер луговой, чина луговая, горошек заборный, но исчез сочевичник весенний. На этом лугу по количеству и массе в 2005 году преобладал клевер ползучий, а в 2006 году – по массе преобладал клевер луговой, и по количеству – мышиный горошек.

Видовой состав семейства злаков был чуть многочисленней, чем бобовых растений. На суходольном лугу оба года исследования было обнаружено 7 видов, но их видовое разнообразие по годам имеет отличия: в 2006 году появились овсец пустой, пырей ползучий, овсянница луговая, тимофеевка луговая вместо осоки пузырчатой, ковыля перистого, белоуса торчащего и ситника жабьего. В 2005 году в составе этого важного источника энергоемкого и питательного корма животных преобладали ежа сборная и мятлик луговой – первый по продуктивности, второй по количеству экземпляров на 1 кв. м. Это соотношение сохранилось и в 2006 году. На низинном лугу в 2005 году было собрано 5 видов, а в 2006 году – 3 вида злаковых растений. Не было обнаружено овсяницы луговой, осоки пузырчатой, но появился овсец пустой. По массе в 2005 году преобладала ежа сборная, а по количеству – мятлик луговой. И в 2006 году эти виды остались преобладающими среди злаковых растений.

Наиболее многочисленным по видовому составу явилось разнотравье. На суходольном лугу в 2005 году выявлено 17 видов трав, а в 2006 году – 35 видов, что на 18 видов больше. Преобладающими видами в 2005 году были по массе репейник обыкновенный и медуница неясная, а по количеству – таволга вязолистная и герань лесная. В 2006 году по массе преобладал василек шероховатый, а по количеству – будра плющевидная. На низинном лугу в 2005 году было обнаружено 15 видов, а в 2006 году – 26 видов, что на 11 видов больше. По массе в 2005 году преобладала таволга вязолистная, а в 2006 году – конский щавель. По количеству в оба года преобладала будра плющевидная.

Увеличение видового количества разнотравья можно объяснить более благоприятными метеорологическими условиями во второй год исследования в период всхожести семян.

В группе непоедаемых и ядовитых растений наиболее опасным видом является лютик золотистый, мало отличающийся по вредности от своего ближайшего родственника лютика ядовитого. Борщевик сибирский в виду жгучих выделений относится к непоедаемым растениям в свежем виде и может быть использован на корм только в составе засилосованных луговых трав. Полынь горькую обычно поедают только овцы и козы. Случайно съеденные коровами растения полыни делают молоко горьким и малопригодным для употребления человеком.

На суходольном лугу в 2005 году было обнаружено 3 вида, а в 2006 году – 2 вида растений (отсутствовала полынь горькая). На низинном лугу в оба года исследования было выявлено 2 вида растений. По массе в оба года преобладал борщевик сибирский, а по количеству – лютик золотистый (2005 год) и лютик едкий (2006 год).

Общие сведения по преобладающим видам растений в луговом фитоценозе за 2005 – 2006 года.

В оба года исследования проводились по 2 укоса на суходольном и низинном лугах, и четко выявилась тенденция уменьшения видового состава растений во втором укосе. Данные результаты возможно объяснить ухудшением климатических условий, более коротким сроком во второй половине вегетационных периодов и отсутствием второго периода вегетации у некоторых растений.

Количество видов луговых трав в составе хозяйственно-ботанических групп на участке мониторинга в 2005 и 2006 годах.

Продуктивность суходольного и низинного луга на участке мониторинга

На суходольном лугу урожай зеленой массы в сумме за два укоса в 2005 году составил 121,5 ц/га, что на 10,42 ц/га меньше, чем в 2006 году, где этот показатель составил 131,92 ц/га. Урожай сена в 2005 году составил 40,6 ц/га, что на 5,27 ц/га меньше, чем в 2006 году - 45,87 ц/га.

На низинном лугу урожай свежескошенной фитомассы за два укоса в 2005 году был ниже на 19 ц/га, чем в 2006 году (112,5 ц/га и 131,6 ц/га соответственно). Урожай сена в 2005 году составил 34,5 ц/га, что на 14,65 ц/га меньше, чем в 2006 году - 49,15 ц/га.

Если сравнивать продуктивность трав суходольного и низинного лугов, то в 2005 году этот показатель был в пользу суходольного луга:

урожай зеленой массы на суходольном лугу был 121,5 ц/га, а на низинном лугу – 112,5 ц/га;

урожай сена – 40,6 ц/га и 34,5 ц/га соответственно.

Предполагалось, что продуктивность низинного луга должна быть выше, чем суходольного. Однако в сумме за два укоса оказалось наоборот. Причиной такого явления, возможно, явилась высокая конкурентноспособность некоторых видов разнотравья, обладающих более мощной корневой системой и лучшей облиственностью, чем у злаковых и бобовых растений, например, у репейника обыкновенного, скерды кровельной, будры плющевидной. Соотношение отдельных групп трав по весу с учетной площади в 2005 – 2006 годах отражено наглядно в диаграмме.

В 2006 году были почти одинаковые показатели урожайности зеленой массы на суходоле и низинном лугу (131,92 и 131,6 ц/га соответственно), а также урожай сена на этих лугах - 45,87 и 49,5 ц/га соответственно.

При оценке количественных значений продуктивности луга необходимо учитывать своеобразные погодные условия в период вегетации трав в 2005 и 2006 годах. Продолжение мониторинга в последующие годы позволит получить надёжную корректную информацию о тенденциях изменений во времени культуртехнического состояния естественных кормовых угодий.

Предусмотренные программой и рабочей методикой исследования проводились в течение двух лет на закрепленных стационарных площадках в типичных для лесостепной зоны природных условиях.

Мониторинг культуртехнического состояния лугового фитоценоза позволил получить сведения о ботаническом составе и продуктивности многолетних трав на суходольном и низинном участках естественного луга в пойме речки Лобановка.

В фитоценозах на суходольном и низинном участках луга произошли следующие изменения: значительно увеличился видовой состав разнотравья в 2006 году с 17 до 35 видов на суходольном лугу и на низинном лугу – с 15 до 26 видов, что предположительно может быть связано с более благоприятными условиями в начальный период вегетации растений. На участках мониторинга за два года обнаружено 6 видов бобовых трав, 9 видов злаковых трав и 4 вида в группе непоедаемых и ядовитых растений.

Урожай зеленой массы всех видов растений по сумме двух укосов составил на суходольном лугу 121,5 ц/га в 2005 году и 131,92ц/га в 2006г. , на низинном 112,5 ц/га в 2005г. и 131,6 ц/га в 2006г. , сена сответственно 40,6 ц/га в 2005г и 45,87 ц/га в 2006г, 34,5ц/га в 2005г и 49,15 ц/га в 2006г.

Погодные условия в период вегетации луговых трав в 2005 и 2006 годах существенно отличались от средних многолетних норм, что повлияло на рост, развитие, численность и продуктивность отдельных видов и хозяйственно-ботанических групп трав .

Наблюдения, выполненные по программе мониторинга, позволяют говорить о необходимости проведения на обоих участках луга агротехнических приемов, обеспечивающих увеличение в травостое численности ценных в кормовом отношении бобовых и злаковых видов трав, уничтожение ядовитых и непоедаемых растений, улучшение азотно-фосфорного режима питания за счет применения удобрений. К агротехническим приёмам относятся такие как щелевание, подсев в существующий травостой бобовых и злаковых трав, внесение в оптимальных дозах удобрений, уничтожение сорных и ядовитых растений.

Программа действий

В соответствии с научными рекомендациями по повышению продуктивности и питательной ценности луговых трав считаем целесообразным провести на участке мониторинга следующие работы:

После второго укоса и уборки травы на сено тщательно собрать послеуборочные остатки травы, удалить ядовитые и сорные растения и провести щелевание при помощи лущильника с плоскими дисками.

Весной при наступлении физической спелости почвы в естественный травостой подсеять семена ценных злаковых и бобовых трав, используя для этого специальные зерно-травяные дисковые сеялки, а при их отсутствии - обычные зерновые сеялки. В этом случае семена бобовых и злаковых трав надо смешать с сухими опилками. Рекомендуются для посева следующие виды многолетних трав: клевер красный, люцерна желтая и синегибридная, тимофеевка луговая, овсяница луговая, кострец безостый, эспарцет песчаный, житняк ширококолосный. На участке пойменного луга рекомендуется подсев в естественный травостой двойных и тройных травосмесей, более требовательных к режиму увлажнения: клевер красный + тимофеевка луговая, клевер красный + кострец безостый + тимофеевка луговая; на участке суходольного луга: клевер красный + люцерна синегибридная и другие.

Норма высева семян компонентов травосмеси устанавливается с учетом лабораторной всхожести семян, примерно, в равных по весу отношениях бобовых и злаковых видов, например 5-7 кг клевера, 2-3 кг тимофеевки луговой и столько же овсяницы луговой. При наличии в естественном травостое злаков производится подсев к ним одного клевера 6-8 кг на 1 га.

На участке луга с преобладанием злаков следует внести азотные и фосфорные удобрения (например, аммиачную селитру или суперфосфат) или сложные азотно-фосфорные (например, аммофос или нитрофос), а на участке с преобладанием бобовых трав – фосфорные. В среднем на участках суходольного и пойменного участков луга, где осуществлялся мониторинг, на 1га следует внести ранней весной до начала отрастания травы 40-60 кг азота и 30-40 кг фосфора (1,3,21). Применение неоправданно завышенных доз азотного удобрения может привести к занитрачиванию фитомассы и в последствии - к токсикозу животных, съедающих корм содержащий нитраты выше предельно допустимых концентраций (ПДК). В тоже время, избыток азота в почве способствует повышению конкурентной способности злаковых трав и вытеснению из травостоя бобовых на 2-й - 4й годы от внесения азотного удобрения. По данным Х. С. Юмашева за счет азотно-фосфорного удобрения (N60 P 40) урожай сена на улучшенном лугу возрос с 13,7 до 44,9ц с гектара (+31,2 ц). При этом энергоемкость фитомассы увеличилась с 16,7 до 53,4 ГДж (+36,7 ГДж), кормовых единиц с 877 до 2694 (+1817 к. е. ), перевариваемого протеина с 100 до 305 кг с гектара (+205 кг/га). Чистый доход на 1 кг действующего вещества удобрений составил 1130 рублей.

4. Для борьбы с широколистными сорняками и малоценными в кормовом отношении растениями, на лугу целесообразно применить гербицид. В опытах Челябинского НИИСХ гербицид фосулен повысил урожай сена старовозрастного травостоя на 7,3 ц/га.