Агроэкологическая оценка ландшафтов Выборгского района Ленинградской области

Агроэкосистемы, или аграрные экологические системы, — сознательно спланированные человеком территории, на которых сбалансировано получение сельскохозяйственной продукции и возврат её составляющих на поля для обеспечения круговорота минеральных и органических веществ. В правильно спланированные агроэкосистемы, кроме пашен, входят пастбища или луга и животноводческие комплексы. К основным компонентам агроэкосистем относятся:

— внешняя среда и ее влияние;

— продуценты (полевые культуры и сорняки);

— прямые потребители (человек, домашние животные, вредители, возбудители болезней);

— редуценты (почвенная микрофлора, микрои мезофауна, питающаяся отмершей органической массой).

Все эти компоненты взаимосвязаны в цепи питания, но в отличие от большинства естественных экосистем агроэкосистемы в значительной степени разделены пространственно.

Основная задача агроэкосистем — давать максимальную продуктивность необходимого для человека продукта, ради которого создается агроэкосистема. В первую очередь — это получение максимального урожая в земледелии. Максимальный урожай — это тот урожай, который получается при оптимальном обеспечении факторов роста и развития растений, зависящих от технологии земледелия (агротехнологии), т. е. при 100% выполнении правил агротехники. (http://cito-web.yspu.org/link1/metod/met20/node30.html)

Целью данной работы является оценка конкретных агроэкосистем Выборгского района Ленинградской области. Необходимо определить устойчивость почв к антропогенному воздействию, направленность и интенсивность процессов деградации, определение основных мероприятий для снижения антропогенного воздействия на данные агроэкосистемы.

Исходные данные:

Почва: дерново — среднеподзолистая легкосуглинистая на покровных суглинках. Южный склон, средневолнистая территория. С/х угодья — 200 км от СПб. Культура: Озимая пшеница.

? 12 лет Гумус — 5,2% 4,0

рН — 6,0 5,0

Р₂О₅ — 250 мг/кг 100

К₂О — 200 мг/кг 100

V — 80%

Плотность — 1,12 г./см³ 1,20

h — 26 см

Q — 3,0*10⁹ ккал

K_q — 3,0%

W₁ — 200 мм в почве

K_w — 510 мм на 1 ц Металлы:

Cd — 2,2 мг/кг — почва, 0,30 мг/кг — фон; Cr — 14,2 мг/кг, 8,1 мг/кг — фон

1. Характеристика Выборгского района

Выборг — город в России, административный центр Выборгского муниципального района Ленинградской области. Выборг расположен на западе Карельского перешейка в 122 км к северо-западу от центра Санкт-Петербурга и в 27 км к востоку от границы с Финляндией. Географические координаты: 60°42?33? с. ш. 28°44?39? в. д. Максимальная высота над уровнем моря — 51 м.

Граничит:

· на севере — с Каменногорским городским поселением,

· на востоке — с Гончаровским сельским поселением,

· на юге — с Советским городским поселением,

· на западе — с Селезнёвским сельским поселением.

Город расположен на берегу Выборгского залива, находящегося в северо-восточной части Финского залива. Это крупный экономический, промышленный и культурный центр Ленинградской области, порт на Балтике, важный узел шоссейных и железных дорог.

Выборг, основанный в Средние века шведами, с 2010 года является единственным историческим поселением Ленинградской области. До 1940 года это был второй по величине город Финляндии. Среди достопримечательностей — Выборгский замок, библиотека Алвара Аалто, парк Монрепо. Всего в Выборге сосредоточено более 300 различных памятников: архитектурных, исторических, скульптурных, археологических, садово-паркового искусства. С марта 2010 года — «Город воинской славы».

Численность населения — 80 896 чел. (2013), площадь — 160,847 км?. Выборг — второй по населению и крупнейший по площади город в Ленинградской области.

1.1 Климат

Климат города морской с переходом к континентальному. Зима умеренно мягкая, лето умеренно тёплое, что для такой географической широты объясняется влиянием Гольфстрима. При этом максимальная температура, зарегистрированная в Выборге, составляет +34,6°C, а минимальная ?38°C.

В целом климат Выборга более холодный, чем климат расположенного на более низкой широте Санкт-Петербурга, а самый холодный месяц — февраль. Среднегодовая температура +4,8°C (для Петербурга +5,8°C).

Осадков в Выборге выпадает немного больше, чем в Петербурге. Больше осадков выпадает летом, осенью и зимой, существенно меньше — весной. Годовое количество осадков 677 мм, в зимний период выпадают преимущественно в виде снега. Среднегодовая относительная влажность воздуха — 80%. Преобладают юго-западные ветры. Среднегодовая скорость ветра — 3,4 м/с.

Весной и летом наблюдается явление белых ночей, при максимальной долготе дня 19 ч. 10 мин., а минимальной — 5 ч. 38 мин. Число часов солнечного сияния — 1530 в год. В среднем дневная инсоляция на горизонтальной поверхности составляет 2,79 кВт/м?.

1.2 Рельеф и геологическое строение

Город расположен на территории Выборгской низменности. Рельеф пересечённый, средняя высота над уровнем моря повышается к северу, самая высокая точка (51 м) расположена в Скандинавском микрорайоне. В центральной части города самое высокое место — Батарейная гора (33 м) Выборг находится в пределах Балтийского щита, где близко к поверхности выходят кристаллические породы раннепротерозойского периода, преимущественно — гранит-рапакиви. Поэтому морены здесь имеют менее резкие очертания. На вершинах коренные породы обнажены, а на нижних, более пологих склонах прикрыты песчаной и супесчаной мореной с гравием, щебнем и валунами. Они покрыты озёрными и озёрно-аллювиальными отложениями четвертичного периода. Характерными ледниковыми формами рельефа являются «бараньи лбы». Берег Финского залива сильно изрезанный, с множеством скалистых островов и проливов между ними. Вдоль берега протянулись песчаные террасы высотой 2−5 метров, ограниченные высокими уступами. Вблизи города есть месторождения облицовочного камня.

1.3 Почвы и растительность

Почвы на территории города, преимущественно, подзолистые, бедные перегноем и отличающиеся значительной кислотностью. Основными почвообразующими породами являются пески и супеси, подстилаемые суглинками и глинами. Велико количество камней — более 500 м?/га. Среднегодовая температура земли 3,8°C. Сельскохозяйственное использование почв требует искусственного улучшения.

В городе имеется большое количество озеленённых территорий. Общая площадь городских парков и скверов составляет более 432 тыс. м?. В центре города произрастают, преимущественно, лиственные породы деревьев, а на окраинах сохранились коренные еловые и сосновые леса.

По степени окультуренности почва относится к хорошо окультуренным дерново — подзолистым почв (по заданию).

1.4 Экология

В городе наблюдается повышенный уровень загрязнения атмосферного воздуха, отмечались превышения ПДК в 4 раза. Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха являются энергетические комплексы и автотранспорт.

Высок уровень загрязнения почв, в зоне промышленных предприятий он приближается к чрезвычайно опасному. Высоко содержание тяжёлых металлов, особенно свинца и цинка.

Город находится на территории с повышенной концентрацией радона. В подвалах некоторых зданий радиационный фон превышает ПДК.

2. Оценка продуктивности агроэкосистемы

2.1 Расчет величины потенциального урожая (ПУ), который может быть теоретически достигнут при соблюдении агротехники и оптимальных почвенных условиях.

Определение ПУ озимой пшеницы, если Q = 3,0*10⁹ ккал

ПУ =Q*Kq/100*q*100, ц/га

Q — сумма радиации за период вегетации, ккал/га

Kq — коэффициент использования фотосинтетической реакции, %

q — калорийность органической массы единицы урожайности, ккал/га ПУ = 3,0*3,0/100*4450*100 = 20,2 ц

Определение ПУ, если Km = 0,45 абс. сухой массы и стандартной влажности 0,5

ПУ тов=20,2*0,45=9,1 ц/га — на сухую биомассу ПУ тов =20,2*0,5=10,1 ц/га — на станд. влажность

2.2 Определение КОУ по влагообеспеченности посевов

КОУ=100*W/Kw, ц/га

W — ресурс продуктивной влаги, мм

Kw — коэффициент водопотребления мм/ц

W=W1+P, мм

P — сумма осадков, испарения растениями, мм

W1 — ресурс прод. влаги, которая есть в почве

P=D*К, мм

D — количество осадков на данной территории, мм К — коэффициент испарения Р=677*0,7=474 мм

W=200+474=674 мм КОУ=100*674/510=132 ц/га КОУтов. прод.=132*0,45=59,4 ц/га — на сухую биомассу КОУтов. прод.=132*0,5=66 ц/га — на станд. влажность

2.3 Определение действительно возможной урожайности (ДВУ)

Лимитирующий фактор — обеспеченность элементами питания.

ДВУ=Д/В, ц/га

Д — количество элементов питания, которые могут быть получены растениями из почвы В-вынос элементов питания на формирование продукции Гумус — 5,2%

К₂О — 200 мг/кг Р₂О₅ — 250 мг/кг

h — 26 см (0,26 м) Плотность — 1,12 г./см³

М (пах. слоя)=10 000*1,12*0,26=2912 т

Расчет ДВУ по N, P, K

Определение запасов N по содержанию гумуса:

Запасы гумуса (х) 100 кг — 5,2 х= 2 912 000*5,2/100=151 424 кг

2 912 000;х а) Запасы N: в гумусе № 5%

100 кг — 5 кг N х= 151 424*5/100=7571,2 кг — общий запас N 151 424-х б) Минерализуется № 1,5%

100 кг — 1,5 кг х=7571,2*1,5/100=113,6 кг

7571,2-х в) Усвоение N — 40%

100 кг — 40 кг х= 113,6*40/100=45,4 кг — количество N, который может быть

113,6-х усвоен из почвы озимой пшеницей г) ДВУ= 45,4/3 (_{вынос оз. пшеницей N)}=15,3 ц/га

ДВУ Р₂О_5:

а) 1 кг — 250 мг/кг х = 2 912 000*250/1000=728 кг/га

2 912 000;х б) К исп.

100 — 5 х=728*5/100=36,4 кг

728-х в) ДВУ=36,4/1,1_{(вынос оз.пшен. Р)} =33,1 ц/га

ДВУ К₂О

а) 1 кг — 200 х=2 912 000*200/1000=582 кг

2 912 000;х б) Кисп.

100 кг — 10 х= 582*10/100=58,2 кг 582-х в) ДВУ=58,2/2,5_{(вынос оз. пшен К)} =23,3 ц/га

N (15,3) P (33,1) K (23,3)

Продуктивность лимитирует в первую очередь N, затем К₂О.

2.4Определение продуктивности при помощи почвенно-экологических индексов

ПЭИ= 12,5 (2-V)*M*D?t›10?C*(Kувл. — р) / КК+100,

V — плотность почвы, средняя для метрового слоя

M — коэффициент по гран. составу

D — дополнительный поправочный коэффициент

?t›10?среднегодовая сумма активных температур р — та влага, которая сущ. в почве

КК = 360 (t_max - t_min)/Ш+10,

t_max — средняя температура теплого месяца

t_min — средняя температура холодного месяца Ш — широта местности КК=360 (34,6 — (-38)) / 60+10=373,4

ПЭИ=12,5*0,52*0,86*1*2430 (1,1−0,05)/373,4+100=30

Перевод в балл бонитета: 30*0,92=27,6 балла

27,6*0,17 (цена балла)=4,69 ц/га

3. Оценка устойчивости почв к антропогенному воздействию

Устойчивость — способность почвы сохранять производительную способность при антропогенном воздействии и восстанавливать свои свойства после его прекращения.

1. Почвообразующие породы:

1) 0 баллов — морена, флювиогляциальные отложения, аллювиальные, пески.

2) 1 балл — моренные и флювиогляциальные отложения на выровненных депрессиях, маломощные пески и супеси, подстилаемые мореной.

3) 2 балла — легкие суглинки, подстилаемые мореной.

4) 3 балла — моренные суглинки и глины.

5) 4 балла — карбонатные, покровные суглинки и глины.

2. Рельеф:

1) 0 баллов — сильноволнистая территория › 10?.

2) 1 балл — средневолнистая 3−10?.

3) 2 балла — устойчивая не более 3?.

3. Увлажнение:

1) 0 баллов — подзолы и дерново — подзолистые почвы на песках.

2) 1 балл — супеси.

3) 2 балла — суглинистые почвы, дернорво — карбонатные.

4) 3 балла — аллювиальные дерново — глеевые почвы.

5) 4 балла — аллювиально — луговые, болотные.

4. Теплообеспеченность:

1) 0 баллов — Северные склоны.

2) 1 балл — Восточные склоны.

3) 2 балла — Западные склоны.

4) 3 балла — Ровные склоны, суглинистые и легкие почвы.

5) 4 балла — Почвы южной экспозиции, суглинистые.

5. Гумусированность (запасы гумуса в Апах. — 0 — 20 см):

1) 0 баллов — ЗГ ?10 т/га — крайне неустойчивые почвы.

2) 1 балл — ЗГ 10−20 т/га — неустойчивые.

3) 2 балла — ЗГ 20−40 т/га — малоустойчивые.

4) 3 балла — ЗГ 40−60 т/га — относительно устойчивые.

5) 4 балла — ЗГ 60−80 т/га — устойчивые.

6) 5 баллов — ЗГ?80 т/га — высокоустойчивые.

6. Кислотность:

1) 0 баллов — сильнокислые и кислые почвы рН?4,5 — неустойчивые.

2) 1 балл — среднеи слабокислые с рН 4,5−5,5 — относительно неустойчивые.

3) 2 балла — нейтральные, близкие к нейтральным — устойчивые.

7. Степень насыщенности почв основаниями (V):

1) 0 баллов — V ?20% - неустойчивые.

2) 1 балл — V 20−40% - малоустойчивые.

3) 2 балла — V 40 — 60% - относительно устойчивые.

4) 3 балла — V 60−80% - устойчивые.

5) 4 балла — V 80−100% - высокоустойчивые.

8. Первичная биопродуктивность (по неотчуждаемой биомассе сухого вещества, ц/га):

1) 0 баллов —? 40 — неустойчивые.

2) 1 балл — 40−60 — малоустойчивые.

3) 2 балла — 60−80 — относительно устойчивые.

4) 3 балла — 80−100 — устойчивые.

5) 4 балла — ?100 — высокоустойчивые.

9. Степень сельскохозяйственной освоенности:

1) -3 балла — слабоокультуренные почвы ?5т/га (слабая агротехника, низкая насыщенность органическими и минеральными удобрениями (?60 кг/га)).

2) -2 балла — среднеокультуренные почвы 5−10 т/га (оптимальная агротехника, минеральные удобрения (60−180 кг/га).

3) -1 балл — высокоокультуренные почвы ?10 т/га (высокий уровень агротехники, минеральные удобрения (?180 кг/га).

10. Оценка почв по? баллов:

1) Крайне неустойчивые — 0−4 балла.

2) Неустойчивые — 5 — 9 баллов.

3) Малоустойчивые — 10 — 14 баллов.

4) Относительно устойчивые — 15 — 19 баллов.

5) Устойчивые — 20 — 24 балла.

Оценка дерново-среднеподзолистой легкосуглинистой почвы

4. Оценка степени и периода деградации

агроэкосистема земля деградация

Деградация — совокупность процессов, которые приводят к изменению функции почв, ухудшают их свойства, снижают природно-хозяйственное значение.

В зависимости от факторов выделяют 4 типа деградационных ландшафтов:

1. Земли технологической, или эксплуатационной деградации. Земли не пригодны без рекультивации (карьеры, торфопредприятия, земли под строительство).

а) Физическая деградация — это итог процессов нарушения сложения почвы, нарушение комплекса физических свойств. Причины: низкая культура земледелия.

б) Агроистощение — это потеря плодородия в результате потери элементов питания, ухудшения реакции среды, ППК. Причина: нарушение систем земледелия.

2. Эрозия — нарушение покрова почв поверхностными стоками вод. Причины:

1) Осадки ливневого характера;

2) Рельеф;

3) Изреженное проективное покрытие;

4) Породы, подверженные размыванию;

5) Гран. состав.

3. Засоленные почвы — избыточное накопление легкорастворимых солей.

4. Заболоченные почвы — изменение водного режима, выражается во временном переувлажнении, подтоплении или затапливании почв.

Степень деградации определяется по баллам:

0 — недеградированные почвы — продуктивность соответствует оптимальному плодородию;

1 — слабо деградированная почва — снижение продуктивности не более 25%;

1 — средне деградированная почва — 20 — 25%;

2 — сильно деградированная почва — 50 — 75%;

3 — очень сильно деградированная почва — более 75%.

Если деградация почвы характеризуется увеличением значения показателя (плотность почвы, содержание тяжелых металлов и т. д.), то период деградации рассчитывается по формуле:

Td= (X_max - х₀)*?T/x₁ - x₀, лет

X_max — значение характерное для 4 балла деградации;

х₀ — предыдущее значение деградации почвы;

?T — временной промежуток между двумя обследованиями (в годах);

x₁ — значение критерия деградации почвы при текущем обследовании.

Плотность

1) 1,20/1,12=1,07 — 0 степень деградации

2) X_max =1,20*1,4=1,68

3) Td= (1,68 — 1,12)/12/1,20 — 1,12=84 года Физическая деградация почвы составит 4⁸⁴, то есть при сохранении данной тенденции через 84 года почва достигнет 4-ого балла деградации.

Гумус

Если деградация почвы характеризуется уменьшением значения показателя (плотность почвы, содержание тяжелых металлов и т. д.), то период деградации рассчитывается по формуле:

Td= (х₀ -X_min)*?T/ x₀-x₁, лет

1) 5,2/4,0=1,3 — 1-ая степень деградации

2) X_min =5,2/2=2,6

3) Td= (5,2−2,6)*12/5,2−4,0=26 лет Физическая деградация почвы составит 4²⁶, то есть при сохранении данной тенденции через 24 года почва достигнет 4-ого балла деградации.

К₂О, Р₂О₅

Td= (х₀ -X_min)*?T/ x₀-x₁, лет

1) 200/100=2 — 2-ая степень деградации

2) X_min =200/5=40

3) Td=(200−40)*12/200−100=19,2 года При сохранении данной тенденции через 19,2 лет почва достигнет 4-ого балла деградации.

Р₂О₅

1) 250/100=2,5 — 3-я степень деградации

2) X_min =250/5=50

4) Td=(250−50)*12/250−100=16 лет Через 16 лет почва достигнет 4-ой степени деградации.

Металлы

Сd=2,2 мг/кг (х₁), фон — 0,3 мг/кг (х₀)

?Т=12 лет ОДК=2,0 мг/кг

1) 2,2/2=1,1 — 0-ая степень деградации

2) Хmax=2*5=10

3) Тd=(10−2,2)*12/(2,2−0,3)=49 лет Сr=14,2 мг/кг (х₁), фон=8,1 мг/кг (х₀)

?Т=12 лет ПДК=6 мг/кг

1) 14,2/6=2,4

2) Хmax=6*5=30

3) Тd=(30−14,2)*12/(14,2−8,1)=31 год

Коэффициент технического загрязнения (Кс)

Кс=Кобщ / Кфон

Кс (Cd) = 2,2 мг/кг/0,3=7,3

Кс (Cr) = 14,2 мг/кг/8,1=1,75

Суммарный показатель загрязнения (Zс)

Zc=(7,3+1,75) — (2−1)=8,05 — низкий показатель загрязнения (0-16 — низкий; 16−32 — умеренно-опасный; 32−128 — высокий; более128 — очень высокий)

Индекс приоритетности (fn)

fn= (С/ПДК (ОДК)/С_{j /}ПДК_j(ОДК)=(2,2/2,0)/14,2/6,0=0,01

fn1, след — но компонент i не имеет приоритетного значения.

1. Кауричев И. С. Почвоведение

2. Бархатова М. Р. Агроклиматический справочник по Ленинградской области / Москва: Гидрометеоиздат, 1959. — 176 с.: табл.

3. Муха, Макаров «Плодородие почв и устойчивость земледелия»

4. Черников В. А. «Устойчивость почв к антропогенным воздействиям»

5. Титова Д. Р. «Агроэкосистемы: проблемы и функционирование и сохранение устойчивости»

6. Черников В.А." Агроэкология"

7. Титова Д. Р., Добахов «Основы экологической оценки функционирования агроэкосистем»

8. http://bibliofond.ru/view.aspx? id=517 780

9. http://www.vashdom-spb.ru/content/luzhskiy#sthash.qFiGHDXB.dpuf

10. http://cito-web.yspu.org/link1/metod/met20/node30.html