Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СРАВНИТЕЛЬНАЯ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОДНОВИДОВЫХ И ПОЛИВИДОВЫХ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ 7
1.1. Агроэкологическая эффективность поливидовых агрофитоценозов 7
1.2. Эколого-биологическая характеристика компонентов поливидовых агрофитоценозов 25
1.2.1. Кострец безостый 25
1.2.2. Люцерна посевная 32
1.2.3. Клевер луговой 37
1.2.4. Эспарцет песчаный 40
1.2.5. Козлятник восточный 45
1.2.6. Свербига восточная 49
1.2.7. Горец растопыренный 53
ГЛАВА 2. ОЦЕНКА АБИОТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РЕГИОНА
2.1. Оценка абиотических факторов среды 58
2.2. Эдафические факторы среды 63
ГЛАВА 3. ЦЕЛЬ, ПРОГРАММА, ОБЪЕКТЫ, МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 71
3.1. Цель и программа исследований 71
3.2. Объекты исследований и схемы опытов 72
3.3. Методика проведения исследований 74
3.4. Особенности абиотических условий в годы проведения исследований 78
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОДУКТИВНОСТИ ОДНОВИДОВЫХ И ПОЛИВИДОВЫХ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ 86
4.1. Оценка численности стеблестоя 86
4.2. Линейного роста 92
4.3. Облиственности 101
4.4. Площади листьев 106
4.5. Формирование фотосинтетического потенциала 115
4.6. Формирование чистой продуктивности фотосинтеза 126
ГЛАВА 5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА КОРМОВЫХ ДОСТОИНСТВ 133
5.1. Химический состав зеленой массы 133
5.2. Оценка питательности зеленой массы 141
ГЛАВА 6. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ОДНОВИДОВЫХ И ПОЛИВИДОВЫХ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ 144
ГЛАВА 7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОДНОВИДОВЫХ И ПОЛИВИДОВЫХ АГРОФИТОЦЕНОЗОВ 152
ВЫВОДЫ 157
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 160
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОИЛИТЕРАТУРЫ 162
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Агроэкологическая эффективность поливидовых агрофитоценозов
- Оценка абиотических факторов среды
- Цель и программа исследований
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Наиболее сложной в агроэкологии является проблема создания высокопродуктивных, устойчивых агроэкосистем.
Создаваемые в условиях Приангарья агрофитоценозы кормовых растений отличаются коротким сроком хозяйственного использования, низкой экологической устойчивостью и продуктивностью, при их конструировании имеют место высокие энергетические, материально-финансовые затраты.
Причиной низкой продуктивности создаваемых агрофитоценозов является также то, что возделываемые растения имеют низкий биологический потенциал и экологическую устойчивость. Так, широко возделываемое кормовое растение – кострец безостый (Bromopsis inermis Holub.) удельный вес которого в структуре многолетних трав составляет 90%, хотя и имеет высокую экологическую устойчивость, но для него присуща низкая продуктивность и качество получаемых кормов.
Резервом повышения продуктивности и устойчивости создаваемых агроэкосистем и улучшения общей экологической ситуации могут быть смешанные (поливидовые) посевы костреца безостого с другими высокопродуктивными травами.
Особенности конструирования поливидовых (смешанных) агрофитоценозов с участием как традиционных, так и новых, малораспространённых растений, интродуцируемых в Приангарье (козлятник восточный, свербига восточная, горец растопыренный) и использование их высокого эколого-биологического потенциала остаются слабо изученными.
Для научного обоснования и управления количеством и качеством урожая создаваемых агрофитоценозов на разных этапах их жизни важно знать, как складываются взаимоотношения растений в чистых и смешанных посевах и какие при этом выделяются типы поведения трав, каков механизм формирования продуктивности растений.
При разработке технологии создания поливидовых агрофитоценозов возникает необходимость изучения их морфологических, эколого-биологических и технологических особенностей, кормовых достоинств, экономической и экологической (энергетической) эффективности.
Цель исследований. Разработать теоретические основы и практические приемы конструирования поливидовых длительно функционирующих агрофитоценозов многолетних растений в специфических экологических условиях Приангарья. Изучить характер фитоценотических взаимоотношений, экологической устойчивости компонентов, сравнительной агроэкологической продуктивности создаваемых поливидовых агрофитоценозов, дать экономическое и экологическое обоснование.
Задачи исследований. В программу исследований были включены следующие вопросы:
1. Динамика численности популяций в одновидовых и поливидовых агрофитоценозах;
2. Изменение морфологических признаков растений: линейного роста и облиственности;
3. Оценка продукционного процесса: площади листьев, фотосинтетического потенциала и чистой продуктивности фотосинтеза.
Программой предусматривалось изучение:
1. Абиотических и эдафических особенностей региона;
2. Химического состава и питательности получаемых кормов;
3. Экономической и экологической (энергетической) эффективности создаваемых агрофитоценозов.
Научная новизна. Впервые в условиях Приангарья даны теоретическое обоснование и практические приемы создания поливидовых, длительно функционирующих агрофитоценозов многолетних растений, проведена эколого-биологическая оценка компонентов поливидовых агрофитоценозов, изучены конкурентные взаимоотношения, изменения морфологических признаков, площади ассимиляционного аппарата, фотосинтетическая и экологическая деятельность поливидовых агрофитоценозов, особенности их конструирования, экологическая и экономическая эффективность агроэкосистем.
Положения выносимые на защиту.
1. Разработанная технология создания поливидовых агрофитоценозов снижает межвидовую конкуренцию и способствует сохранению ценных видов.
2. Поливидовые агрофитоценозы формируют высокий ассимиляционный аппарат и обладают интенсивной фотосинтетической деятельностью.
3. Поливидовые агрофитоценозы обеспечивают высокую биологическую продуктивность, агроэкологическую и экономическую эффективность.
Практическая значимость. Результаты исследований используются в учебном процессе, разработке теоретических и практических курсов «Сельскохозяйственная экология», «Экология», «Экология и устойчивое сельское хозяйство» на 3, 4 и 5 курсах специальности, 320400 – «Агроэкология» Иркутской ГСХА, явились теоретической и практической основой создания высокопродуктивных, устойчивых агроэкосистем в условиях Иркутской области.
Итоги исследований использовались при разработке системы кормопроизводства Иркутской области, при разработке системы земледелия СХАО «Белореченское».
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов Иркутской ГСХА в 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 г.г., на Международной научно - практической конференции «Плодородие почв, эффективность средств химизации и методы оптимизации питания растений» (Иркутск, 2005), Международной научно – практической конференции «Севообороты, ресурсосберегающие технологии и воспроизводство плодородия почв в адаптивно – ландшафтном земледелии Приангарья» (Иркутск, 2005), Международной научно-практической конференции «Сельскохозяйственные и прикладные науки в развитии сельского и лесного хозяйства: актуальные вопросы, практика и обмен опытом» (Иркутск, 2006).
Результаты исследований внедряются в СХАО «Белореченское», в хозяйствах «Хайтинское» и «Сибирь».
Публикации результатов исследований. Всего по материалам диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы, приложений, иллюстрирована 29 рисунками, содержит 16 таблиц. Список использованной литературы включает 159 наименований, в том числе 3 на иностранном языке.
Агроэкологическая эффективность поливидовых агрофитоценозов
Одной из важнейших проблем сельскохозяйственной экологии является создание высокопродуктивных устойчивых агрофитоценозов, улучшение качества компонентов и повышение энергонасыщенности создаваемой биомассы. В связи с этим возникает необходимость поиска научно обоснованных путей конструирования адаптированных агроэко-систем, сбалансированности биопродукции по сахаро-протеиновому соотношению.
К.А. Тимирязев (1949) считал культивируемую растительность таким объектом, на который никогда не проходит мода, так как именно сельскохозяйственные культуры создают основу средств существования человечества.
Конкретной единицей культивируемой растительности является культурфитоценоз, или агрофитоценоз - в полевой растительности.
Термин «культурфитоценоз» был предложен Ю.П. Бялловичем (1936). Под культурфитоценозом Ю.П. Бялловичем понимается «определенная культура, рассматриваемая как совокупность растений, характеризующаяся определенными взаимоотношениями между растениями и между растениями и средой, возникающими в результате наложений реакций ландшафта и борьбы за существование на комплекс целенаправленных растениеводческих мероприятий».
По степени воздействия человека на природную растительность автор различает культурфитоценозы трех групп: нерегулируемые, регулируемые, ландшафтиндепендентные.
Среди культурфитоценозов второй группы, т.е. регулируемых, Ю.П. Бяллович различает: А) биоторегулируемые, подразделяемые на; 1) интерплантные - прямого ухода за растениями нет, но обеспечивается воздействие на биотические факторы (например, удаление отдельных растений, подсадка других растений, борьба с вредителями); 2) суп-плантные - производится уход за растениями, но нет ухода за почвой; Б) педорегулируемые - производится уход за почвой; В) педоклиматорегу-лируемые - на протяжении развития фитоценоза производится воздействие на климатические и почвенные факторы.
А.А. Часовенная (1975) отмечает, что культурфитоценозы, выделенные Ю.П. Бялловичем, по степени целенаправленного воздействия человека на растительность, заслуживают внимания, хотя из-за громоздкости терминологии не получили широкого применения.
Своеобразие взглядов, при классификации сеяной растительности, Л.Г. Раменского (1938) и А.С. Станцявичуса (1964) имеет в своей основе недооценку роли внутривидовых отношений у культурных растений, возможности влияния их друг на друга не только надземными частями, но и подземными.
А.Д. Фурсаев и С.С. Хохлов (1947), интенсивность воздействий человека на фитоценозы подразделяют на пять групп: 1) девственные -не подвергающиеся воздействию человека; 2) естественные - подвергающиеся непроизвольному воздействию человека; 3) окультуренные -в той или иной мере видоизмененные человеком; 4) полукультурные -сознательно создаваемые на месте естественных, но не регулируемые постоянно человеком (сеяные луга, искусственные лесные насаждения); 5) культурные - создаваемые и в своем развитии повседневно регулируемые (сады, посевы и посадки полевых и огородных культур). Культурные фитоценозы авторы делят на ценозы: гомо- (из одного вида) и гетерофитного состава (из нескольких видов). Б.А. Быков (1967) называет все искусственно создаваемые сообщества агрофитоценозами. Следуя за А.Я. Фурсаевым и С.С. Хохловым, он различает агроценозы: 1) окультуренные - естественные, видоизмененные интенсивным использованием (например, планомерно эксплуатируемые леса и луга); 2) полукультурные - искусственные сообщества, развитие которых планомерно не регулируется (например, искусственные лесные насаждения, сеяные многолетние луга); 3) культурные агро-фитоценозы - искусственные сообщества, развитие которых повседневно регулируется человеком (сады, плантации, посевы); 4) интенсивные культурные агрофитоценозы - искусственные сообщества, для которых создается и постоянно регулируется не только почвенная, но и воздушная среда.
Однако, замечает А.А. Часовенная (1975), нельзя согласиться с Б.А. Быковым (1967) в приравнивании культурфитоценозов к агрофито-ценозам, так как термин «агрофитоценоз» означает полевое сообщество.
Существует несколько определений конкретной единицы полевой растительности агрофитоценоза. По определению Н.С. Камышева (1971), агрофитоценоз «представляет собой закономерное сочетание культурных, сорно-полевых видов, грибов и других растений, взаимосвязанных и взаимодействующих друг с другом и со свойственными им условиями обитания».
По М.В. Маркову (1969), «под агрофитоценозом (полевым растительным сообществом, искусственным посевом травянистых растений) следует понимать совокупность живущих совместно на одной и той же территории растительных организмов, созданных человеком в целях получения необходимой ему органической массы путем высева травянистых (чаще культурных) растений на специально для этой цели выделенном и соответствующим образом подготовленном полевом участке. Высеваемые человеком культурные растения являются доминантами, т.е. эдификаторами создаваемого агрофитоценоза, остальные его компоненты входят в состав агрофитоценоза независимо от желания человека и часто вопреки этому желанию. Агрофитоценоз представляет собой сложную, развивающуюся в пространстве и во времени систему, все звенья которой связаны между собой сложными биоцеиотическими отношениями, в основе которых лежит воздействие организмов друг на друга».
Наличие взаимных отношений растений друг с другом и со средой является главной особенностью любого фитоценоза, в том числе и агрофитоценоза. От состава видов в агрофитоценозе и характера их взаимоотношений зависит производственный эффект возделывания культур. Разнообразие природных свойств растений определяет существование между ними сложных и многообразных форм прямых и косвенных взаимовлияний. Влияния растений друг на друга могут быть для них благоприятными и неблагоприятными, но могут оказаться и несущественными (Мальцев, 1932; Шенников, 1964; Марков, 1972).
А.П. Шенников (1950) с сотрудниками уделяли внимание изучению взаимных отношений в травосмесях, изучению популяционного состава отдельных видов кормовых культур, биологии и экологии многолетних трав.
Оценка абиотических факторов среды
Климат Иркутской области резко континентальный, с суровой продолжительной, но малоснежной зимой и сравнительно тёплым, с обильными осадками, летом. Эти особенности климата вызваны физико-географическими условиями территории и атмосферной циркуляцией, характер которой в теплом и холодном полугодиях различен.
В холодный период года над большей частью Восточной Сибири устанавливается область высокого давления - Сибирский антициклон. Благодаря этому зимой преобладает малооблачная погода со слабыми ветрами и малым количеством осадков. При этом широко развиваются процессы выхолаживания. Последние в сочетании с особенностями рельефа обуславливают весьма низкие температуры зимой. В теплом полугодии в результате оживленной циклонической деятельности заметно возрастает облачность. В этот период года выпадает 65-85 % годовой суммы осадков.
Продолжительность солнечного сияния довольно велика и достигает 1900-2260 часов в год, по отношению к возможному она составляет 46-50 %. Количество суммарной солнечной радиации достигает 80-106 ккал/см . Продолжительность дня в летние месяцы равна 16-19 часов на севере области и 14-17 часов на юге.
Значительная широтная протяженность и сложность рельефа территории приводит к большому разнообразию в распределении температуры воздуха. Средняя годовая температура воздуха повсеместно отрицательная; от -9 С на севере до - 1-2 С на западе и юго-востоке области. Годовая амплитуда абсолютных температур колеблется от 70 до 100 С, средних месячных - от 30-до 50 С, составляя на большей части ее территории 80-95 С по абсолютным значениям и 35-45 С по средним.
Самым холодным месяцем является январь. Средняя месячная его температура его колеблется в значительных пределах: от - 30-35 С на севере области и до - 16-18 С на побережье оз. Байкал. На большей части территории она составляет - 24-27 С, несколько повышаясь в юго-восточных районах и Предсаянье (- 20-23 С). Предельно низкие температуры воздуха (абсолютные минимумы) могут опускаться до - 60 64С на севере области, на остальной территории до - 50-56 С. Холодный период (со средне суточной температурой воздуха ниже 0 С) значительно длиннее теплого и продолжается 200-215 дней на севере области и в горных долинах, 175-180 дней - в юго-восточной части области и 180-200 дней - на остальной территории.
Средняя месячная температура воздуха самого теплого месяца -июля - колеблется в меньших пределах: от 18 до 11 С и распределена более равномерно. В основных сельскохозяйственных районах области она колеблется очень незначительно, составляя +17-18 С, в Предсаянье понижается до + 15-16 С, в горных долинах-до+11-13 С (рис.1).
Предельно высокие температуры воздуха (абсолютные максимумы) могут достигать +34-39 С, в горных долинах +32-35 С. продолжительность теплого периода (со среднесуточной температурой выше 0с) сравнительно невелика: 120-190 дней. Наибольшая средняя продолжительность теплого периода наблюдается на юго-востоке области в пределах Иркутско-Черемховской равнины (180-190 дней), наименьшая на севере, северо-востоке области и горных долинах (150-160 дней), высоко в горах уменьшается до 120-125 дней. На остальной территории области его продолжительность составляет 170-180 дней.
Относительная влажность воздуха имеет хорошо выраженный годовой ход. Наименьшие ее значения (53-56%) отмечаются в мае в лесостепных районах, увеличиваясь до 58-62 % по остальной территории. Число сухих дней с относительной влажностью 30% и ниже в любой из сроков наблюдений, в среднем за год на основной территории области меняется незначительно (от 28 до 44 дней), исключение составляют Саяны и побережье Байкала.
Среднее многолетнее количество осадков на территории области составляет 350-450 мм.
В течение года осадки распределены крайне неравномерно. В теплый период (май-сентябрь) выпадает 65-85 % годовой суммы. В основном приходятся они на лето с максимумом в июле. Минимум наблюдается в феврале-марте.
Малое количество зимних осадков обуславливает небольшую высоту снежного покрова. На большей территории области она составляет 40-50 см, уменьшаясь в пределах Иркутско-Черемховской равнины до 25-30 см, а в Усть-Ордынском национальном округе до 20 см и менее (рис. 2). Устойчивый снежный покров на большей части территории области держится в течение 160-175 дней.
Первые снегопады почти ежегодно наблюдаются в сентябре, но не образуют постоянного снежного покрова. Устойчивый снежный покров обычно устанавливается в конце октября - начале ноября, а максимальной высоты достигает в первой половине февраля.
По средним многолетним данным, на территории основных сельскохозяйственных районов полный сход снежного покрова наблюдается в середине апреля.
Цель и программа исследований
Цель исследований: Разработать теоретические основы и практические приемы конструирования поливидовых агрофитоценозов в специфических экологических условиях Приангарья. Изучить характер це-нотических взаимоотношений, экологической устойчивости компонентов, сравнительной продуктивности создаваемых поливидовых агрофитоценозов, дать агроэкологическое и экономическое обоснование.
При обосновании программы и методики проведения научных исследований учитывалось то обстоятельство, что широко применяемые в практике простые «механические» смеси компонентов поливидовых агрофитоценозов при рядовом способе их размещения уже в первый год функционирования приводят к сильной конкуренции и выпаду из травостоя наиболее ценных видов. Чтобы ослабить межвидовую конкуренцию нами предлагается новая технология конструирования поливидовых (смешанных) агрофитоценозов - размещение компонентов смеси «через рядок» с междурядьями 60 см.
С этой целью в программу исследований были включены следующих вопросы:
1. Динамика численности популяций в одновидовых и поливидовых агрофитоценозах;
2. Изменение морфологических признаков растений; линейного роста и облиственности;
3. Оценка продукционного процесса: площади листьев, фотосинтетического потенциала и чистой продуктивности фотосинтеза.
Программой предусматривалось изучение:
1. Абиотических и эдафических особенностей региона;
2. Химического состава и питательности получаемых кормов;
3. Экономической и экологической (энергетической) эффективности создаваемых агрофитоценозов.
Полевые исследования проводились в период с 2001-2005 гг на опытном поле кафедры сельскохозяйственной экологии Иркутской государственной сельскохозяйственной академии (рис.4).
Схема опытов:
Опыт I. Агроэкологическая эффективность поливидовых агрофитоценозов костреца безостого с традиционными культурами семейства бобовых (Fabaceae):
Кострец безостый (Bromopsis inermis Holub.).
Кострец безостый + клевер красный (Trifolium pratense L.).
Кострец безостый + люцерна посевная (Medicago sativa L.).
Опыт 2. Агроэкологическая эффективность поливидовых агрофитоценозов костреца безостого с новыми и малораспространенными культурами семейства бобовых (Fabaceae):
Кострец безостый.
Кострец безостый + козлятник восточный (Galega orientals Lam.).
Кострец безостый + эспарцет песчаный (Onobrychis arenaria D.).
Опыт 3. Изучение поливидовых агрофитоценозов костреца безостого с новой культурой семейства капустных (Brassicaceae): Кострец безостый. Кострец безостый + свербига восточная (Bunias orientals L.).
Опыт 4. Изучение поливидовых агрофитоценозов костреца безостого с новой культурой семейства гречишных (Polygonaceae):
Кострец безостый.
Кострец безостый + горец растопыренный (Polygonum divaricatum L.).
Полевые опыты проводились в трех временных закладках.
Экспериментальные агрофитоценозы закладывались по чистому пару. Способ посева широкорядный, с междурядьями 60 см, компоненты агрофитоценозов высевались через рядок (рис. 5). Норма высева - рекомендованная в зоне, срок сева - вторая декада мая, соотношение компонентов смеси 50/50. Площадь опытных делянок 12 м2 (3 на 4), расположение делянок систематическое и рендомизированное (Методика ВНИ-ИК, 1971).
В процессе формирования агрофитоценозов, вегетации растений в экспериментальных посевах проводили фенологические наблюдения. В основу изучения была взята методика ВНИИК им. В.Р. Вильямса (1971).
Фазу развития растений отмечали на двух несмежных повторно-стях и выводили среднюю дату. Началом наступления фазы развития считали наступление её у 10 % растений, а полная фаза отмечалась при наступлении её у 75% растений на делянке.
При проведении наблюдений за фазами развития растений использовали метод подсчёта. Он заключается в том, что на выделенных площадках в двух несмежных повторностях отсчитывали подряд 10 растений, определяли сколько растений вступило в данную фазу.
В период вегетации растений выделяли следующие фазы развития: всходы, бутонизация, цветение. Кроме того, начиная со второго года жизни у растений весной отмечали начало отрастания, появление побегов, образование розетки листьев, побегообразования, бутонизации, начала цветения, цветения и побегообразования (Балашов, 1968).
