CC BY
19
УДК 631.1:631.459(470.61):633.11
ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ БИОГЕОСИСТЕМЫ © 2011 г. A.B. Удалое1, A.B. Мальцев2, В.П. Калиниченко3
1ПИЦАХС «Ростовский», п. Рассвет, Аксайский район, Ростовская область, 346735
2ООО «Топаз», ул. Мичурина, 1Б, с. Киселево, Красносулинскийрайон, Ростовская область, 346371
3Донской государственный аграрный университет, ст. Персиановский, Ростовская область, 346493, [email protected]
'PIZAHS «Rostovsky», Rassvet, Aksay District, Rostov Region, 346735
2«Topaz» Ltd, Michurin St., 'B, Kiselevo, Krasnosulin District, Rostov Region, 34637'
3Don State Agrarian University, Persianovsky, Rostov Region, 346493, [email protected]
Изучена пространственная неоднородность структуры почвенного и растительного покровов чернозема обыкновенного карбонатного среднемощного среднесмытого южно-европейской фации степи в отрогах Донецкого кряжа. Реализация биологического потенциала гибрида кукурузы рассмотрена при различных вариантах агрокультуры на основе экологической емкости, производительности, использования энергии солнечной радиации агрофитоценозом. Предложен способ управления агроэкосистемами путем превентивной коррекции природопользования по опережению — конструирование экологически устойчивого агроландшафта с использованием ротационного внутрипочвенного рыхления.
Ключевые слова: биогеосистема, экологическая емкость и производительность агрофитоценоза, превентивное управление агроландшафтом, ротационное внутрипочвенное рыхление.
Soil cover structure and plant cover structure of laterally differentiated land fund of steepe zone is revealed. Ecological capacity, productivity of land and solar radiation use in agrophytocenocis is higher in conditions of chisel tillage is showed. Biogeosystem maintenance in conditions of natural and anthropogenic perturbation of environment on the basis of prevention agrolandscape management in accordance to ideas of natural resources use is proposed. The advanced feedforward in agroecosystem maintenance on the basis of cycled rotating intra soil crumbling machine soil-reclamation agriculture is proposed.
Keywords: biogeosystem, soil cover structure, ecological capacity and productivity of agrophytocenocis, prevention agrolandscape management, rotating intra soil crumbling machine.
Долговременное управление ландшафтной биогеосистемой на черноземе обыкновенном среднемощном среднесмытом карбонатном изучено в стационарном агротехническом эксперименте ДГАУ в ЗАО «Топаз» [1], заложенном в 2002 г.
Цель работы - изучение изменения чернозема обыкновенного карбонатного среднемощного средне-смытого южно-европейской фации степи в условиях агрокультуры в отрогах Донецкого кряжа и определение принципов экологической коррекции биогеосистемы степной почвенно-климатической зоны, соответствующих представлениям об устойчивом управлении почвенным покровом, для условий расчлененного земельного фонда, соответствующих природе пространственно неоднородной структуры почвенного покрова (СПП).
СПП определяет природу пространственной координации компонентов почвенного континуума [2]. Это фундаментальное свойство почвенного покрова сухой степи рассмотрено нами как важное ограничение применения технических средств управления плодородием пространственно неоднородной СПП. Методом створов изучена сложность СПП. В качестве признака контрастности и пространственной неоднородности принята структура растительного покрова (СРП) агрофитоценоза, коррелирующая с СПП [3]. Контрастность СРП оценивали по степени варьирования относительной биологической продуктивности доминанта агрофитоценоза от среднего значения (нормы), пространственную неоднородность - по от-
носительной частоте появления границ контуров элементарных ареалов растительности (ЭАР) вдоль створа наблюдений в пределах территории производственного эксперимента и нормировали к створу протяженностью 1 км с проверкой данных об СРП по почвенным показателям.
Варьирование СПП в контрольном варианте на протяжении исследований сохранялось (контрастность СРП - 0,7^1,3, пространственная неоднородность СРП - 8,0), после чизельной обработки почвы было минимальным (контрастность СРП - 0,85^1,15, пространственная неоднородность СРП - 4,5), при поверхностной обработке находилось в промежуточном диапазоне (контрастность СРП - 0,8^1,2, пространственная неоднородность СРП - 6,5). Последнее обусловлено тем, что, как и в варианте чизельной обработки, имело место мульчирование почвы и сохранение растительных остатков после уборки культуры, способствовавшее уменьшению пространственной неоднородности гидрологического режима почвенной комбинации.
По вариантам эксперимента имело место варьирование морфологических показателей агрофитоценоза кукурузы (табл. 1).
Биометрические показатели доминанта агрофито-ценоза обычно оценивают в терминах продуктивности растений (табл. 2).
Наибольшая биологическая продуктивность агрофитоценоза получена при выращивании культуры кукурузы на зерно на фоне чизельной обработки почвы.
Послеуборочные остатки агрофитоценоза кукурузы: корневая масса, стерня и листосте-бельная масса. Опад и потери урожая пропорциональны биомассе продукции и являются основными факторами длительного восстановления плодородия почвы в течение вегетации. Например, суммарное количество биомассы было минимальным при поверхностной обработке почвы - 2352,4 г/м2, большим - отвальной - 2888,4 г/м2, наибольшим - чизельной -3033,2 г/м2.
Реализация биологического потенциала гибрида кукурузы в изученных вариантах зависит от способа обработки почвы.
Наилучшие условия для формирования биомассы складываются при использовании чизельной. Суммарное количество биомассы определено с целью оценки степени пополнения почвы органическими остатками (табл. 3).
Выполнено сравнение некоторых экологических показателей исследуемых агроцено-зов. Для этой цели проведен расчет коэффициента использования энергии фотосинтетической активной радиации (ФАР) агроцено-зом: 1фар = (Ефх100) / Ефар, %, где I - коэффициент использования энергии ФАР урожаем, %; Еф - энергия основной продукции фитоценоза, ГДж/га; Ефар - приход ФАР за период вегетации, ГДж/га.
Приход ФАР за период вегетации кукурузы - 12508 ГДж/га.
Экологическая емкость и коэффициент производительности агроценоза рассчитаны согласно оригинальной авторской методике [4]. Эти величины позволяют оценить агро-ценозы полевых культур и сравнить различные агроценозы одной культуры с эколого-энерге-тической точки зрения технологии выращивания, а также внешние эколого-энергетические факторы производительности агроценоза с точки зрения энергетических затрат технологии.
Э = HQl + ^ + MQз + EMэп + ДудQ4 - ВПэ, ГДж/га,
Ка = Еф + Ек + Ем / Ефар + Емэп +
где Э - экологическая емкость агроценоза, ГДж/га; Н -количество надземной фитомассы, т/га; Ql - содержание энергии в надземной фитомассе, ГДж/т; К - запас подземной (корневой) массы, т/га; Q2 - содержание энергии в корневой массы, ГДж/т; М - масса микроорганизмов корнеобитаемого слоя, т/га; Q3 - содержание энергии в 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; Ек - энергия корневой массы, ГДж/га; Ем -энергия массы микроорганизмов в конце вегетации культуры, ГДж/га; Еа - антропогенная энергия технологии, ГДж/га; ^ - коэффициент производительности агроценоза, ГДж/га.
Содержание энергии в отдельных частях фитоценоза (основной и побочной продукции, корневой мас-
Таблица 1
Морфологические показатели агрофитоценоза кукурузы на фоне различной основной обработки (2003-2006 гг.)
Вариант обработки почвы Высота растений, см Число листьев на растении, шт. Число початков на растении, шт. Длина початка, см Число зерен в початке, шт.
Отвальная 240 14 1 27 580
Чизельная 248 16 1 29 620
Поверхностная 238 14 1 26 564
Таблица 2
Продуктивность агрофитоценоза кукурузы (2003-2006 гг.)
Число
Вариант обработки почвы растений перед уборкой культуры, тыс. шт./га Масса зерна с початка, г Масса 1000 зерен, г Биологическая урожайность, т/га
Отвальная 62 134 380 8,09
Чизельная 63 145 374 9,05
Поверхностная 63 122 377 7,31
Показатели биомассы кукурузы, т/га
Таблица 3
Вариант обработки почвы Основная продукция Побочная продукция Опад Корни Полная биомасса
Отвальная 8,09 16,44 3,47 8,95 36,95
Чизельная 9,05 17,13 3,82 9,35 39,35
Поверхностная 7,31 13,24 2,65 7,62 30,82
сы) принято согласно многолетним данным наблюдений за агрофитоценозами.
При расчете энергии минеральных элементов питания (МЭП) (подвижных форм) в пахотном слое почвы использованы показатели удельного содержания и соответствующие переводные коэффициенты для каждого элемента.
Результаты расчетов показывают, что коэффициент использования энергии ФАР, экологическая емкость агроценоза, коэффициент производительности агроценоза - наибольшие в агроценозе, сформированном на фоне чизельной обработки почвы (табл. 4).
Таблица 4
Экологическая оценка агрофитоценозов кукурузы
Вариант обработки почвы Коэффициент использования энергии ФАР, % Э, ГДж/га К, ГДж/га
Отвальная 0,98 449,9 0,053
Чизельная 1,10 463,7 0,056
Поверхностная 0,89 398,0 0,047
Одним из важнейших показателей плодородия почвы является содержание гумуса, запасы которого в значительной степени определяют агрохимические, агрофизические и биологические свойства почвы. При длительном использовании почв содержание гумуса во многих случаях рассматривают с точки зрения устой-
чивой тенденции его усиленной минерализации при агрокультуре. В частности, непрерывную минерализацию гумуса и органического вещества почвы связывают с отчуждением элементов питания с урожаем.
Применение глубокой обработки почвы способствует приданию пахотному слою благоприятного для культурных растений строения, под которым следует понимать выражение плотности и пористости почвы в ее нарушенном строении. Вместе с тем активное рыхление почвы резко усиливает жизнедеятельность аэробных микроорганизмов, а следовательно, разложение (минерализацию) органического вещества, т.е. всего того, что существенно улучшает физические, физико-механические и физико-химические свойства почвы. Способ обработки почвы позволяет регулировать содержание и динамику образования гумуса.
Содержание гумуса при различной обработке почвы за период 2002 - 2007 гг. приведено в табл. 5. При отвальной обработке почвы произошло незначительное уменьшение гумуса в слоях почвы 0-10 (на 0,05 %) и 10-20 см (на 0,08 %). В слое 20-30 см количество гумуса осталось неизменным.
Таблица 5
Содержание гумуса в почве по вариантам опыта в слоях почвы, % (2007 г.)
Вариант опыта 0-10 см 10-20 см 20-30 см Среднее
Исходные данные, 2002 г. 3,82 3,86 3,79 3,82
Постоянная отвальная обработка почвы на глубину 25-28 см 3,77 3,78 3,80 3,78
Постоянная чизельная обработка почвы на глубину 38-40 см с мульчированием на глубину 5-6 см 3,98 3,87 3,79 3,87
Постоянная поверхностная обработка почвы на глубину 12-14 см 3,84 3,85 3,77 3,82
При поверхностной обработке можно говорить о том же гумусовом состоянии почвы по горизонтам; при чизельной с мульчированием поверхностного слоя отмечено некоторое увеличение количества гумуса в слое почвы 0-10 см (на 0,16 %), однако на уровне слабой тенденции. В более глубоких горизонтах содержание его оставалось неизменным.
Следовательно, консервативный показатель свойств почвы - количество гумуса - показывает, что изученная биогеосистема находится в состоянии стагнации, сложившемся за последние 150 лет после перехода к ее интенсивному сельскохозяйственному использованию. Из изученных вариантов основной обработки только чизельную можно рассматривать как некоторый стабилизатор-модификатор, не вызывающий по некоторым изученным за 4 года признакам отрицательных последствий применения.
В процессе наблюдений отмечено, что чизельный плуг, имеющий пассивные рабочие органы - щелере-зы, применявшийся в наших исследованиях, создает пространственную неоднородность плотности почвы.
В обрабатываемой индивидуальным щелерезом зоне почвы ее плотность меньше по сравнению с необрабатываемой. Это обстоятельство создает повышенную вероятность пространственной нанонеоднородности СПП. Еще большую следует констатировать в вариантах основной отвальной и поверхностной обработки почвы. Эта особенность агроэкосистемы находится в некотором внешнем противоречии с данными о пространственной неоднородности почвенного и растительного покрова, однако объективно следует из того, что неоднородность СПП на микро- и мезоуровне связана с природными особенностями объекта исследований, его географическим аспектом, а нанонеод-нородность обусловлена техногенно.
Еще одной особенностью объекта исследований, которая обусловливает вероятность микро-, мезо- и нанонеоднородности СПП, является проблема техногенного переуплотнения почв, которая, очевидно, не решается полностью путем применения щелевания, при котором в почве создаются зоны, куда при механической обработке щелерезом просыпается гумусовый слой и затем попадает влага. Эти зоны повышенного комфорта развития ризосферы и являются источником дополнительной биопродукции. Другие зоны почвы, в которых остаются не разрушенные механической обработкой крупные агрегатные блоки, возможно, просто немного сдвинутые в сторону в процессе щелевания, остаются прочными и неприступными для ризосферы элементами почвенного континуума, которые корневая система растения просто обходит в своем развитии. Стохастическая картина распределения вероятности нахождения корневой системы культурных растений, скорее всего, повторяет картину локального воздействия индивидуального щелереза на почву, причем последняя имеет ярко выраженный положительный резонансный пик распределения вероятности непосредственно в зоне прохода щелереза. Это находит подтверждение даже в регламенте применения чизелей, предлагаемом поставщиками, суть которого в сближении отдельных щелере-зов на раме устройства до тех пор, пока в обработанном чизельным устройством почвенном массиве не будет отчетливого различия твердости почвы непосредственно в обработанной зоне и в зоне между ще-лерезами. Регламент предусматривает определение твердости вертикальным погружением в почву щупа с индикатором давления (пенетрометром). Процедура смазывает различие плотности глубоких слоев почвы, до которых щуп пенетрометра погружается, интегрируя прочностные свойства верхних и нижних слоев почвы, в которых имеется вероятность попадания щупа в промежутки между блоками почвы, не разрушенными, а просто раздробленными или сдвинутыми в процессе щелевания.
Рассмотренная точка зрения о дифференцированном в пространстве действии чизельной обработки на почвенный континуум свидетельствует о недостаточности этого приема механической обработки почвы с точки зрения устойчивости биогеосистемы. Вероятным результатом длительного применения чизельной
обработки почвы является быстрое восстановление ее исходных неблагоприятных свойств после кратковременного прекращения чизельной обработки ввиду неизменности агрегатного устройства почвы. СПП в результате чизелевания может приобрести нанонеод-нородность, что неблагоприятно скажется на пространственной гомогенности почвенного покрова. Подтверждением тому является тот же регламент разработчиков о применении чизелей ежегодно или через год. Следовательно, имеет место агротехническое мероприятие, тогда как с точки зрения длительности стабилизации явлений в почве следует иметь в виду агромелиоративное воздействие на нее.
С этой точки зрения показательными являются данные длительных стационарных экспериментов мелиорации солонцовых почв каштановой зоны. Черноземы в агрокультуре приобретают морфологические признаки солонцеватости, слитизации, поскольку, в частности, плужная подошва, хотя и представляет собою антропогенное образование, но функционирует в аспекте проявления свойств почвы и условий развития растений как плотный иллювиальный горизонт солонца.
Предлагается преодоление неблагоприятной тенденции плодородия почв по принципу опережающей обратной связи согласно представлениям о поддержанном управлении плодородием почв в рамках мировой концепции Sustainable Development [2].
Несоблюдение принципа управления агроэкоси-стемами по опережению и результаты сложившегося менеджмента по накоплению возмущения, т.е. регулирование процессов в производственной сельскохозяйственной среде, как это следует из приведенных данных, происходит со значительным запозданием.
Предложенный подход к конструированию агро-ландшафта на основе циклической природоохранной почвенно-мелиоративной агротехники проиллюстрируем верифицированным примером.
В начале 70-х гг. ХХ в. была разработана технологическая и конструктивная схема нового мелиоративного орудия для обработки солонцовых почв, сконструирована серия мелиоративных плугов ПМС-70, ПМС-100, ФС-1,3, сочетающих безотвальную обработку верхнего гумусного слоя с фрезерной обработкой солонцового и подсолонцового горизонтов.
Принципиальная особенность конструктивной схемы состоит в наличии активного рабочего органа, с помощью которого обеспечивается ротационное крошение и перемешивание горизонтов почвы 20^50 см; на поверхности сохраняется перегнойный слой.
Срок положительного действия обработки солонцовых почв орудием ПМС-70 составил более 30 лет, недостижимый для орудий с пассивными рабочими органами, в частности чизелей [5].
Адаптация агроэкосистемы - это не только выбор культур и их размещение в ландшафте, изменение его агроинфраструктуры с прогнозируемым конфигурационным следствием устойчивости предлагаемой конструкции агроландшафта. Основное - создание принципиально новых условий адаптации, когда есть стартовые условия, при которых антропогенная почва будет иметь устойчивые во времени свойства и высокую продуктивность, обоснованную процессной характеристикой воздействия на агроэкосистему и составляющие ее почвы.
На основе проведенных исследований разработано устройство для ротационного внутрипочвенного рыхления (рисунок), предназначенное для ротационной
а б
Устройство для ротационного внутрипочвенного рыхления: а - вид сбоку; б - вид спереди
нарезки в почве щелей для поглощения воды с ротационным рыхлением и перемешиванием (фрезерованием) внутренних слоев почвы [6].
Оно выполнено симметрично по направлению движения, имеет привод 1. С левой и правой сторон рамы установлены ротационные щелерезы. Каждый содержит диск 2, на котором установлены ведущая 3, ведомая 4, опорная 5, центрирующая 6 шестерни привода. Ротационный щелерез имеет кольцевой 7 с зубьями зацепления, выполненными на его боковых поверхностях поочередно слева и справа. Зубья зацепления направлены в сторону его внутренней цилиндрической опорной поверхности, которой он опирается с зацеплением на наружную опорную поверхность ведущей, ведомой, опорной, центрирующей шестерней привода. Кольцевой щелерез снабжен выполненными на его боковых поверхностях поочередно слева и справа режущими органами 8, выходящими на его наружную цилиндрическую поверхность, с емкостями для приема грунта 9.
Вращение передается внутрипочвенному фрезеро-вателю 10 с почвенными фрезами.
Устройство для ротационного внутрипочвенного рыхления работает следующим образом.
При движении устройства по полю крутящий момент через вал привода последовательно передается на ведущую шестерню привода, затем на внутреннюю цилиндрическую поверхность кольцевого щелереза, снабженную боковыми зубьями зацепления, и через ведомую шестерню привода - к почвенным фрезам. Кольцевой щелерез фиксируется в пространстве поочередно слева и справа расположенными на нем, а также на шестернях, зубьями привода.
Ротационные щелерезы, заглубленные в почву, наружной поверхностью с режущими органами кольцевого щелереза производят нарезание водопоглощаю-щих щелей, фрезерователь - внутрипочвенное ротационное рыхление и перемешивание.
Использование описанного устройства, апробированного на мировом уровне [7], обеспечивает создание такой системы земледелия, которая соответствует принципу поддержанного развития; гомеостаз биогеосистемы формируется согласно условию длитель-
ного стабильного высокого производственного сельскохозяйственного результата, оптимизируется экологическая реакция видов на новые почвенные условия, влагообеспеченность, пищевой режим.
Выводы
Проведенные исследования природных и антропогенных факторов устойчивости агроландшафтной системы на черноземе обыкновенном среднемощном среднесмытом карбонатном южно-европейской фации степи позволили предложить концепцию эффективного использования сельскохозяйственных земель путем превентивного управления агроландшафтами как био-геоценотическими системами, равновесия в которых находятся в условиях перманентного естественного и антропогенного возмущения. Решена задача создания однородного в пространстве почвенного покрова, ослабления пространственной природной и антропогенной дифференциации СПП.
Литература
1. Мальцев А.В. Агроландшафтное обоснование агротехники на черноземе обыкновенном в отрогах Донецкого кряжа : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Ростов н/Д, 2008. 24 с.
2. Калиниченко В.П. Природные и антропогенные факторы происхождения и эволюции структуры почвенного покрова. М., 2003. 376 с.
3. Максимович С.В., Миркин Б.М. О возможности составления классификации почв и растительности на экологической основе (на примере речных пойм МНР) // Почвоведение. 1980. № 11. С. 18 - 28.
4. Удалов А.В., Калиниченко В.П. Эколого-энергетическая оценка агрофитоценозов полевых культур // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2005. № 2. С. 89 - 95.
5. Длительное действие фрезерной мелиоративной обработки солонцов / В.П. Калиниченко [и др.] // Докл. РАСХН. 2008. № 1. С. 37 - 40.
6. Пат. WO 2005/099427 А1. RU/2005/000195. Rotating cultivator for under-humus sail layer. Geneva. Switzerland / Калиниченко В.П. Заявл. 04.05; Опубл. 27.10.05.
7. Пат. 2008118583. МПК А01В 33/02 (2006.01) А01В 49/02 (2006.01). Устройство для ротационного внутрипоч-венного рыхления / Калиниченко В.П. Заявл. 25.04.08; Опубл. 03.08.09.
Поступила в редакцию_1 апреля 2010 г
