CC BY
52
УДК 633.11: 633.16: 633.19: 631.584
ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АГРОФИТОЦЕНОЗОВ
ПОЛЕВЫХ КУЛЬТУР
© 2005 г. А.В. Удалое, В.П. Калиниченко
Ecology-energy estimation of winter wheat, spring barley and pea agrocenosis revealed the optimal predecessors of winter wheat in shift of crops.
В настоящее время приобретает особую актуальность энергетический аспект сельского хозяйства. В практическом плане это следствие прироста доли антропогенной энергии в сельскохозяйственной продукции, которое свидетельствует о недостатках существующих технологий сельского хозяйства. В аспекте теории биогеосистем это следствие обострения экологической ситуации, усиления антропогенной нагрузки на агроландшафты, что определяет необходимость разрешения проблемы поддержанного земледелия в соответствии с концепцией Sustainable Development [1].
Антропогенной аспект агроландшафтных систем, разнообразие понимания тенденций их развития, принципов управления обусловливают необходимость рассмотрения важнейшей проблемы управления процессом формирования урожая сельскохозяйственных культур путем учета степени влияния на этот процесс особенностей технологий выращивания, определяемых предшественниками как основного фактора, влияющего на объем и интенсивность технологических операций и на продуктивность агрофи-тоценозов. Рассмотрение этой проблемы позволит усовершенствовать и детализировать представления о ландшафтной адаптации агротехники с учетом заданного уровня расходования ресурсов и выполнения ряда ограничений, связанных с сохранением плодородия почвы, защитой окружающей среды. Тогда появится возможность адаптировать агротехнику, не только используя отдельные фрагменты ландшафто-ведения, вводя соответствующее категорирование земель, но и рассматривать гомеостаз агроэкосистемы в координатах ее устойчивости и продукционной способности.
Эколого-энергетический подход к оценке агрофи-тоценозов культур и технологий их выращивания является объективным методом выбора и обоснования энергосберегающих технологий. Он позволяет оценить экологическую эффективность агроэкосистемы, определить целесообразность применение тех или иных приемов при производстве сельскохозяйственной продукции, усовершенствовать экономические производственные сельскохозяйственные показатели, поскольку последние во многом неадекватны агро-экосистемам.
Это можно показать на примере тезиса о повышении плодородия почв. В действующем понимании, по нашему мнению, он является декларативным. Предложенная точка зрения обосновывается тем, что отсутствует экономический инструмент управления этим показателем, хотя бы при временном лаге как
минимум 30-50 лет. Это же относится и к адаптации агротехники, которая может быть отслежена только на аналогичных промежутках времени. Остается проблема синтеза в первую очередь адаптированных обитаемых ландшафтов, производственная составляющая которых, по определению, должна рассматриваться как второстепенная [2].
Объектами исследований, проведенных в 20002002 гг., были агрофитоценозы основных полевых культур региона - озимая пшеница, яровой ячмень, горох. Изучались агрофитоценозы после различных предшественников. При проведении исследований использовались районированные сорта: озимая пшеница Альбатрос Одесский; яровой ячмень Одесский 100; горох Сармат. Эколого-энергетическая оценка агрофитоценозов выполнена с целью установления наиболее оптимального предшественника, который позволяет сформировать агрофитоценоз, оптимальный с хозяйственной, биологической и экологической точки зрения [3-6].
Поставленная цель реализована посредством решения следующих задач:
- определение количественных и качественных показателей элементов продуктивности агрофитоце-ноза;
- учет корневой массы агрофитоценоза;
- учет пожнивных остатков и потерь урожая в аг-рофитоценозе после проведения уборки культур;
- расчет энергосодержания агрофитоценоза;
- определение полных энергетических затрат технологии выращивания культуры;
- определение энергетической эффективности технологии выращивания, показателя энергоемкости продукции;
- определение показателей экологической емкости и производительности агрофитоценоза [7-11].
Согласно данным табл.1, наивысшие показатели продуктивности и лучшие морфологические показатели имеет агрофитоценоз озимой пшеницы, сформированный по черному пару. Показатели, отмеченные в агрофитоценозах озимой пшеницы, сформированных после проса и озимой пшеницы, были ниже.
Данные табл. 2 показывают, что среди агрофито-ценозов ярового ячменя наиболее высокая продуктивность и лучшие морфологические показатели обеспечивают такие предшественники, как просо и озимая пшеница. Подсолнечник и горох в данном случае оказались наименее благоприятными предшественниками.
Таблица 1
Продуктивность и морфологические показатели агрофитоценозов озимой пшеницы (2000-2002)
Предшест- Высота Масса Число продук- Длина Число зерен в Масса Масса 1000 Биологическая
венник растения, см снопа, г/м2 тивных стеблей, шт/м2 колоса, см колосе, шт зерна со снопа, г/м2 зерен,г урожайность, ц/га
Пар 100,06 2079,34 805,90 7,71 23,78 786,96 53,17 78,70
Горох 89,27 1601,25 624,86 6,68 21,85 495,46 48,29 49,55
Озимая 76,60 1132,47 682,52 6,25 20,44 317,64 44,30 31,76
пшеница
Просо 76,22 1201,44 660,24 6,65 20,81 367,45 47,22 36,75
Кукуруза н/с 86,91 1536,21 695,06 7,30 20,95 529,12 51,95 52,91
Согласно данным табл. 3, наибольшая продуктивность агрофитоценоза гороха формируется после предшественника - озимая пшеница. В этом варианте имеют место наилучшие морфологические показатели.
При оценке экологической значимости агрофитоценозов немаловажная роль принадлежит послеуборочным остаткам, обладающим различными качествами с точки зрения химического состава и соответственно содержания энергии. Однако суммарное количество таких послеуборочных остатков, как стерня
Анализ табл. 4 и 5 показывает зависимость: чем продуктивнее агрофитоценоз, тем большее количество послеуборочных остатков и соответственно энергии поступает в почву. Следует отметить, что величина корневой массы у озимой пшеницы и ярового ячменя после предшественника - горох наибольшая.
Для объективной оценки агрофитоценозов необходимо определить полную энергию агрофитоценоза, которая будет складываться из энергетических показателей таких его составляющих, как корни, опад, побочная продукция (солома), основная продукция (зерно).
Результаты расчета полной энергии агрофитоценозов полевых культур приведены в табл.6.
и потери урожая. характеризуют уровень технологии выращивания, степень соблюдения технологических требований [12, 13]. Соответствующие показатели приведены в табл. 4.
Для определения количества энергии, поступающей в почву и остающейся в ней, показатели послеуборочных остатков каждого агрофитоценоза приведены в расчете на гектар . С применением соответствующих энергетических коэффициентов был произведен пересчет, результаты которого приведены в табл.5.
Таблица 2
3
Из данных табл. 6 следует, что наибольшие показатели полной энергии агрофитоценозов наблюдаются у озимой пшеницы и гороха. В данном случае прослеживается показанная нами выше тенденция - чем выше урожайность, а соответственно и энергия, заключенная в основной или побочной продукции, тем выше и общий показатель энергосодержания. Следует отметить, что в агрофитоценозах озимой пшеницы существенное влияние на этот показатель оказывает корневая масса, так как ее количество высоко, что в данном случае объясняется биологическими особенностями культуры.
Продуктивность и морфологические показатели агрофитоценозов ярового ячменя (2001-2002)
Предшественник Высота растения, см Масса снопа, г/м2 Число продуктивных стеблей, шт/м2 Длина колоса, см Число зерен в колосе, шт Масса зерна со снопа, г/м2 Масса 1000 зерен, г Биологическая урожайность, ц/га
Подсолнечник 81,6 801,49 544,28 6,1 17,98 310,09 44,82 31,01
Горох 81,0 922,68 612,72 6,2 17,77 366,74 45,17 36,67
Озимая пшеница 81,2 1001,12 622,77 6,5 20,05 429,66 44,03 42,97
Просо 93,0 1200,40 590,52 8,2 21,60 477,70 47,33 47,77
Таблица
Продуктивность и морфологические показатели агрофитоценозов гороха (2001-2002)
Предшественник Высота растения, см Масса снопа, г/м2 Число бобов на растении, шт/растение Длина боба, см Число зерен в бобе, шт Масса зерна с одного снопа, г/м2 Масса 1000 зерен,г Биологическая урожайность, ц/га
Озимая пшеница 96,2 1988,25 12,02 5,41 5,22 375,73 164,29 37,57
Подсолнечник 88,3 1275,23 10,42 5,08 4,02 291,23 142,37 29,12
Яровой ячмень 100,8 1576,11 12,82 5,39 4,66 332,46 154,89 33,25
Таблица 4
Послеуборочные остатки агрофитоценозов полевых культур, г/м2 (2000-2002)
Культура-предшественник Корни, г/м2 Стерня, г/м Опад, г/м Потери урожая, г/м Суммарное количество, г/м2
Озимая пшеница
Пар 521,42 182,3 101,2 0,8 805,72
Озимая пшеница 304,15 118,9 24,8 0,5 448,35
Горох 600,72 131,8 31,7 0,5 764,72
Просо 336,98 125,2 28,9 0,4 491,48
Кукуруза н/с 555,00 171,7 48,6 1,0 776,30
Яровой ячмень
Горох 233,23 86,0 19,3 4,9 343,43
Озимая пшеница 179,45 91,2 29,3 2,0 301,95
Подсолнечник 123,77 102,9 19,9 1,3 247,84
Просо 213,25 124,5 22,1 2,7 362,55
Горох
Озимая пшеница 100,11 125,8 12,5 12,7 251,11
Подсолнечник 94,56 109,4 4,8 11,0 219,76
Яровой ячмень 152,60 119,7 9,8 29,5 311,60
Таблица 5
Энергетические показатели послеуборочных остатков различных агрофитоценозов полевых культур,
ГДж/га (2000-2002)
Культура-предшественник Корни Стерня Опад Потери урожая Всего
Озимая пшеница
Пар 80,61 25,80 14,32 0,13 120,86
Озимая пшеница 47,02 16,82 3,51 0,08 67,43
Горох 92,87 18,65 4,49 0,08 116,09
Просо 52,10 17,72 4,09 0,07 73,98
Кукуруза н/с 85,80 24,30 6,88 0,17 117,15
Яровой ячмень
Горох 35,68 12,21 2,74 0,81 51,44
Озимая пшеница 27,46 12,95 4,16 0,03 44,60
Подсолнечник 18,94 14,61 2,83 0,21 36,59
Просо 32,63 17,68 3,14 0,44 53,89
Горох
Озимая пшеница 16,65 19,13 1,90 2,25 39,93
Культура-предшественник Корни Стерня Опад Потери урожая Всего
Подсолнечник 15,73 16,64 0,73 1,95 35,05
Яровой ячмень 25,38 18,21 1,49 5,22 50,30
Таблица 6
Энергетические показатели составляющих агрофитоценозов и их полная энергия, ГДж/га (2000-2002)
Культура-предшественник Основная продукция Побочная продукция Опад Корни Полная энергия
Озимая пшеница
Пар 129,61 182,88 14,32 80,61 407,42
Озимая пшеница 52,25 115,29 3,51 47,02 218,07
Горох 81,51 156,47 4,49 92,87 335,34
Просо 60,45 118,01 4,09 52,10 234,65
Кукуруза н/с 87,04 142,51 6,88 85,80 322,23
Яровой ячмень
Горох 60,32 78,94 2,74 35,68 177,68
Озимая пшеница 70,69 81,18 4,16 27,46 183,49
Подсолнечник 51,01 69,78 2,83 18,94 142,56
Просо 78,58 102,62 3,14 32,63 216,97
Горох
Озимая пшеница 66,46 196,59 1,90 16,65 281,60
Подсолнечник 51,51 104,04 0,73 15,73 172,01
Яровой ячмень 58,82 137,45 1,49 25,38 223,14
Следующим этапом оценки агрофитоценозов полевых культур является энергетическая оценка технологии выращивания. Основное влияние на ее характер оказывают технологические показатели, которые оп-
ределяются предшественником. Энергетический анализ технологии выращивания агрофитоценозов полевых культур приведен в табл.7.
Таблица 7
Энергетическая оценка технологий выращивания агрофитоценозов полевых культур (2001-2002)
Культура- Энергия в основной Затраты энергии Энергетическая Энергоемкость
предшественник продукции, ГДж/га тхнологии, ГДж/га эффективность продукции ГДж/ц
Озимая пшеница
Пар 129,61 61,12 2,12 0,78
Озимая пшеница 52,25 36,47 1,43 1,15
Горох 81,51 39,78 2,05 0,80
Просо 60,45 37,22 1,62 1,01
Кукуруза н/с 87,04 37,00 2,35 0,70
Яровой ячмень
Горох 60,32 31,22 1,93 0,85
Озимая пшеница 70,69 32,11 2,20 0,75
Подсолнечник 51,01 30,92 1,65 1,00
Просо 78,58 33,09 2,38 0,69
Горох
Озимая пшеница 66,46 27,1 2,44 0,72
Подсолнечник 104,58 22,44 4,66 0,38
Яровой ячмень 58,82 26,02 2,26 0,78
Анализ табл. 7 показывает, что с точки зрения энергетической оптимизации агрофитоценозов оптимальными предшественниками являются: для озимой пшеницы - кукуруза на силос и пар; для ярового ячменя - озимая пшеница и просо; для гороха - озимая пшеница.
В заключении необходимо провести сравнение некоторых экологических показателей исследуемых агрофитоценозов. Для этой цели применили следующие расчетные показатели: коэффициент использования энергии ФАР агрофитоценозом, экологическая емкость агрофитоценоза, коэффициент производительности агрофитоценоза.
Приход ФАР за период вегетации гороха и ярового ячменя для нашей зоны составляет 8969 ГДж/га, для озимой пшеницы - 13818 ГДж/га (М.К. Каюмов, 1977). Определение показателя экологической емкости позволяет провести более достоверную и полную оценку агрофитоценозов полевых культур, предусматривающую дальнейшее использование результатов для оптимального размещения их в структуре севооборотов. Он дает возможность сравнивать различные агрофитоценозы одной культуры с целью определения наиболее эффективной с эколого-энергетической точки зрения технологии выращивания и последующей разработки путей ее усовершенствования [1].
Расчет экологической емкости проведен по следующей формуле:
Э = HQ: + KQ2 + MQ3 + (Емэп + Ду^) - Впэ), ГДж/га, где Э - экологическая емкость агрофитоцено-за, ГДж/га; Н - запас надземной фитомассы, т/га; Qi -энергосодержание надземной фитомассы, ГДж/т; К -запас подземной (корневой) массы, т/га; Q2 - энергосодержание корневой массы, ГДж/т; М - масса микроорганизмов корнеобитаемого слоя, т/га; Q3 - энергосодержание массы микроорганизмов, ГДж/т; Емэп -энергия минеральных элементов питания (подвижных
форм) в пахотном слое почвы, ГДж/га; Дуд - доза применяемых минеральных и органических удобрений, т/га; Q4 - энергосодержание минеральных и органических удобрений, ГДж/га; Впэ - вынос энергии питательных элементов из почвы с биомассой урожая, ГДж/га.
Энергосодержание отдельных частей фитоценоза (основной и побочной продукции, корневой массы) и массы различных видов микроорганизмов в почве рассчитано согласно справочным данным [3,4,6,11]. При расчете энергии минеральных элементов питания (подвижных форм) в пахотном слое почвы были использованы показатели содержания и соответствующие переводные коэффициенты для каждого макроэлемента: для N - 86,8 МДж/кг; для Р2О5 - 12,6 МДж/кг; для К2О - 8,3 МДж/кг [2].
Определение коэффициента производительности позволяет провести более достоверную и полную оценку агрофитоценозов полевых культур и их компонентов, а также внешних эколого-энергетических факторов, определяющих их производительность, и предусматривает выбор оптимальных технологий выращивания с точки зрения продуктивности и энергетических затрат [1].
Расчет коэффициента производительности агро-фитоценоза проводится по следующей формуле:
Ка = Еф + Ек + Ем / Ефар + Емэп + Еа, где Еф - энергия надземной фитомассы, ГДж/га; Ек -энергия корневой массы, ГДж/га; Ем - энергия массы микроорганизмов в конце вегетации культуры, ГДж/га; Ефар - использованная агрофитоценозом энергия фотосинтетически активной радиации за период активных температур, ГДж/га; Емэп - энергия минеральных элементов питания (подвижных форм) в пахотном слое почвы перед началом технологических операций, ГДж/га; Еа - антропогенная энергия технологии, ГДж/га (табл. 8).
Таблица 8
Экологические показатели агрофитоценозов полевых культур (2000-2002)
Культура-предшественник Коэффициент использования энергии ФАР, % Экологическая емкость агрофитоценоза, ГДж/га Коэффициент производительности агрофитоценоза
Озимая пшеница
Пар 2,90 576,66 0,040
Озимая пшеница 1,53 384,78 0,027
Горох 2,36 493,95 0.035
Кукуруза н/с 2,32 482,76 0,035
Просо 1,67 401,79 0,028
Яровой ячмень
Горох 1,60 304,98 0,037
Озимая пшеница 1,74 361,40 0,039
Подсолнечник 1,20 302,59 0,026
Просо 2,08 341,48 0,043
Горох
Озимая пшеница 2,93 421,20 0,049
Подсолнечник 1,73 317,93 0,037
Яровой ячмень 2,87 365,05 0,042
Согласно данным табл. 8, с точки зрения энергетической оптимизации наибольшие показатели полной энергии агрофитоценоза, коэффициента использования энергии ФАР, экологической емкости и коэффициента производительности отмечены у озимой пшеницы, выращиваемой после пара; у ярового ячменя - после проса и озимой пшеницы; у гороха - после озимой пшеницы.
Полученные данные об энергетической оптимизации агрофитоценоза позволят адаптировать агротехнику, используя не только отдельные фрагменты ландшафтоведения путем соответствующего категорирования земель, но управлять гомеостазом агроэкосистем в координатах их устойчивости и продукционной способности.
Выводы
С точки зрения влияния предшественников на агрофитоценоз, наилучшие показатели продуктивности морфологические показатели получены в фитоценозе озимой пшеницы, сформированном после пара и кукурузы на силос; в фитоценозе ярового ячменя - после озимой пшеницы и проса; в фитоценозе гороха - после озимой пшеницы.
Согласно расчету, энергетические показатели послеуборочных остатков различных агрофитоце-нозов полевых культур находятся в прямой зависимости от величины показателей продуктивности агрофитоценоза, только количество корневой массы имеет максимальное значение у растений озимой пшеницы и ярового ячменя после предшественника горох;
Наибольшее количество энергии, поступающее в почву с остатками после уборки агрофитоценоза, отмечено: у озимой пшеницы после пара, гороха и кукурузы на силос; у ярового ячменя - после гороха, озимой пшеницы и проса; у гороха - после озимой пшеницы и ярового ячменя.
Энергетический анализ технологий, применяемый в исследованных агрофитоценозах показал, что при возделывании озимой пшеницы энергетически наиболее эффективны технологии выращивания после пара и кукурузы на силос при условии получения высокой хозяйственной урожайности; ярового ячменя - после озимой пшеницы и проса; гороха - после озимой пшеницы.
Наибольшие показатели полной энергии, коэффициента использования энергии ФАР, экологической емкости и коэффициента производительности агрофитоценоза отмечены у озимой пшеницы, выращиваемой после пара; у ярового ячменя - после проса и озимой пшеницы; у гороха - после озимой пшеницы.
Литература
1. Удалов А.В., Удалов В.В., Калиниченко В.П. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Управление плодородием агроландшафтов юга России. 2003. Спецвыпуск. С. 196-202.
2. Методика разработки систем земледелия на ландшафтной основе. Курск, 1996.
3. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. М., 1974.
4. Коринец В.В. Солнечная радиация и плодородие почвы. СПб., 1992.
5. Свентицкий И.И. Экологическая биоэнергетика растений и сельскохозяйственное производство. Пущино, 1982.
6. Таусон В.О. Основные положения растительной биоэнергетики. М., 1950.
7. Методические рекомендации по биоэнергетической оценке севооборотов и технологий выращивания сельскохозяйственных культур. Пос. Персиановский, 1998.
8. Методические разработки для энергетического анализа технологий выращивания полевых культур. Пос. Персиановский, 1999.
9. Удалов А.В. Способ определения экологической емкости агрофитоценозов полевых куль-
тур: Патент № 2199207, заявл. 21.03.2001; опубл. 27.02.2003. Бюл. № 6. 10. Удалов А.В. Способ определения производительности агрофитоценозов полевых культур: Патент № 2199853, заявл. 12.04.2001; опубл. 10.03.2003. Бюл. № 7.
11. Шатилов И.С., Замараев А.Г., Чаповская Г.В., Игитова Н.А. // Докл. ТСХА. М., 1971. Вып. С. 16-19.
12. Станков Н.З. Корневая система полевых культур. М., 1964.
13. Устименко А.С., Данильчук П.В., Гвоздиков-ская А.Г. Корневые системы и продуктивность сельскохозяйственных растений. Киев, 1975.
Донской государственный аграрный университет (пос. Персиановка Рост. обл.)
1 ноября 2004 г.
