CC BY
109
Пути повышения устойчивости и продуктивности агроценозов в Оренбургском Предуралье
А.А. Громов, д.с.-х.н, профессор, В.Н. Неверов, к.с.-х.н, И.Я. Давлятов, ст. науч. сотрудник, Оренбургский ГАУ
Одним из приоритетных направлений сохранения биоразнообразия для биомов, природных зон и крупных регионов, по мнению профессора А.А. Тишкова [1], должно быть нормированное соотношение полностью нарушенных (пашня, промышленные зоны, дороги и прочее), полупри-родных (природные пастбища, вторичные леса и прочие) и ненарушенных (природных) экосистем. На территории РФ желательно сохранить современный баланс между трансформированными и не трансформированными землями.
Высокий эффект в деле сохранения биоразнообразия может дать максимальное использование имеющихся аграрных земель, повышение урожайности культур, что, в свою очередь, требует оптимизации структуры агроценозов.
Кафедра ботаники и физиологии растений длительное время ведет научные исследования по разработке и совершенствованию биолого-эколо-гических основ создания высокопродуктивных агроценозов кормовых и зерновых культур. Это позволило разработать параметры посевов различ-
ной продуктивности для суданской травы, раннеспелых сортов кукурузы, рапса ярового, пшеницы озимой, подсолнечника.
Как известно, устойчивость и продуктивность агроценозов обусловлены антропогенным воздействием, связанным с дополнительной затратой энергии. Для оценки степени антропогенного воздействия на территорию, занятую агроценозами, и структуры энергетических затрат, с целью энергосбережения при возделывании той или иной культуры проводится энергетическая оценка технологий.
Она позволяет также рассчитать баланс энергии в агроценозе или в агроэкосистеме в целом.
Ведущая роль в процессе формирования урожая принадлежит фотосинтезу, эффективность которого в значительной степени зависит от оптимальной структуры стеблестоя и обеспеченности растений питательными веществами и влагой. Густоту стеблестоя и содержание питательных веществ в почве можно оптимизировать путем изменения норм высева и использования расчетных норм удобрений на планируемый урожай, что, в свою очередь, позволяет эффективнее использовать ресурсы влаги (фактор в условиях богары не регулируемый). Поскольку главным лимитирую-
щим фактором является дефицит влаги, то расчет величины планируемой урожайности целесообразно вести на действительно возможный урожай (ДВУ), обеспеченный ресурсами влаги. Данный подход позволяет получать урожаи, близкие к расчетным, с высоким уровнем вероятности.
Обобщающим показателем эффективности технологии возделывания той или иной культуры может служить коэффициент полезного действия фотосинтетически активной радиации (КПД ФАР). На богарных землях степной зоны Оренбургской области КПД ФАР на посевах различных культур изменяется в пределах от 0,3—0,5 до
1,0—1,5% в зависимости от конкретно складывающихся гидротермических условий.
Опыты показали, что как снижение, так и завышение нормы высева против оптимальной ведет к снижению эффективности использования ФАР. Расчетные нормы удобрений на ДВУ повышает коэффициент использования солнечной энергии на формирование урожая у различных культур, сортов и гибридов на 7,4—52,3% по сравнению с вариантами без удобрений.
Полученные нами в 1986—1994 гг. данные на посевах суданской травы Бродская 2 и раннеспелых гибридов кукурузы и потдвержденные в 1998—2005 гг. на сортах суданской травы Кинель-ская 100 и Волгоградская 77, рапса сортов Хана и Золотонивский, различных сортах и гибридах подсолнечника по влиянию норм высева и расчетных норм удобрений на урожайность указывают на возможность планирования продуктивности агрофитоценозов исследуемых культур по фотосин-тетическим параметрам.
Расчетные и фактические средние параметры фотосинтетических показателей за годы исследований оказались близкими по своим значениям, хотя по годам отдельные из них значительно колебались (табл. 1).
Оптимальная густота стояния растений — одно из важнейших условий, определяющих продуктивность посева. Изреженный стеблестой исклю-
чает возможность получения высоких урожаев, а загущение посевов резко снижает продуктивность отдельных растений. Густота стояния растений суданской травы при планировании урожайности должна быть в условиях богары Центральной зоны Оренбургской области в пределах 215—225 шт. на 1 м2, что обеспечивается при норме высева 3,0 млн. всхожих семян на 1 га и сохранности растений не ниже 70%. Для получения планируемой урожайности зеленой массы рапса ярового в пределах 20,0—30,0 т/га к уборке на 1 м2 должно быть не менее 200—250 растений.
Выращивание высокоурожайных районированных и перспективных сортов позволяет использовать от 1,0 до 1,5% приходящей ФАР, что для условий сухой степи можно считать хорошим показателем.
Оптимизация минерального питания на основе расчетных норм удобрений на планируемый урожай значительно снижает расход воды на единицу зеленой и сухой биомассы. Например, на посевах суданской травы без удобрений при норме высева 3,0 млн. всхожих семян на 1га коэффициент водопотребления на 1 т зеленой массы у сорта Бродская 2 составил 95,2 м3, у сорта Волгоградская 77—85,2 м3, на расчетном фоне питания для получения 30,0 т зеленой массы — соответственно 62,4 и 64,0.
Продуктивность фотосинтеза сельскохозяйственных культур целесообразно оценивать величиной накопления полезной энергии на одном гектаре. Полезная энергия — это материализованная солнечная энергия в урожае за вычетом технологической энергии, затраченной на его производство.
При возделывании сельскохозяйственных культур количественное соотношение содержащейся в урожае и технологической энергии может служить важным показателем энергетической эффективности культуры, т.е. энергетических затрат на производство единицы сельскохозяйственной продукции [2].
1. Фотосинтетические параметры высокопродуктивных агрофитоценозов
Показатели Параметры агроценозов различной продуктивности
суданская трава рапс подсолнечник
1. Урожайность зеленой 18,0- 20,0- 25,0- 18,0- 20,0- 25,0- - - —
массы, т/га 20,0 25,0 30,0 20,0 25,0 30,0
2. Урожайность абсолютно 4,0-4,5 4,5-5,5 5,5-6,5 3,2-3,6 3,6-3,8 3,8-4,0 4,5-5,5 5,0-6,0 6,0-6,5
сухой массы, т/га
3. Урожайность семян, т/га 12-14 14-16 14-16 12-14 13-15 14-16 1,4—1,6 1,8-2,0 2,3-2,5
4. Норма высева, млн. шт./га 2,5-3,0 2,5-3,0 3,0 2,5-3,0 3,0 3,0 0,055- 0,060- 0,060-
0,060 0,070 0,070
5. Густота стояния растений 215-225 215-225 215-225 200-220 220-250 220-250 4,6-4,8 48-50 4,8-5,0
к уборке, шт./м2
6. Максимальная площадь 28,0- 32,0- 35,0- 30,0- 34,0- 38,0- 18,0- 20,0- 22,0-
листьев, тыс. м2/га 32,0 35,0 38,0 34,0 38,0 40,0 22,0 24,0 26,0
7. ФП, млн. м2 дн./га 0,80-0,85 0,85-0,95 0,95-1,10 1,3—1,5 1,5—1,7 1,7—1,9 1,0—1,2 1,2—1,4 1,3—1,5
8. ЧПФ, г/м2 в сутки 5,0-7,0 5,0-7,0 5,0-7,0 2,5-3,5 3,0-3,5 3,0-3,5 4,0-4,5 4,5-5,0 4,5-5,0
9. КПД ФАР, % 0,8—1,0 1,0—1,2 1,2—1,5 0,5-0,7 0,7—0,9 0,8-1,0 0,7-0,8 0,8—1,0 0,9—1,1
2. Накопление энергии агроценозами суданской травы и подсолнечника
Сорта, гибриды Планируемая Накопление В том числе Отчуждение Поступление
урожайность, т/га фитомассой всего, ГДж/га надземной массой корнями с поля всего, ГДж/га в почву, ГДж/га
Суданская трава Бродская 2 без удобрений удобрения на 30,0 т/га з/м 98,9 147,4 81,8 123,8 17,1 23,6 74,4 112,6 24,5 34,8
Суданская трава Кинельская 100 без удобрений удобрения на 30,0 т/га 120,2 161,5 100,6 135,3 19,6 26,3 92,1 122,7 28,1 38,8
Суданская трава Волгоградская 77 без удобрений удобрения на 30,0 т/га 107.9 143.9 90,8 120,7 17.1 23.2 82,5 109,7 25,3 34,2
Подсолнечник без удобрений 101,6 75,3 26,3 40,7 60,9
Скороспелый 87 удобрения на 129,1 95,6 33,5 51,7 77,4
(сорт) 2,5 т/га семян
Харьковский 49 (гибрид) без удобрений удобрения на 2,5 т/га 97,6 126,1 72,2 93,4 25,3 32,7 42,3 54,6 55,3 71,5
Вейделевский 11 (гибрид) без удобрений удобрения на 2,5 т/га 111,2 137,6 82,4 101,9 28,8 35,7 44,7 55,3 66,5 82,3
Принтасол (гибрид) без удобрений удобрения на 2,5 т/га 111,9 140,1 82,9 103,8 29,0 36,3 47,5 57,9 64,4 82,2
Во всем мире ведутся поиски направлений увеличения синтеза биомассы на земной поверхности, что во многом зависит от поглощения и использования растениями солнечной энергии.
Все большую актуальность в связи с задачами сохранения и повышения плодородия почв и подъема урожайности сельскохозяйственных культур приобретают вопросы энергетики почвообразования [2]. Многочисленные исследования, проведенные в последние годы, свидетельствуют об общепланетарном значении гумуса как колоссального геохимического аккумулятора и хранителя солнечной энергии на земной поверхности [3].
Крайне важно обеспечить учет и экономию затрат антропогенной материализованной энергии путем оптимизации севооборотов, структуры посевных площадей кормовых культур и технологий и выращивания на основе анализа энергетических показателей.
Агрофитоценозы представляют собой искусственные биологические системы, существование которых в значительной мере зависит от большого количества дополнительной технической энергии в виде минеральных удобрений, различных мелиораций, новых сортов, сельскохозяйственной техники на всех этапах производства продукции земледелия [4].
Агрофитоценоз принимается как исходная система, в которой осуществляется образование вещества и накопление в ней энергии. Главным источником энергии является солнечная радиация, а важнейшим показателем эффективности ее использования агрофитоценозами — КПД ФАР.
Антропогенная энергия, затраченная на функционирование агрофитоценоза, отнесена к расходной его части. Основным показателем энергетической эффективности возделывания является отношение аккумулированной в хозяйственно-полезной части урожая в процессе фотосинтеза энергии к сумме антропогенных энергетических затрат.
Расчет энергетических затрат по возделыванию культур в опытах (технологическую энергоемкость агрофитоценозов) проводили на основе энергетических эквивалентов, взятых из методических рекомендаций, разработанных отечественными учеными [5].
Общая калорийность урожая агрофитоценоза изменяется в соответствии с накопленным урожаем, величина которого определяется в значительной мере уровнем агротехники. Применение расчетных норм удобрений способствует увеличению урожайности сухой фитомассы, соответственно увеличивается накопление энергии в ней. Расчетные нормы удобрений на получение 25—30 т/га зеленой массы суданской травы увеличивали выход энергии с 1 га по сравнению с контролем у различных сортов на 25,7—44,0%, рапса — на
16.0—29,0%, подсолнечника на семена (расчет
2.0—2,5 т/га) — на 22—28%. Коэффициент использования ФАР посевами возрастал соответственно до 0,92-1,51%.
Таким образом, использование солнечной энергии в агрофитоценозах является определяющим фактором формирования сухой фитомассы биологического и хозяйственного урожая и накопления в нем валовой и обменной энергии.
3. Структура затрат совокупной энергии при возделывании различных сортов суданской травы
Статьи расхода энергии Бродская 2 Кинельская 100 Волгоградская 77
МДж/га % МДж/га % МДж/га %
Машины и оборудование 2663,1 19,1 2681,1 19,2 2664,3 19,1
Семена 544,8 3,9 544,8 3,9 544,8 3,9
Топливо 3343,0 24,0 3351,1 24,0 3346,0 24,0
Удобрения, всего 7376,8 52,9 7373,8 52,8 7376,8 52,9
В том числе: азотные 6673,2 47,9 6673,0 47,8 6673,2 47,8
фосфорные 703,6 5,0 703,6 5,0 703,6 5,0
Живой человеческий труд 14,71 0,1 14,79 0,1 14,70 0,1
Всего 13942,4 100,0 13968,6 100,0 13946,6 100,0
На посевах без удобрений агрофитоценоз суданской травы сорта Бродская 2 накапливал в общей фитомассе 98,9 ГДж/га валовой энергии, сорта Кинельская 100-120,2 ГДж/га, сорта Волгоградская 77-107,9 ГДж/га. Удобрения значительно повышали накопление валовой энергии. На посевах с расчетным уровнем урожайности на получение 30,0 т/га зеленой массы соответственно по сортам было накоплено 147,4; 161,5 и 143,9 ГДж/га. С урожаем отчуждалось по сортам практически одинаковое количество аккумулированной фитомассой энергии — 75,5-76,6%. Остальная часть с пожнивными и корневыми остатками поступала в почву (табл. 2).
Повышение урожайности сельскохозяйственных культур прямо связано с увеличением энерготехнических ресурсов. По мере интенсификации технологии возделывания культур существенно повышаются прямые технологические затраты.
Рост энергоемкости требует детального расчета всех технологических операций с целью выявления наименее энергозатратных из них для разработки энергосберегающих технологий.
Расчеты показали, что на посевах без удобрений основное количество затрат антропогенной энергии приходится на долю топлива, машин и оборудования, а также семян. При внесении расчетных норм удобрений технологическая энергоемкость агрофитоценозов возрастает в 1,5-2,2 раза. При этом изменяется структура энергетических затрат. Доля топлива, машин и оборудования снижается, а доля удобрений возрастает (табл. 3). На долю азотных удобрений, как наиболее энергоемких, при этом приходилось от 29,6 до 47,9% суммарных затрат энергии.
Сортовые особенности культур на структуру затрат совокупной энергии влияния практически не оказывают.
Оптимизация норм высева не сопровождалась значительным изменением суммарных энергозатрат при возделывании суданской травы. При возрастании нормы высева с 2,0 до 4,0 млн. всхожих семян на 1 га энергетические затраты возрастали с 13637,0 до 14221,0 МДж/га, т.е. на 4,3%. Доля семян в структуре энергетических затрат увеличилась при этом с 2,7 до 5,1%.
Затраты технологической энергии существенно возрастали по мере увеличения норм вносимых удобрений и достигали максимальных значений на расчетных фонах питания на получение 30,0 т/га зеленой массы. При возделывании различных сортов на этом фоне затраты технологической энергии отличались незначительно (табл. 3).
Наименьшие затраты энергии на 1 ц абсолютно сухой массы отмечены на вариантах без удобрений (123,6—152,6 МДж); на расчетных фонах затраты энергии на единицу сухой массы возрастали и достигали максимума при внесении удобрений на 30 т с 1 га зеленой массы и составили соответственно по сортам 224,1; 206,0 и 230,1 МДж/ц. При этом коэффициент энергетической эффективности снижался у сорта Бродская 2 с
11,86 до 8,07, у сорта Кинельская 100 — с 14,64 до 8,79 и у сорта Волгоградская 77 — с 13,15 до 7,86. При возделывании рапса и подсолнечника коэффициент энергетической эффективности также был достаточно высоким. На посевах без удобрений — соответственно 12,02—10,4 и 7,2—6,2, на расчетных фонах — 7,89—4,69 и 4,5—1,8.
Таким образом, энергетическая эффективность возделывания суданской травы, рапса, подсолнечника и других культур в Оренбургском Предуралье является достаточно высокой, на что указывают величины энергетического коэффициента. Технологии возделывания полевых культур с использованием расчетных норм удобрений на планируемый урожай и оптимальной структурой посевов обеспечивают продуктивность на уровне ДВУ при отсутствии избыточной антропогенной нагрузки на агроландшафт.
1. Тишков, А.А. Теория и практика сохранения биоразнообразия (к методологии охраны живой природы в России) // Бюллетень «Использование и охрана природных ресурсов в России. 2006. №1. С. 78—96.
2. Волобуев, В.Р. О биологической составляющей энергетики почвообразования // Почвоведение. 1985. №9. С. 5—8.
3. Алиев, С.А. Биоэнергетические показатели биологической продуктивности почв // Изв. АН АзССР. Сер. биол. наук. 1983. №1. С. 20-24.
4. Булаткин, Г.А. Оптимизация продуктивности агроценозов // Вестник с.-х. науки. 1990. №4. С. 30-37.
5. Методические рекомендации по биоэнергетической оценке севооборотов и технологий выращивания кормовых культур. М.: ВАСХНИЛ, 1989. 72 с.
