Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 13
1.1 Народнохозяйственное значение и биологические особенности яровой пшеницы 13
1.2 Антропогенная нагрузка на агроландшафты и пути ее снижения 18
1.3 Биологизация и энергосбережение в технологии возделывания
яровой пшеницы 25
ГЛАВА 2. Объекты и методика исследований 39
2.1 Природные условия района исследований 39
2.1.1 Почвы и климатические условия лесостепи Заволжья.. 39
2.1.2 Месторасположение и почва опытных участков 43
2.1.3 Агрометеорологические условия в годы проведения опытов 47
2.2 Методика исследований 49
2.2.1 Методика вегетационно-полевых опытов 49
2.2.2 Методика проведения полевых опытов 50
2.2.3 Сопутствующие исследования, учеты и наблюдения 53
2.2.4 Метод градации технологий возделывания культур
по степени их биологизации 55
ГЛАВА 3. Результаты исследований 56
3.1 Результаты исследований в вегетационно-полевых опытах 56
3.1.1 Плотность сложения почвы 56
3.1.2 Изменение эффективного плодородия почвы от рыхления, перемешивания или оборачивания слоев горизонта 0-30 см 59
3.2 Оптимальная модель плодородия чернозема обыкновенного для яровой пшеницы в лесостепи Заволжья 63
3.3 Результаты исследований в стационарном полевом опыте 72
3.3.1 Структурно-агрегатный состав почвы 72
3.3.2 Плотность сложения и твердость почвы 74
3.3.3 Влажность почвы 76
3.3.4 Содержание подвижных форм NPK и нитратов в почве 82
3.3.5 Микробиологическая активность почвы 85
3.3.5.1 Активность целлюлозоразлагающих микроорганизмов 85
3.3.5.2 Окислительно-восстановительный потенциал почвы 87
3.3.6 Поступление и разложение растительных остатков в почве под яровой пшеницей 89
3.3.7 Распространенность поражения растений яровой пшеницы корневыми гнилями 94
3.3.8 Засоренность агрофитоценозов яровой пшеницы 95
3.3.9 Рост и развитие, структура урожая яровой пшеницы 100
3.3.10 Урожайность яровой пшеницы 106
3.4 Влияние биологизации и энергосбережения в технологии возделывания яровой пшеницы на агроэкологические показатели 109
3.4.1 Почвенная мезофауна 110
3.4.2 Состав и горизонтальная структура агрофитоценозов яровой пшеницы 116
3.4.3 Качество и суммарная токсичность зерна яровой пшеницы и суммарная токсичность почвы под ней 126
3.4.4 Биоэнергетическая эффективность биологизации и энергосбережения в технологии возделывания яровой пшеницы 131
ГЛАВА 4. Экономическая оценка эффективности биологизации и энергосбережения в технологии возделывания яровой пшеницы 141
Глава 5. Комплексная эффективность биологизации и энергосбережения в технологии возделывания яровой пшеницы 149
Выводы 153
Рекомендации производству 158
Производственные испытания 158
Список литературы
- Антропогенная нагрузка на агроландшафты и пути ее снижения
- Агрометеорологические условия в годы проведения опытов
- Микробиологическая активность почвы
- Качество и суммарная токсичность зерна яровой пшеницы и суммарная токсичность почвы под ней
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Необходимость поиска и внедрения рациональных элементов биологизации и энергосбережения в технологии возделывания полевых культур для повышения продуктивности, устойчивости и стабильности агроэкосистем и снижения затрат невозобновляемой энергии обусловлены техногенной деградацией агроэкосистем и связанных с ними природных экосистем, недостатком и дороговизной основных средств сельскохозяйственного производства, относящихся к невозобновляемым энергоресурсам (минеральные удобрения, машины и оборудование, ГСМ, пестициды, электроэнергия) и глобальными климатическими изменениями.
Степень разработанности проблемы. Изучением основных элементов
биологизации и энергосбережения в технологии возделывания яровой пшеницы
на черноземах лесостепи Поволжья, и в том числе южного Заволжья,
занимались многие ученые. Большое внимание уделено изучению более
широкого использования в севообороте занятых паров, зернобобовых культур,
сидератов, заделки соломы и других отдельных элементов биологизации систем
земледелия в исследованиях В. Ф. Кирдина и Е. К. Саранина (1996),
В. А. Корчагина и И. А. Чуданова (2002), А. Л. Тойгильдина (2007),
В. И. Каргина, И. Ф. Каргина и Н. А. Перова (2009), А. А. Платунова (2010),
Т. Г. Хадеева (2011), Г. П. Дзюина и А. Г. Дзюина (2014, 2016), Л. М. Козловой
(2015) и других. Однако в этих и других исследованиях остается
малоизученным вопрос взаимодействия и влияния на показатели
агробиогеоценоза яровой пшеницы комплекса основных элементов
биологизации и энергосбережения, причем по мере нарастания степени биологизации. Практически не проводилась всесторонняя агроэкологическая оценка агрофитоценозов яровой пшеницы при снижении антропогенной нагрузки на агроэкосистемы.
Данная работа являлась составной частью плана исследований Самарской ГСХА по решению Научно-технического задания О.СХ.31 «Усовершенствовать зональные системы обработки почвы и разработать способы по ее минимализации» (Государственный регистрационный номер 79010826) и выполнена в соответствии с тематическим планом НИР кафедры общего земледелия на 1991-1996 гг..
Цель исследований. Изучить взаимодействие комплекса основных
элементов биологизации и энергосбережения и их влияние на показатели агробиогеоценоза в технологии возделывания яровой пшеницы.
Для достижения цели решались следующие задачи:
-
Выявить основные показатели для метода градации различных технологий возделывания по степени их биологизации и разработать метод оценки комплексной эффективности технологий возделывания, систематизированных в соответствии с методом градации.
-
Составить полную модель оптимальных параметров показателей плодородия чернозема обыкновенного для яровой пшеницы в лесостепи Заволжья и на основе сравнения с моделью естественного
плодородия научно обосновать возможность и целесообразность внедрения комплекса основных элементов биологизации и энергосбережения.
-
Изучить взаимодействие и влияние комплекса основных элементов биологизации и энергосбережения на физико-химические и биологические свойства почвы, фитосанитарное состояние посевов, урожайность и качество зерна.
-
Определить агротехнологическую, агроэкологическую, биоэнергетическую, экономическую и комплексную эффективность различных сочетаний основных элементов биологизации и энергосбережения и выявить оптимальные из них.
-
Разработать инструментарий (показатели, способы оценки показателей, сроки оценки, шкалы, термины, типизацию и классификацию) метода определения состава и горизонтальной структуры фитоценозов для исследования агрофитоценозов яровой пшеницы и других зерновых культур.
6. Изучить влияние строения пахотного слоя чернозема обыкновенного в
лесостепи Заволжья на урожайность яровой пшеницы.
Научная новизна: 1. Впервые дана всесторонняя агроэкологическая
оценка биологизации и энергосбережения в технологии: почвенная мезофауна,
состав и горизонтальная структура агрофитоценозов, суммарная токсичность
зерна яровой пшеницы и почвы, невозобновляемые энергозатраты.
2. Разработан инструментарий метода определения состава и горизонтальной
структуры фитоценозов для исследования агрофитоценозов зерновых культур,
в том числе яровой пшеницы. 3. Составлена полная модель оптимальных
параметров показателей плодородия чернозема обыкновенного для яровой
пшеницы в лесостепи Заволжья и на основе сравнения с моделью естественного
плодородия научно обоснована возможность и целесообразность внедрения
комплекса основных элементов биологизации и энергосбережения.
4. Разработан метод градации различных технологий возделывания по степени
их биологизации на основе трех выявленных показателей. 5. Разработан метод
анализа корреляционных связей первого, второго и третьего порядка для
модельной реконструкции внутрипочвенных процессов и межвидовой
конкуренции в агрофитоценозе. 6. Впервые предложены в качестве
универсального интегрального показателя агроэкологической эффективности
технологии «затраты невозобновляемых энергоресурсов». 7. Разработан метод
оценки комплексной эффективности технологии возделывания культуры на
основе совокупности четырех универсальных интегральных показателей.
8. Разработанный комплекс основных элементов биологической технологии
возделывания яровой пшеницы обеспечивает уровень урожайности 1,4-1,6 т/га
и рентабельности 100-200% при экологической безопасности зерна и
природных компонентов агроэкосистемы. 9. Установлен оптимальный для яровой пшеницы интервал плотности сложения (с точностью до 0,05 г/см3) слоя 0-30 см чернозема обыкновенного в лесостепи Заволжья - 1,10-1,25 г/см3.
Теоретическая и практическая значимость. Разработан
инструментарий метода определения состава и горизонтальной структуры
фитоценозов для исследования агрофитоценозов яровой пшеницы и других зерновых культур.
Составлена полная модель оптимальных параметров показателей плодородия чернозема обыкновенного для яровой пшеницы в лесостепи Заволжья.
Предложен метод градации различных технологий возделывания по степени их биологизации на основе выявленных показателей.
Предложен метод анализа корреляционных связей первого, второго и третьего порядка для модельной реконструкции внутрипочвенных процессов и межвидовой конкуренции в агрофитоценозе.
В качестве универсального интегрального показателя агроэкологической эффективности технологии впервые предложены «затраты невозобновляемых энергоресурсов» («невозобновляемые энергозатраты»).
Предложен метод оценки комплексной эффективности технологии возделывания культуры на основе совокупности четырех интегральных универсальных показателей: урожайность, рентабельность, коэффициент энергетической эффективности и невозобновляемые энергозатраты.
Выявлены и рекомендованы производству оптимальные по комплексной
эффективности сочетания основных элементов биологизации и
энергосбережения в технологии возделывания яровой пшеницы на черноземах лесостепи Заволжья, способствующие повышению рентабельности от 50 до 200% и выше, коэффициента энергетической эффективности от 2 до 4,5 при снижении урожайности в среднем на 22,4% по сравнению с традиционными интенсивными технологиями с высокой долей антропогенной энергии.
Рекомендации производству могут быть использованы в хозяйствах на черноземах лесостепи Заволжья и Поволжья в целом и в других близлежащих регионах со сходными почвенно-климатическими условиями.
Методология и методы исследований. Полевые и вегетационно -полевые опыты проводились в условиях лесостепи Заволжья в 1991-1996 гг. на опытном поле кафедры общего земледелия ФГБОУ ВО «Самарская ГСХА»; производственные испытания – в 2012-2016 гг. на черноземе обыкновенном в лесостепи Заволжья (Волжский и Кинель-Черкасский районы Самарской области). При проведении исследований применялись стандартные методы планирования и проведения экспериментов и систематизации результатов.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Основные показатели для метода градации различных технологий возделывания по степени их биологизации. «Затраты невозобновляемых энергоресурсов» в качестве универсального интегрального показателя агроэкологической эффективности технологии возделывания и метод оценки комплексной эффективности технологий на основе совокупности четырех универсальных интегральных показателей: урожайность, рентабельность, коэффициент энергетической эффективности и невозобновляемые энергозатраты.
2. Полная модель оптимальных параметров показателей плодородия чернозема обыкновенного для яровой пшеницы в лесостепи Заволжья в сравнении с моделью естественного плодородия научно обосновывает
возможность и целесообразность внедрения комплекса основных элементов биологизации и энергосбережения в технологии возделывания.
3. Взаимодействие и влияние комплекса основных элементов
биологизации и энергосбережения (занятые и сидеральные пары в звене
севооборота; сокращение доз и полный отказ от минеральных удобрений и
пестицидов; заделка измельченной соломы и минимализация основной
обработки почвы) на показатели плодородия почвы и фитосанитарного
состояния посевов, агроэкологические показатели, урожайность и качество
зерна яровой пшеницы.
4. Результаты агротехнологической, агроэкологической,
биоэнергетической, экономической и комплексной эффективности различных
сочетаний основных элементов биологизации и энергосбережения
(27 технологий возделывания от интенсивных до биологических).
5. Разработанный инструментарий для метода определения состава и
горизонтальной структуры агрофитоценозов зерновых культур позволяет
выявить принципы моделирования состава, вертикальной и горизонтальной
структуры многокомпонентных агрофитоценозов на продовольственное зерно.
6. Оптимальный интервал плотности сложения (с точностью до
0,05 г/см3) слоя 0-30 см чернозема обыкновенного для яровой пшеницы в
лесостепи Заволжья – 1,10-1,25 г/см3; оптимальные варианты основной
обработки почвы – безотвальные (в порядке убывания эффективности):
«нулевая», перемешивание слоя 0-10 с рыхлением 10-30 см, рыхление 0-30 см.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием общепринятых методов отбора и анализа проб и использованием методов статистической обработки полученных данных (дисперсионный и корреляционный анализы); Актами о внедрении результатов исследований.
Основные научные результаты ежегодно докладывались на заседаниях кафедры общего земледелия и научных конференциях Самарской ГСХА в 1994-1997 гг.; на Международной научной конференции молодых ученых и специалистов в г. Воронеж в 1995 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности и чрезвычайные ситуации» в г. Самара в 1997 г.; на научно-практических семинарах специалистов АПК Самарской области в 1996-1999 гг.; а также на XVI Международной научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых «Знания молодых: наука, практика и инновации» в г. Киров в 2016 г. и на Всероссийской научно-практической конференции «Разработка и внедрение почвозащитных энергосберегающих технологий – основной путь повышения рентабельности и экологической безопасности растениеводства на современном этапе» в ФГБНУ «Удмуртский НИИСХ» в 2016 г.
Теоретические и методологические разработки диссертации применяются в исследованиях научных учреждений РФ (например: Оленин, О. А. Комплексная эффективность биологизации технологии возделывания яровой пшеницы / О. А. Оленин, Ф. А. Попов, Е. Н. Носкова // Пермский аграрный вестник.- 2016.- №1 (13).- С. 22-30 (0,56 п. л.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 21 печатная статья, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 233 страницах компьютерного текста (без приложений на 192). Состоит из введения, 5 глав, выводов, рекомендаций производству и производственных испытаний. Работа имеет 42 таблицы и 9 рисунков. Список использованной литературы включает 331 наименование, в т. ч. 10 на иностранных языках.
Личный вклад автора. Личный вклад автора заключался в планировании экспериментов, осуществлении постановки целей и задач, сборе исходных данных, закладке полевых и вегетационно - полевых опытов, проведении полевых и лабораторных учетов, анализов и наблюдений, обобщении и научном обосновании полученных результатов, подготовке диссертации, выводов и рекомендаций производству.
Благодарности. Автор выражает признательность своим научным руководителям – доктору с.-х. наук, профессору Казакову Г. И. и доктору с.-х. наук, профессору Платунову А. А., а также доктору биол. наук, профессору Каплину В. Г. и кандидатам с.-х наук, доцентам Подскочей О. И. и Ракитиной В. В. за методологическую помощь.
Антропогенная нагрузка на агроландшафты и пути ее снижения
Таким образом, техногенное земледелие вызывает деградацию почвы, загрязнение природных компонентов агроландшафтов и окружающей среды в целом. Как следствие, ухудшается состояние здоровья человеческой популяции, находящейся на вершине трофической пирамиды.
При ухудшении качества хотя бы одного из таких компонентов агроландшафта как вода, воздух или почва производить экологически безопасный урожай высокого качества становится проблематично [254].
Наконец, антропогенное воздействие на агроэкосистемы сокращает биологическое разнообразие, что способствует деградации биосферы как глобальной экосистемы Земли в целом [219].
По данным ФАО (1988 г.), в мировом сельском хозяйстве используется примерно 30% всей площади суши, остальные 70% территории Земли находятся в неблагоприятных условиях (леса, горы, пустыни) [237, 238]. Следовательно, основа устойчивого и стабильного развития человечества – повышение продуктивности сельхозугодий при их сохранении. Основные особенности природных экосистем: самоконтроль, саморегулирование, самовосстановление, адаптация, динамическое равновесие, устойчивость, стабильность [148, 184, 185, 246, 254, 260, 265]. Особенности природных экосистем основываются на некоторых фундаментальных явлениях биосферы. Например, биогеохимический круговорот – непрерывный обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы.
Существование биогеохимического круговорота создает возможность для саморегуляции (гомеостаза) системы, что придает экосистеме устойчивость: постоянство процентного содержания различных элементов. Отсюда принцип функционирования экосистем: получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов. Основное отличие агроэкосистемы от природной экосистемы заключается в наличии комплекса антропогенных воздействий на почву, растения и окружающую атмосферу, направленных на регулирование процесса энерго- и массообмена в ней и именуемых системой земледелия.
Нарушение биогеохимического круговорота, сдвиг в соотношении компонентов экосистемы приводят к ее разбалансировке. Как следствие – засухи, эрозия, загрязнение и так далее [260, 304].
А. Н. Каштанов [103] отмечает, что следующим, более высоким этапом развития систем земледелия и сельского хозяйства в целом должно стать формирование устойчивых и высокопродуктивных агроэкосистем, объединяющих взаимосвязанные антропогенные и природные факторы. Анализ особенностей функционирования агроэкосистем на биоэнергетических принципах позволит разработать систему управления процессом на основе фундаментальных законов термодинамики, лежащих в основе функционирования как экосистем, так и агроэкосистем. Тарарико А. Г. [263], Шикула Н. К. [294, 295], Картамышев Н. И. [97], Рябов Е. И. [239], Постолов В. Д. [207] и другие считают, что экологическая оптимизация разбалансированных агроэкосистем может осуществляться только путем имитации природных экосистем.
По мнению Извекова А. С. [76], природный ландшафт самоуправляется, а для агроландшафта, чтобы он был устойчивым, необходима совершенная управляющая система – научная система земледелия, построенная на закономерностях природного ландшафта.
Володин В. М. [31, 32, 302, 303, 304], Щербаков А. П. [303, 304, 305], Каштанов А. Н. [106, 107], Храмцов Л. И. [278], Гуреев И. И. [47], Кирюшин В. И. [111, 112, 113], Калимуллин А. Н. [89], Платунов А. А. [212] и другие выступают за внедрение адаптивно-ландшафтных систем земледелия (ландшафтных, эколого-ландшафтных). Центральным звеном ландшафтной системы земледелия является организация территории на принципах ландшафтной экологии, например, контурно-мелиоративное противоэрозионное земледелие.
Каштанов А. Н. [104] отмечает, что оптимальная ландшафтная организация земельной территории должна быть обязательной для всех форм ведения хозяйства и собственности.
Освоение контурно-мелиоративной системы земледелия в опытном хозяйстве Алтайского НИИ земледелия и селекции сельскохозяйственных культур (около 8 тыс. га), например, увеличило прибыль от растениеводства в 2,5 раза и свело к минимуму эрозию почвы [266].
Биологизация технологий возделывания, то есть снижение антропогенной нагрузки на агроэкосистемы путем имитации естественных процессов природных экосистем, происходит в следующих направлениях: минимализация обработки почвы (основной и предпосевной); обогащение обрабатываемого и корнеобитаемого слоя органическим веществом; постоянный растительный покров на почве (или мульча); сокращение доз или полный отказ от ксенобиотиков, в том числе минеральных удобрений.
Биологизация – это уменьшение величины разомкнутости биогеохимического круговорота и трансформации энергии в агроэкосистеме. При биологизации основополагающее значение приобретает севооборот: плодосмен; максимально возможное насыщение бобовыми культурами (до 25-30% и выше); однолетние и многолетние травы; занятые и сидеральные пары; промежуточные, пожнивные, поукосные и подсевные посевы; смешанные и совместные многокомпонентные посевы (в том числе сортосмеси). Обработка почвы минимализируется, в том числе до нулевой. Применяются различные органические удобрения, в том числе нетоварная часть урожая. Интенсификация и максимальное использование симбиотической и ассоциативной азотфиксации. Внесение медленнорастворимых минералов, например, сырых фосфатов. Защита растений основывается на биологических методах, регулирующих численность и состав вредных организмов. Возрастает роль высокоустойчивых и скороспелых сортов. Используются биопрепараты, микробиологические препараты и микроудобрения для внесения в почву, обработки семян и посевов возделываемых растений [8, 35, 37, 61, 110, 116, 124, 137, 150, 173].
В Самарской области энергосберегающие технологии могут осваиваться на площади 1,5-1,7 млн. га. Внедрение их позволит повысить продуктивность пашни на 25-30%, снизить затраты удобрений на 30-50%, повысить биоэнергетическую эффективность производства на 30-40%, съэкономить значительные средства на приобретение сельскохозяйственной техники, горючего, удобрений и средств защиты растений [253].
Марьина – Чермных О. Г. считает, что в экологическом отношении наиболее перспективным является применение биопрепаратов при обработке семян и внесение органических удобрений при выращивании зерновых культур. В этом случае состояние аграрной экологической системы по структурированию функциональных групп микромицетов в ризосфере растений приближается к естественной экосистеме, способствует повышению продуктивности агроэкосистемы и усилению степени самозащиты при функционировании системы [172].
Агрометеорологические условия в годы проведения опытов
Но среднее количество зерен в колосе и средняя масса зерна с колоса были наибольшими на вариантах с рыхлением и взаимным перемещением слоев пахотного горизонта, что объясняется более эффективным использованием растениями яровой пшеницы факторов плодородия, то есть повышением эффективного плодородия слоя 0-30 см. В результате после нулевой обработки и фрезерования 0-30 см была получена практически одинаковая и минимальная урожайность, а максимальная – на 13-14% больше – после взаимного перемещения слоев почвы 0-10 и 20-30 см. Однако, если нулевая обработка способствует имитации в агрофитоценозе яровой пшеницы естественных процессов, то фрезерование слоя 0-30 см максимально разрушает внутрипочвенные связи и является избыточно интенсивной основной обработкой. Эффективное плодородие, способствующее получению наибольшего урожая, повышается рыхлением и взаимным перемещением слоев горизонта 0-30 см: перемешивание слоя 0-10 и рыхление 10-30 см; взаимное перемещение слоев 0-10 и 10-20 см; взаимное перемещение слоев 0-10 и 20-30 см с оставлением слоя 10-20 см на прежнем месте (соответственно безотвальное глубокое рыхление с предварительным поверхностным дискованием, отвальная и глубокая отвальная вспашка). Но в современных экономических условиях эффективность сельскохозяйственного предприятия определяется не полученной урожайностью, а такими экономическими показателями как чистая прибыль и рентабельность, которые зависят как от урожайности, так и затрат на нее.
В нашем опыте урожайность после глубокой отвальной вспашки (взаимное перемещение слоев 0-10 и 20-30 см) увеличилась по сравнению с нулевой всего на 14%. Тогда как, по обобщенным научным данным, минимализация основной обработки почвы снижает затраты горючего на 10-55% (наиболее часто встречающийся интервал – 20-40%), затраты труда – на 15-75% (20-40%); время на полевые работы в 1,5-2 раза; производительность труда возрастает на 10-55% (37-55%); совокупные энергетические затраты сокращаются на 15-70%, рентабельность повышается на 10-40% и более. Замена отвальной вспашки нулевой обработкой позволяет уменьшить расход топлива более чем на 70%, затраты труда на 60% [17, 50, 59, 108, 161, 188, 224, 225, 234, 298, 310, 314, 317, 200].
Кроме того, оборот пласта - экологически отрицательный прием антропогенного воздействия на агроэкосистему (см. гл. 1.3). Так, в нашем опыте колебания урожайности яровой пшеницы по годам после взаимного перемещения слоев почвы составили 20-28%, а после рыхления и поверхностного перемешивания и без обработки – 8%, что объясняется повышением устойчивости и стабильности агрофитоценозов.
Следовательно, на черноземе обыкновенном в лесостепи Заволжья под яровую пшеницу экономически, биоэнергетически и агроэкологически возможно и целесообразно внедрение такого элемента биологизации и энергосбережения в технологии возделывания как минимализация основной обработки почвы.
Экономически, биоэнергетически и агроэкологически наиболее эффективными оказались варианты - без обработки, рыхление 0-30 см, перемешивание 0-10 и рыхление 10-30 см (соответственно основные обработки почвы - нулевая, безотвальное глубокое рыхление, безотвальное глубокое рыхление с предварительным поверхностным дискованием).
По мнению Володина В. М. и Щербакова А.П. [31, 32, 302, 303, 304], плодородие почвы – ее способность в конкретных условиях обеспечивать оптимальные режимы связывания растениями солнечной энергии.
Основные показатели плодородия почвы: агрофизические,
агрохимические и биологические [71, 107, 296, 306].
Для создания устойчивых и высокопродуктивных агроэкосистем необходимо знать как оптимальные для корневой системы культуры показатели плодородия, так и показатели почвы в естественном состоянии. Если оптимальные и естественные показатели плодородия почвы близки, то становится возможным значительное снижение антропогенной нагрузки на агроэкосистему, например, минимализация основной обработки почвы.
На основе обобщения опубликованных научных данных и вновь полученных результатов наших исследований представлена предварительная модель оптимальных показателей плодородия чернозема обыкновенного для яровой пшеницы в лесостепи Заволжья. Оптимальная модель сопровождается моделью плодородия чернозема обыкновенного в естественном состоянии [4, 5, 6, 56, 81, 82, 83, 121, 175, 176, 249, 274, 306].
При составлении моделей использованы данные Казакова Г. И. [81, 82] по влиянию системы обработки почвы в севообороте на показатели ее плодородия. В 1975-1985 гг. изучались системы: отвальная на переменную глубину (20-22, 28-30 см); плоскорезная на переменную глубину (20-22, 28-30 см); мелкая плоскорезная (10-12 см); комбинированная; дискование на 8-10, 10-12 см; нулевая.
Как показано в табл. 10, естественные показатели плодородия чернозема обыкновенного не совпадают с оптимальными для яровой пшеницы по твердости почвы и ее водопроницаемости осенью (поэтому обязательна осенняя основная обработка почвы), запасам продуктивной влаги весной в слое 0-100 см и содержанию в нем влаги в среднем за вегетацию (поэтому главная цель всех агротехнических мероприятий – накопление, сохранение и рациональное использование почвенной влаги), фитосанитарному состоянию (поэтому возрастает значение севооборотов, сидератов с капустным (крестоцветным) и поликультуры с бобовым компонентом).
По большинству показателей плодородия естественная и оптимальная модели практически совпадают, что является предпосылкой для биологизации и энергосбережения в технологии возделывания.
Основные элементы биологизации и энергосбережения: минимализация основной и предпосевной обработки почвы; занятый и сидеральный пар в севообороте; сидераты; смешанные посевы с бобовым компонентом; оставление соломы; сокращение доз и полный отказ от ксенобиотиков, в том числе минеральных удобрений; применение биопрепаратов, микробиологических препаратов и микроудобрений.
Так, одним из основных элементов системы земледелия является обработка почвы, которая создает благоприятные условия для возделываемых растений и расширенного воспроизводства ее плодородия. 30-50% и более энергетических и 20-30% трудовых затрат приходится на обработку почвы от всего объема работ по возделыванию и уборке культур. Причем на основную обработку расходуется от 40% и более [139] до 75-85% [296] общих энергетических затрат на механическую обработку почвы [6, 28, 128, 153, 280].
Микробиологическая активность почвы
В среднем по обработкам почвы заделка соломы увеличивала общие запасы влаги, особенно при последействии чистого пара. Занятый и сидеральный пары уменьшали эффективность приема, так как значительное количество почвенной влаги расходовалось на расщепление накопленного в пахотном слое однородного органического вещества зерновых культур.
В целом, последействие чистого пара способствовало наибольшему содержанию общего количества влаги в почве (319 мм), а занятого – наименьшему (305 мм).
Общий расход влаги за вегетацию увеличивали рыхление СибИМЭ на 20-22 см (на 4-18 мм больше, чем после поверхностного дискования) и последействие чистого пара (на 4-45 мм больше, чем при последействии занятого и сидерального пара) (табл. 15, с. 82).
Насыщение пахотного слоя органическим веществом способствовало уменьшению суммарного водопотребления.
Установлен положительный коэффициент корреляции между общим расходом влаги за вегетацию и густотой всходов растений культуры: r=0,72.
Коэффициент водопотребления возрастал при последействии чистого пара, при оставлении соломы и после рыхления СибИМЭ на 20-22 см (табл. 15). Однако, максимальное потребление почвенной влаги на единицу основного урожая отмечено при оставлении соломы в звене севооборота с сидеральным паром (171-173 мм/т), что объясняется повышенным расходом воды в почве на расщепление органического вещества до доступных растениям питательных элементов и значительным распространением многолетних сорняков.
Установлена высокая отрицательная корреляция между коэффициентом водопотребления и урожайностью яровой пшеницы: r=- 0,83.
Содержание продуктивной влаги в метровом слое почвы увеличивалось после ее рыхления СибИМЭ на 20-22 см, при заделке соломы и при последействии чистого пара (табл. 15). Так, максимальный запас продуктивной влаги в метровом слое почвы (в среднем 120 мм) выявлен в звене севооборота с чистым паром при оставлении соломы, что подтверждает роль чистого пара и мульчирования почвы соломой как агроприемов активного накопления почвенной влаги.
Установлена корреляция запасов продуктивной влаги с густотой всходов яровой пшеницы: r=0,65.
Таким образом, более глубокая безотвальная обработка и заделка соломы повышали влажность метрового слоя почвы (соответственно на 0,5-2,8 и 0,1-1,3%), общий запас влаги в ней к началу вегетации (на 3-17 и 21-25 мм), и количество продуктивной влаги к началу вегетации (на 1-33 и 11-36 мм), но ухудшали режим расходования воды.
В звене севооборота с сидеральным паром при заделке соломы отмечен максимальный расход воды на единицу основной продукции (коэффициент водопотребления в 171-173 мм/т), что является одной из основных причин снижения урожайности культуры при биологизации технологии возделывания.
Подвижные формы NPK. Многие авторы отмечают положительное действие заделки соломы на пищевой режим почвы и урожайность последующих культур при внесении азотных удобрений (10-15 кг д. в. на 1 т соломы зерновых культур) [14, 19, 28, 30, 61, 84, 101, 130, 146, 187, 264].
Однако, растительные остатки, отношение С:N которых меньше, оказывают положительное влияние на урожай и без минерального азота. Так, в исследованиях ТСХА при заделке в почву биомассы клевера и тимофеевки (30 т/га) урожай ячменя и картофеля был более чем в 2 раза выше по сравнению с вариантом без растительных остатков [70].
Например, при заделке 10 т зеленой массы различные виды люпина могут обогатить почву подвижным азотом на 54-56 кг/га, клевера – 52-75, вики – 62, гороха – 52, кормовых бобов – 52 и лядвенца рогатого – 59 кг/га [70]. Нашими исследованиями установлено: минимализация обработки почвы и оставление соломы способствовали снижению содержания легкогидролизуемого азота в пахотном слое, но одновременно уменьшалась и величина варьирования показателя (табл. 16). В целом, количество подвижного азота по вариантам опыта изменялось в оптимальных для яровой пшеницы пределах.
Корреляции количества подвижного азота в слое почвы 0-30 см: с общим количеством сорняков (0,39), массой колоса культуры (0,44) и ее урожайностью (0,50), со степенью разложения растительных остатков (0,69).
Содержание подвижного фосфора в пахотном слое на всех вариантах опыта несколько превышало оптимальные для яровой пшеницы параметры (табл. 16). При минимализации обработки почвы и оставлении соломы выявлена тенденция к повышению количества подвижного фосфора.
Количество обменного калия в пахотном слое изменялось в оптимальных для яровой пшеницы пределах (табл. 16). Различные виды звеньев севооборотов, систем удобрений и основной обработки почвы оказывали практически одинаковое воздействие на содержание обменного калия в слое 0-30 см.
Таким образом, содержание легкогидролизуемого азота, подвижного фосфора и обменного калия в пахотном слое на всех вариантах опыта было в оптимальных для яровой пшеницы пределах. Минимализация основной обработки почвы и оставление соломы способствовали снижению содержания легкогидролизуемого азота в обрабатываемом слое (соответственно на 16-31 и 5-29 мг/кг почвы). Насыщение пахотного слоя органическим веществом с высоким отношением С:N необходимо компенсировать безотвальным рыхлением на глубину свыше 15 см и/или внесением азотных минеральных удобрений
Качество и суммарная токсичность зерна яровой пшеницы и суммарная токсичность почвы под ней
В Тольяттинском региональном испытательном центре был проведен анализ зерна яровой пшеницы изучаемых вариантов на соответствие медико-биологическим нормам и санитарным требованиям (протоколы № 147, № 148-з от 17 сентября 1996 года) (см. приложения 20; 21).
Экспертиза показала, что зерно пшеницы, выращенное и при биологической, и при интенсивной технологиях ее возделывания, соответствует требованиям МБТ №5061-89 МЗ СССР, ГОСТА 9353-85 по исследованным показателям качества - тяжелые металлы, 4 вида микотоксинов (из свыше 400), пестициды группы 2,4Д, то есть условно соответствует санитарно-медицинским нормам безопасности для человека.
Но биотестирование выявило, что зерно яровой пшеницы по интенсивной технологии обладает достоверной суммарной токсичностью, также, как и почва на данном варианте (!!).
Следовательно, интенсивная технология возделывания с высокой антропогенной нагрузкой и применением синтетических химических соединений вызывает достоверно установленную биоиндикацией суммарную токсичность (или экологическое загрязнение) природных компонентов агроэкосистемы, в том числе получаемого зерна, которое фактически является «экологически небезопасным» для человека как составной части экосистемы.
В Тольяттинском региональном испытательном центре был проведен анализ зерна яровой пшеницы также в 1998 году (протоколы № 7-з и №8-з от 06.05.98 г.) (урожай 1997 года).
Как и в 1996 году, зерно культуры, выращенное и при биологической, и при интенсивной технологиях ее возделывания, по результатам анализа в государственной лаборатории соответствует санитарно-медицинским нормам безопасности для человека (см. приложения 22; 23).
Следовательно, интенсивная технология возделывания культуры (внесение синтетических химических соединений, чистый пар в звене севооборота и глубокая обработка почвы) обеспечивает соответствие получаемого зерна санитарно-медицинским условным нормам безопасности, но вызывает достоверно установленное биоиндикацией экологическое загрязнение (или суммарную токсичность) природных компонентов агроэкосистемы, в том числе получаемого зерна культуры.
В 1996 году клейковина зерна изучаемых вариантов была одной группы, но при интенсивной технологии ее содержалось на 7,2 % больше. Класс зерна по вариантам одинаковый.
В 1997 году качество клейковины одинаковое, но при интенсивной технологии ее содержалось на 7,0 % больше. Класс зерна при интенсивной технологии третий, при биологической - четвертый. Следовательно, биологизация технологии возделывания яровой пшеницы уменьшала содержание клейковины в ее зерне на 7,0 – 7,2 %, но качество клейковины не ухудшалось.
Таким образом, принятые химические и физико-химические методы определения загрязнения природных компонентов экосистем не объективны и вызывают необходимость разработки и применения биотестирования на основе шкалы биоиндикаторов.
Только биологическая технология возделывания яровой пшеницы (без внесения синтетических химических соединений и обогащение пахотного слоя сбалансированным по С:N органическим веществом) обеспечивает получение зерна, безопасного по санитарно-медицинским и экологическим (по результатам биоиндикации) нормам, а также не вызывает экологического загрязнения (суммарной токсичности) природных компонентов агроэкосистем. Биологизация технологии уменьшает содержание клейковины в зерне (на 7,0-7,2 %), но качество клейковины не ухудшается. 3.4.4 Биоэнергетическая эффективность биологизации технологии возделывания яровой пшеницы Главная задача сельского хозяйства: повысить КПД агроэкосистем, чтобы затраты энергии на возделывание растений как можно в большей степени окупались энергией органического вещества [304]. Основной критерий прогрессивной эволюции в агросфере состоит в эффективности использования энергии, то есть минимизации расхода энергии на достижение полезного эффекта [173].
По мнению Пенчукова В. М., Федорищева В. Н. и др. [200], главные пути экономии энергоресурсов в земледелии: обоснованные структуры посевных площадей; разработка и освоение научно обоснованных севооборотов с наличием в них около четверти бобовых трав и 10-15% посевов промежуточных культур; применение всех видов органических удобрений, включая сидераты; умеренное применение минеральных удобрений; дифференцированная система обработки почвы с учетом биологических требований культуры и почвенно-климатических условий; соблюдение технологической дисциплины.
Биоэнергетический анализ позволяет сравнить агрофитоценозы по расходу затраченной энергии на единицу общей и товарной продукции при различных системах земледелия и технологиях возделывания культур [189].
Биоэнергетическая эффективность получила широкое признание в мире как универсальный способ оценки потоков антропогенной энергии в агроэкосистемах, позволяющий все разнообразие живого и овеществленного труда выразить в единых показателях системы «СИ» - Дж [26, 178].
Биоэнергетическая эффективность рассчитывалась на основании справочной литературы и технологических карт, позволяющих учесть весь поток энергетических ресурсов в разных показателях с последующим их переводом к единому показателю (Дж) с помощью энергетических эквивалентов [26, 178, 189, 195, 197, 208].