CC BY
28
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2018, том 24, № 2 (75), с. 58-65
——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ ———
УДК 631.5:630.181
ОСОБЕННОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ БИОПРОДУКТИВНОСТИ ЯРОВОГО ЯЧМЕНЯ В АРИДНОЙ ЗОНЕ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ НА ЗЕМЛЯХ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ДЕФЛЯЦИИ
© 2018 г. А.Н. Сарычев
Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН Россия, 400062, г. Волгоград, Университетский пр-т, д. 97. E-mail: [email protected]
Поступила 10.02.2017
Представлены материалы по изучению комплексного влияния полезащитных лесных насаждений и технологий основной обработки почвы на рост, развитие и продуктивность основной зернофуражной культуры в аридной зоне Волгоградской области. Приведены данные по обследованию последствий пыльной бури на территории южных районов Волгоградской области. Установлены закономерности изменения агрофизических показателей светло-каштановой почвы и особенности формирования продуктивности ярового ячменя на межполосном пространстве в различные по влагообеспеченности годы. Исследования показали, что некоторые агрофизические показатели почвы в агролесоландшафте дифференцированно изменяются на межполосном пространстве.
Ключевые слова: агрофитоценоз, полезащитные насаждения, технология возделывания, яровой ячмень, дефляция.
Территория Волгоградской области относится к регионам рискованного земледелия. Это обусловлено прежде всего особенностями местного климата: высокая температура воздуха в теплый период года, в летние месяцы часто превышающая 40°С, низкая температура в зимний период, неравномерное выпадение и недостаточное количество атмосферных осадков, частые засухи и суховеи, дефляция. Особенно ярко аридность территории проявляется в южных и восточных регионах: 2010, 2013 и 2015 годы для Котельниковского, Октябрьского и Светлоярского районов были острозасушливыми. В результате засухи пострадали до 600 тыс. га посевов, а экономические потери сельхозтоваропроизводителей в отдельные годы составили более 2 млрд. рублей.
Помимо засухи частым неблагоприятным погодным явлением считаются пыльные бури, которые возникают практически ежегодно, но наиболее тяжелые последствия они вызвали в 1969, 1972, 1975, 1984 и 2015 годах. В результате воздействия на почву ветра, дующего со скоростью более 22 м/с, был утрачен слой почвы 2-5 см, вынос почвы достиг 20-50 т/га, а гумуса - 5-6 т/га, при мощности гумусового горизонта светло-каштановой почвы 18-25 см это - настоящая экологическая катастрофа.
Для предотвращения дефляционных процессов был разработан целый ряд агротехнических, лесомелиоративных и организационно-технических мероприятий (Павловский и др., 1991; Волошенкова, 2015). Для агрофитоценозов Волгоградской области наиболее эффективным можно считать создание полезащитных лесных полос и применение почвозащитных технологий обработки земли. Высокая эффективность этих мероприятий по предотвращению дефляции и созданию благоприятных условий в агроландшафтах для роста сельскохозяйственных культур подтверждается работами отечественных ученых (Васильев, 2003; Громовик и др., 2013; Захаров, Кретинин, 2005).
Целью настоящей работы является изучение комплексного влияния полезащитных лесных насаждений и технологий основной обработки почвы на условия произрастания сельскохозяйственных культур в облесненном агрофитоценозе аридных районов Волгоградской области.
Объекты, материалы и методы исследований
В качестве объекта исследований был выбран облесненный агрофитоценоз в Котельниковском районе Волгоградской области на землепользовании индивидуального предпринимателя
Н.Н. Сарычева. Полезащитные лесные полосы (ПЗЛП) объекта трехрядные, высотой 9 м, ширина междурядья — 3 м, состоят из вяза приземистого. Координаты участка: 47° 48' 46.4" с.ш., 43° 30' 14.8" в.д. Опыт был заложен в 2007 году. В статье представлены результаты исследований за 2014-2016 гг., поскольку эти годы резко отличались по обеспеченности осадками. Схема опыта:
Фактор А, агрофитоценоз: первый вариант - защищенный ПЗЛП, второй вариант - без защитных насаждений.
Фактор Б, технологии обработки почвы в агрофитоценозе: первый вариант - отвальная вспашка, второй вариант - мелкое плоскорезное рыхление, третий вариант - дискование, четвертый вариант -комбинированная обработка почвы.
Агрофитоценоз представлен трехпольным зернопаровым севооборотом, состоящим из пара чистого, озимой пшеницы и ярового ячменя.
Контрольные площадки для отбора проб и образцов растений были расположены на удалении 1, 5, 10, 15, 25 и 35 высот (Н) от ПЗЛП.
Определение влажности почвы проводили термостатно-весовым методом, в трехкратной повторности. Отбор проб вели почвенным буром через 10 см до глубины 1 м. Отбор проводили в 4 периода: перед посевом, в фазу кущения, в фазу выхода в трубку-колошение и перед уборкой культуры. Объемную массу определяли с помощью режущего кольца в трехкратной повторности по слоям 0-0.1, 0.1-0.2 и 0.2-0.3 м в начале и в конце вегетации культуры. Изучение макроагрегатного состава почвы в слое 0-0.3 м проводилось по Н.И. Саввинову.
Отбор проб растений проводили согласно методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. На фиксированных площадках с помощью рамок площадью 0.25 м2 (50х50 см) отбирали снопы растений в трехкратной повторности в фазы кущения, колошения и полной спелости. Оценивали элементы структуры, определяющие величину урожая: число стеблей, в том числе продуктивных, размер колоса, число зерен в колосе, массу 1000 зерен, высоту растений, натуру зерна и его качество.
Метеорологические данные брали с ближайшей метеостанции в г. Котельниково, в 32 км в юго-западном направлении от места проведения исследований.
Результаты и обсуждение
Важнейшими характеристиками климатических условий являются температурный режим и количество выпавших осадков. Анализ метеоданных показал, что метеоусловия в годы проведения исследований резко отличались. 2014 год можно охарактеризовать как засушливый, 2015 — как острозасушливый, а 2016 — как влажный. Характеристика вегетационного периода в годы проведения исследований приведена в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика погодных условий в годы проведения исследований.
Год 2014 2015 2016
Месяц IV V VI VII IV V VI VII IV V VI VII
Сумма температур >5°С 284.8 629.6 654.3 781.5 301.3 534.3 540.7 776.4 370.0 521.0 685.0 747.0
Осадки, мм 14.0 19.0 55.0 5.9 16.0 14.0 29.0 28.0 30.0 65.0 16.0 87.0
Гтк 0.5 0.3 0.8 0.1 0.5 0.3 0.5 0.2 0.8 1.2 0.2 1.2
Кроме засухи в 2015 году в конце марта - начале апреля была зафиксирована самая мощная за последние 40 лет пыльная буря. Скорость ветра в течение недели превышала 24 м/с. В ходе экспедиции было установлено, что в южных районах области на площади более 50 тыс. га снос и перенос почвы с полей в овражно-балочную сеть и лесополосы составил от 22 до 124 см, содержание гумуса в наносах составило около 1.6%. Средняя высота шлейфа мелкозема в защитных насаждениях составила 85 см, на расстоянии 3 м от ПЗЛП с заветренной стороны - 66 см, с наветренной - 26 см, содержание гумуса в наносах в среднем варьировало от 1.4 до 1.7%.
Как видно из таблицы 1, основным лимитирующим фактором для получения продукции
ОСОБЕННОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИИ ФОРМИРОВАНИЯ БИОПРОДУКТИВНОСТИ ...
растениеводства является влага, поэтому изучение водного режима в агролесоландшафте приоритетно. Отбор образцов почвы на содержание влаги в начале вегетации показал, что в острозасушливом 2015 году содержание продуктивной влаги на межполосном пространстве варьировало от 33.7 до 70.4 мм, во влажном 2016 году - от 104.1 до 139.6 мм в зависимости от удаленности от ПЗЛП и технологии обработки почвы. К началу сева яровых зерновых культур наибольший влагозапас формировался на расстоянии до 15 Н, это обусловлено влиянием защитных лесных насаждений на формирование снежного шлейфа в зимний период, свыше 15 Н происходит ослабление мелиоративного эффекта ПЗЛП и, следовательно, уменьшается высота снежного покрова. В среднем за три года наблюдений в зависимости от технологических приемов запасы продуктивной влаги весной в зонах приближенных к ПЗЛП варьировали от 81.35 до 102.93 мм, в то же время на удаленности свыше 15 Н - от 69.21 до 87.82 мм, а в незащищенном агрофитоценозе - от 66.0 до 85.1 мм (рис. 1). Расчеты показали, что в среднем ПЗЛП обеспечивали сельскохозяйственные культуры дополнительными 11.2 мм продуктивной влаги.
Рис. 1. Зависимость распределения влагозапаса на межполосном пространстве во время вегетации ярового ячменя (среднее за 2014-2016 гг.).
Во время вегетации закономерность изменения содержания продуктивной влаги на межполосном пространстве по отношению к удаленности от ПЗЛП сохранялась. При этом разница между наиболее удаленными контрольными площадками в агролесоландшафте и агрофитоценозе без защитных насаждений уменьшалась. В фазу колошения ячменя в июне в зонах наибольшего мелиоративного влияния ПЗЛП количество продуктивной влаги в среднем за 3 года варьировало от 26.63 до 51.91 мм. Исключение составила наиболее приближенная к ПЗЛП контрольная площадка на расстоянии 1.5 Н, так называемая зона депрессии. Здесь колебания влагообеспеченности варьировали от 30.8 до 34.4 мм, что в целом меньше, чем в условиях незащищенного агроценоза. Такая разница обусловлена тем, что в данной зоне за счет изреженного стеблестоя культуры присутствует повышенное непродуктивное испарение, а также потребление почвенной влаги деревьями ПЗЛП. В зонах, удаленных свыше 25 Н включительно, величина запасов влаги варьировала от 23.74 до 35.93 мм.
В аридной зоне технологические приемы обработки почвы оказывают значительное влияние на водный режим почвы. В сухие годы и малоснежные зимы преимущество было за технологиями с
комбинированной обработкой (более 0.14 м), которые позволили получить более глубокое промачивание нижних горизонтов почвы. Так, например, в 2015 году перед началом вегетации культуры на межполосном пространстве с вариантом комбинированной обработки почвы влагозапас был равен в среднем 64.2, на контроле — 62.7, а при мелкой дисковой обработке — 44.2 мм. Во влажные годы разница между разными технологическими вариантами обработки почв была меньше: при комбинированной обработке - 128.2, на отвальной вспашке - 126.3, при дисковании - 112.0 мм. Такая же тенденция прослеживается и в другие периоды вегетации.
Важнейшим агрофизическим показателем свойств почвы является плотность сложения или объемная масса почвы. С этим показателем тесно связан водный, пищевой и тепловой режимы почвы и, как следствие, продуктивность агрофитоценозов. Максимально допустимым оптимумом для сельхозкультур является объемная масса, не превышающая 1.3 г/см3.
Наши исследования показали, что в целом величина объемной массы не зависит от удаленности от ПЗЛП, а зависит от приемов обработки в агрофитоценозе. Исключением является депрессионная зона у лесных полос, повышение величины объемной массы связано прежде всего не с наличием защитных насаждений, а с использованием указанной зоны для разворотов сельскохозяйственной техники во время технологических операций. Разница между контрольными площадками на различной удаленности была несущественной и не превышала 0.03 г/см3.
В среднем за 3 года исследований перед посевом ярового ячменя на межполосном пространстве и в поле без защитных насаждений объемная масса в слое 0-0.3 м находилась в пределах оптимума и варьировала в зависимости от технологии от 1.14 до 1.20 г/см3, к фазе полной спелости культуры почва уплотнялась. На трех вариантах объемная масса находилась в пределах оптимальных значений, не превышая 1.31 г/см3, при дисковании ее величина варьировала от 1.33 до 1.36 г/см3.
В тесной связи с объемной массой связана порозность почвы, которая характеризует суммарный объем всех пор в единице объема почвы. В наших исследованиях величина общей порозности в слое 0-0.3 м варьировала в начале вегетации в защищенном агроландшафте от 54.8 до 56.81%, а в конце вегетации - от 48.85 до 52.03%. В агроценозе без защитных насаждений ее величина в зависимости от технологии обработки почв изменялась от 54.6 до 56.0% в начале вегетации культуры и от 49.06 до 51.1% в конце.
В районах, подверженных дефляции, одним из объективных показателей дефляционной устойчивости почвы является состояние ее структуры. Многочисленными исследованиями было установлено, что оструктуренная почва определяет водный, воздушный, тепловой режимы и противодефляционную устойчивость. Светло-каштановые и каштановые почвы аридной зоны Волгоградской области являются дефляционноопасными, так как при интенсивной механической обработке они легко распыляются, быстро оседают и уплотняются (табл. 2).
Таблица 2. Структурно-агрегатный состав светло-каштановой почвы.
Вариант Фракции по величине агрегатов, мм
Время отбора образцов >10 10-0.25 <0.25 Коэффициент структурности
Отвальная вспашка 0.20-0.22 м (контроль) Перед посевом 21.5 59.9 18.6 1.50
Перед уборкой 22.7 54.7 22.6 1.21
Мелкое плоскорезное рыхление 0.10-0.12 м Перед посевом 22.2 59.9 17.9 1.49
Перед уборкой 23.5 54.9 21.6 1.23
Дискование 0.10-0.12 м Перед посевом 18.2 58.7 23.1 1.42
Перед уборкой 21.1 52.5 26.3 1.11
Комбинированная обработка почвы 0.14-0.16 м Перед посевом 19.5 61.1 19.4 1.57
Перед уборкой 22.1 55.7 22.2 1.26
Полученные данные структурно-агрегатного анализа светло-каштановой почвы свидетельствуют о том, что верхний слой распыляется сильнее при применении дискового орудия для. Количество
ОСОБЕННОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ БИОПРОДУКТИВНОСТИ
дефляцинно опасных частиц размером менее 0.25 мм перед посевом культуры составило 23.1%, перед уборкой - 26.3%. Таким образом, можно сказать, что в районах с дефляцией применение орудий с дисковыми рабочими органами потенциально опасно. Тем не менее, как показали исследования, коэффициент структурности позволяет отнести почвы к хорошо оструктуреным, поскольку варьирует от 1.11 до 1.57.
Кроме содержания гумуса и макроэлементов в почве показателем, характеризующим плодородие, является микробиологическая активность. Для почв с низким и средним содержанием гумуса широко применяется такой показатель биологической активности почвы, как целлюлозоразлагающая способность. Под этим определением подразумевается процесс распада клетчатки, осуществляемый микроорганизмами. Целлюлоза представляет собой важную составляющую органического вещества, то есть скорость разложения целлюлозы определяет темпы разложения органики в почвенном покрове в целом, что, в свою очередь, отражается на состоянии зеленых насаждений.
В наших исследованиях активность почвенной микробиоты изучалась методом льняных полотен (рис. 2). Как показали исследования, целлюлозоразрушающая способность почвы дифференцированно изменяется на прилегающем к лесной полосе пространстве. Кроме того, на данный процесс в значительной степени влияют приемы основной обработки почвы, которые в свою очередь так же, как и защитные насаждения, влияют на содержание доступной влаги в почве. В ходе исследований было установлено, что активность почвенной микробиоты находится в тесной связи с суммарным расходом почвенной влаги. Уравнение связи описывается уравнением логарифмической зависимости.
Израсходовано продуктивной влаги, мм
Рис. 2. Зависимость распада льняной ткани в почве от израсходованной продуктивной влаги.
В связи с тем что в вегетационный период на расстоянии 5 Н от ПЗЛП сформировалась самая хорошая влагообеспеченность сельскохозяйственных растений, здесь была зафиксирована самая высокая активность почвенных микроорганизмов, которая выражалась интенсивностью распада льняного полотна. В зависимости от технологии обработки через 3 месяца экспозиции распад льняного полотна в этой зоне составил в среднем 25.9-31.4% (рис. 2). На удалении свыше 25 Н происходит снижение активности микроорганизмов до значений открытого поля и варьирует от 24.1 до 28.0%.
В условиях аридной зоны Нижнего Поволжья продуктивность сельскохозяйственных культур прямо зависит от сложившихся погодных условий, особенно в период вегетации. Во влажные годы
различия между урожайностью несущественны, а в засушливые, наоборот, увеличиваются (Плескачев и др., 2013; Бодров, 1961). Аналогичная тенденция прослеживается и в наших исследованиях.
Выделяют следующие основные элементы структуры урожая: число продуктивных стеблей на 1 м2, количество зерен в колосе, массу 1000 зерен. Эти элементы в наибольшей степени определяют биологическую и хозяйственную урожайность сельскохозяйственных культур и зависят от метеоусловий, агрофизических и агрохимических показателей почвы.
Исследования показали, что в зависимости от погодных условий наибольшая величина перечисленных элементов формируется в зонах наибольшего влияния ПЗЛП, т.е. на расстоянии от 5 до 15 Н от ПЗЛП. Количественные значения показателей структуры урожая на удаленности свыше 25 высот приближались к значениям, полученным в незащищенном агрофитоценозе.
Так, количество продуктивных стеблей ячменя на 1 м2 варьировало в годы исследований в зонах, приближенных к ПЗЛП, от 257 до 338 шт., а там, где мелиоративное влияние ПЗЛП ослаблено или отсутствует, - от 250 до 317 шт. В среднем за 3 года исследований наибольшее количество продуктивных стеблей в агролесоландшафте отмечено при комбинированной обработке почвы и в контроле на расстоянии 5 Н от лесной полосы — 314.3 и 305.7 шт./м2 соответственно, наименьшее количество на фоне дисковой обработки почвы на удаленности 35 Н от ПЗЛП — 276 стеблей на 1 м2.
Озерненность колоса также была выше на расстоянии 5-15 Н от ПЗЛП, в среднем за 3 года она изменялась от 12.4 до 16.6 шт. В условиях агрофитоценоза без защитных насаждений этот показатель был равен 10.9-13.7 шт. В благоприятном по увлажнению 2016 году максимальное количество зерен в 1 колосе достигало 19.2 шт., а в острозасушливом 2015 году не превышало 12.9 шт.
Масса 1000 зерен в среднем за 3 года в зависимости от технологии и удаленности от ПЗЛП варьировала от 37.7 до 39.9 г. Наибольшая масса была получена на расстоянии 5 Н от ПЗЛП при комбинированной обработке и составила 39.9 г, что больше по сравнению с контролем на 0.5 г, при дисковой обработке масса составила - 38.3 г, т.е. на 1.1 г меньше, чем в контрольном варианте.
Как отмечали Н.Ю. Петров и Е.С. Таранова (2005), урожайность сельскохозяйственных культур, по мнению некоторых ученых, является интегральным показателем эффективности того или иного элемента технологии возделывания. В наших исследованиях этими элементами выступают системы обработки почвы, наличие и удаленность от защитных насаждений.
Анализ урожайных данных (табл. 3) за 3 года исследований показал, что продуктивность возделываемой культуры на облесненном агрофитоценозе повторяет закономерность изменения агрофизических показателей на межполосном пространстве.
Таблица 3. Урожайность ярового ячменя (среднее за 2014-2016 гг.), т/га.
Удаленность от ПЗЛП, Н Обработка почвы
Отвальная вспашка (контроль) Мелкое плоскорезное рыхление Дискование Комбинированная обработка почвы
1.5 1.01 1.06 0.84 1.14
5 1.75 1.73 1.31 1.90
10 1.62 1.57 1.19 1.76
15 1.47 1.45 1.14 1.60
25 1.39 1.30 1.05 1.52
35 1.32 1.27 1.04 1.48
Средневзвешенная урожайность под защитой ПЗЛП 1.42 1.38 1.08 1.55
Агрофитоценоз без защитных насаждений (контроль) 1.21 1.21 1.00 1.34
НСР (05) общая: 2014 г. - 0.13; 2015 г. - 0.12; 2016 г. - 0.14
ОСОБЕННОСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ БИОПРОДУКТИВНОСТИ
Наиболее высокий сбор зерна ярового ячменя был получен в зонах, приближенных к лесной полосе на удаленности до 15 Н, и варьировал в зависимости от применяемой технологии от 1.14 до 1.90 т/га. В целом на облесенной территории урожайность была выше на 0.08-0.21 т/га по сравнению с агрофитоценозом без защитных насаждений. В ходе исследований было замечено, что на расстоянии до 1.5 Н от ПЗЛП происходит резкое снижение продуктивности сельскохозяйственных культур, в том числе и ярового ячменя, т.е. формируется так называемая депрессионная зона. Угнетение культурных растений прежде всего связано с распространением в данной зоне корневой системы деревьев ПЗЛП. Корневая система вяза приземистого (основная порода в ПЗЛП) сосредоточена преимущественно в слое 0-1 м, при этом толстые скелетные корни находятся в слое 35-50 см, а от них в верхние слои отходят мочковатые корни, а в нижние - шнуровидные. Боковые корни идут в сторону поля на расстояние 12-16 м, в 40-45 см от поверхности почвы, так что механическая обработка их не затрагивает. В результате этого большая часть влагозапасов и питательных минеральных элементов используется непосредственно деревьями, а не культурными растениями. Применение многофункционального орудия для комбинированной обработки почвы позволило получить большую урожайность по сравнению с другими вариантами опыта и контролем: в условиях защищенного ПЗЛП агрофитоценоза - на 0.13-0.47 т/га, без защитных насаждений - на 0.13-0.34 т/га.
Заключение
По степени влагообеспеченности и температурному режиму территорию южных районов Волгоградской области можно отнести к регионам с аридным климатом. Анализ полученных метеоданных свидетельствует о необходимости возделывания в данном регионе засухоустойчивых культур. Водный режим почвы на межполосном пространстве имеет неоднородный характер, который особенно ярко проявляется в годы с неустойчивым и недостаточным увлажнением. Особенности водного режима следует учитывать при ведении сельскохозяйственного производства. Микробиологическая активность светло-каштановой почвы находится в прямой зависимости от водного режима почвы, который возможно регулировать агротехническими и агролесомелиоративными приемами. Для успешного ведения сельскохозяйственного производства климатические условия данного региона требуют проведения агротехнических и лесомелиоративных мероприятий, которые позволяют улучшить водный режим почвы, предотвратить проявление дефляционных процессов и в целом повысить продуктивность земельных угодий. Исследования показали, что применяемая в агрофитоценозе комбинированная обработка почвы способствует повышению урожайности ярового ячменя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бодров Б.А. 1961. Методы борьбы с засухой. М.: Сельхозиздат. 512 с.
Васильев Ю.И. 2003. Эффективность систем лесных полос в борьбе с дефляцией почв. Волгоград: ВНИАЛМИ. 176 с.
Волошенкова Т.В. 2015. Пыльные бури и защита почв от дефляции // Проблемы рационального использования природохозяйственных комплексов засушливых территорий. Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ. С. 108-113.
ГромовикА.И., Королев В.А., Йонко О.А. 2013. Влияние полезащитных лесных полос на основные показатели плодородия почв Каменной Степи // Вестник Воронежского университета. Серия «Химия, биология, фармация». № 1. С. 105-114. Захаров В.В., Кретинин В.М. 2005. Агролесомелиоративное земледелие. Волгоград: ВНИАЛМИ. 217 с. Павловский Е.С., Васильев Ю.И., Зайченко К.И. 1991. Агролесомелиорация и плодородие почв. М.: Агропромиздат. 288 с.
Петров Н.Ю., Таранова Е.С. 2005. Влияние биопрепаратов на продуктивность озимой пшеницы в условиях Волгоградской области // Технологические основы экономического развития сельского социума. М: Современные тетради. С. 331-332. Плескачев Ю.Н., Мисюряев В.Ю., Максимова Н.С. 2013. Продуктивность сельскохозяйственных угодий в условиях расчленённых агроландшафтов Волгоградской области // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. № 4. С. 36-37.
