Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Агрометеорологические условия 10
1.2. Почвенные условия 11
1.3. Обследование естественных пастбищ и подбор сортов пастбищных многолетних злаковых культур, наиболее приспособленных к аридным условиям 14
1.4. Экологическая реакция видов и сортов многолетних злаковых культур на изменяющиеся условия внешней среды (солеустойчивость, засухоустойчивость, фотосинтетическая активность) 16
1.5. Влияние агротехнических приемов на урожайность многолетних злаковых культур 22
Глава 2. Материалы и методы 31
2.1. Объект исследований 31
2.2. Почвенные условия района исследования 31
2.2.1. Морфологическая характеристика (строение) почвенного покрова 31
2.2.2. Агрофизические свойства почв 35
2.2.2.1. Гранулометрический состав 35
2.2.2.2. Плотность и пористость почвы 37
2.2.3. Агрохимические свойства почв 39
2.3. Предмет исследований 45
2.4. Методы исследований 45
Глава 3. Оценка видового состава естественных пастбищ Северо-Западного Прикаспия 49
Глава 4. Экологическая реакция видов и сортов многолетних злаковых культур на изменяющиеся условия внешней среды (солеустойчивость, засухоустойчивость) 58
4.1. Солеустойчивость 59
4.2. Засухоустойчивость 67
Глава 5. Теоретико-математическое обоснование определения сроков посева многолетних злаковых трав в системе богарного земледелия Северо-Западного Прикаспия 75
5.1. Анализ агрометеорологического цикла 75
5.2. Формирование запаса продуктивной почвенной влаги 81
5.3. Водопотребление фитоценоза 84
5.4. Регрессионный анализ обоснования сроков посева многолетних злаковых трав 87
Глава 6. Влияние агротехнических приемов на продуктивность естественных пастбищ 93
6.1. Полевая всхожесть семян многолетних злаковых культур 93
6.2. Изучение влияния сроков поверхностного улучшения естественных пастбищ и сортового разнообразия на продуктивность многолетних злаковых трав 97
6.3. Изучение влияния размещения посевов относительно рельефа местности, способов посева и системы обработки почвы на продуктивность многолетних злаковых трав 107
Глава 7. Экономическая эффективность возделывания многолетних злаковых трав 117
Заключение 120
Предложения производству 122
Библиографический список 123
Приложение 160
- Экологическая реакция видов и сортов многолетних злаковых культур на изменяющиеся условия внешней среды (солеустойчивость, засухоустойчивость, фотосинтетическая активность)
- Оценка видового состава естественных пастбищ Северо-Западного Прикаспия
- Анализ агрометеорологического цикла
- Изучение влияния размещения посевов относительно рельефа местности, способов посева и системы обработки почвы на продуктивность многолетних злаковых трав
Введение к работе
Актуальность темы. Северо-Западный Прикаспий - географический регион Юж-ного федерального округа РФ, занимающий площадь 514,6 тыс. км и простирающийся от юга Саратовской области на севере до республик Ингушетия и Дагестан на юге, от границ с Казахстаном на востоке до восточных областей Ростовской области и Ставропольского края на западе. Изучаемый регион включает Волгоградскую и Астраханскую области, республики Дагестан, Чечня и Ингушетия, шесть районов Ростовской области и семь районов Ставропольского края. Наиболее засушливый климат складывается в Астраханской области, так как гидротермический коэффициент здесь равен 0,1, что указывает на преобладание испаряемости над количеством атмосферных осадков и экстремально высоких температур воздуха в летний период. В связи с этим наиболее выраженное снижение продуктивности естественных пастбищ образуется в Астраханской области, чем и вызван выбор данного региона Северо-Западного Прикаспия для исследования.
Астраханская область, расположенная на территории Северо-Западного Прикаспия, насчитывает 2 293 тыс. га земель сельскохозяйственного назначения, из них 2 191 тыс. га -пастбища, 335 тыс. га - сенокосы и 250 тыс. - пашня. Общее поголовье скота - 2 194 тыс. голов, из которых только на овец приходится 1 750 тыс. голов. Для нормального содержания на каждую голову сельскохозяйственного животного, например овцы, необходимо 3 га пастбищ, для крупного рогатого скота - 5 га. Следовательно, только для выпаса овец необходима площадь 5 250 тыс. га, что превышает площадь всех земель сельскохозяйственного назначения. Нагрузка на данной площади превышает необходимую более чем в 2,5 раза. Подобная чрезмерная перегрузка пастбищ приводит к их деградации и, как следствие, снижению продуктивности.
Таким образом, разработка теоретических и практических основ поверхностного улучшения естественных пастбищ через подбор высокоурожайных сортов многолетних злаковых трав и разработку элементов технологии является одной из актуальных проблем аридной зоны Северо-Западного Прикаспия.
Степень разработанности темы. Вопросами поверхностного улучшения естественных пастбищ аридной зоны Северо-Западного Прикаспия занимались как российские, так и зарубежные исследователи: 3. Ш. Шамсутдинов (2007); О. А. Лачко (2007); В. П. Зволинский (2011); А. Ф. Туманян (2011); М. Ю. Пучков (2011-2014); Allan Redin Savory (1955, 1977, 1979, 2009, 2013, 2016) и др. Учеными были предложены достаточно эффективные технологии поверхностного улучшения естественных пастбищ. Но в связи с меняющимися эколого-экономическими условиями проблема повышения продуктивности естественных пастбищ осталась нерешенной.
Цели и задачи исследований. Цель исследований - подбор высокопродуктивных сортов многолетних злаковых трав, максимально приспособленных для произрастания в аридных условиях Северо-Западного Прикаспия, для поверхностного улучшения естественных пастбищ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Изучить сортовое разнообразие многолетних злаковых культур с целью подбора перспективных сортов для поверхностного улучшения естественных пастбищ.
-
Изучить засухоустойчивость и солеустойчивость сортов многолетних злаковых трав.
-
Получить регрессионную модель определения сроков поверхностного улучшения естественных пастбищ в зависимости от значений запасов продуктивной влаги в почве.
-
Разработать элементы технологии, направленные на повышение урожайности естественных пастбищ, с заданной продуктивностью в богарном земледелии.
-
Изучить экономическую эффективность возделывания многолетних злаковых трав в условиях аридной зоны Северо-Западного Прикаспия.
Научная новизна. Получена регрессионная модель определения сроков поверхностного улучшения естественных пастбищ, позволяющая повысить их продуктивность при максимальном использовании естественного плодородия почв.
Разработаны элементы технологии поверхностного улучшения естественных пастбищ с использованием высокопродуктивных сортов многолетних злаковых трав. Подобраны высокопродуктивные сорта многолетних злаковых трав для поверхностного улучшения естественных пастбищ аридных территорий Северо-Западного Прикаспия.
Теоретическая и практическая значимость работы. Предложена регрессионная модель определения запасов продуктивной влаги для аридной зоны Северо-Западного Прикаспия, позволяющая установить наиболее оптимальные сроки поверхностного улучшения естественных пастбищ.
Подобраны высокопродуктивные сорта многолетних злаковых трав для поверхностного улучшения естественных пастбищ.
Разработаны элементы технологии поверхностного улучшения естественных пастбищ аридной зоны Северо-Западного Прикаспия.
Методология и методы исследований. Объектом исследований служили естественные пастбища, улучшенные на основе культурных аналогов наиболее приспособленных видов, произрастающих в крайне аридных условиях Северо-Западного Прикаспия. Предметом исследований служили элементы технологии возделывания и сорта многолетних злаковых трав на естественных пастбищах.
Во время выполнения исследовательской работы был проведен комплекс полевых и лабораторных наблюдений и исследований. Полевые исследования состояли из ежегодных экспедиционных и агротехнических полевых работ. Экспедиционные исследования проводили с целью определения и закладки агроэкологического профиля. Во время агротехнических полевых опытов изучали элементы технологии возделывания многолетних злаковых культур. В лабораторных условиях проводили: камеральную обработку данных, полученных во время экспедиций; изучение стрессоустойчив ости растений (засухо- и соле-устойчивость); изучение морфологических, водно-физических и агрохимических свойств почвы; расчет регрессионной модели определения сроков поверхностного улучшения естественных пастбищ.
Во время экспедиционных исследований определяли: степень покрытия растительного покрова методом пробных площадей (Раменский, 1937; Алехин, 1938; Методика, 1938); систематическую принадлежность видов (Черепанов, 1995; Корчагин, 1964; Методическое руководство, 1959-1976); морфологическое описание почвенного профиля (Методическое руководство, 2005).
В лабораторных условиях проводили изучение: водных, физических и химических
свойств почвы (термостатно-весовым и пирофосфатным методами); плотности (буровым
методом); солевого состава (по величине плотного остатка и анализу водной вытяжки); рас
чета запасов продуктивной влаги (Методическое руко- водство, 2005); стрессоустойчи-
вости (соле- и засухоустойчивость) (Методическое руководство, 1988). Во время агротехни
ческого полевого опыта проводили биометрическую оценку растений по следующим при
знакам: высота растений, длина побега, количество листьев, количество побегов, а также
разработку технологических приемов возделывания.
Расчет регрессионной модели проводили эмпирико-статистическим методом (Полу-эктов, 2012).
Продуктивность создаваемого пастбища оценивали взвешиванием наземной фито-массы и выражали в тоннах на 1 га (т/га) сухой массы.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Регрессионная модель определения сроков поверхностного улучшения естественных пастбищ в зависимости от периода с оптимальным значением запасов влаги в почве.
-
Высокопродуктивные сорта многолетних злаковых трав, наиболее адаптированных к произрастанию в аридных условиях Северо-Западного Прикаспия.
-
Комплекс агротехнических мероприятий по поверхностному улучшению естественных пастбищ: способы обработки почвы, выбор участка относительно рельефа местности, сортовое разнообразие, сроки посева.
-
Экономическая эффективность возделывания многолетних злаковых трав в условиях аридной зоны Северо-Западного Прикаспия.
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Полученные результаты исследований подтверждаются математической обработкой лабораторных, полевых и камеральных исследований. Данные агротехнических приемов были апробированы на стационарном участке «Лиман» ФГБНУ «ВНИИООБ» и в хозяйствах Астраханской области на площади 300 га.
Основные результаты исследований обсуждались и докладывались на заседаниях ученого и методического советов ФГБНУ «ВНИИООБ» (2011-2016 гг.) и международных научно-практических конференциях: ФГБНУ «ПНИИАЗ» (2011-2016 гг.) и ФГБНУ «ВНИИООБ». Получены дипломы и медали: диплом «Инновационный сорт пырея «Озер-ненский» для восстановления пастбищ аридной зоны России» на 13-й Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (2011 г.); диплом за разработку перспективного сорта пырея «Озерненский» на 13-й Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (2011 г.); диплом за разработку интенсивной технологии дернования откосов автомобильных дорог в аридных условиях юга России на 14-й Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (2012 г.); серебряная медаль за научную разработку «Технология восстановления деградированных земель с помощью пырея «Озерненский» аридной зоны России» на 14-й Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (2012 г.); бронзовая медаль (2012 г.); золотая медаль за научную разработку «Ломкоколосник ситниковый, сорт «Марфинский» на 16-й Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» (2014 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и рекомендаций производству. Диссертация вместе с приложением составляет 199 страниц компьютерного текста, содержит 61 рисунок, 49 таблиц. Список литературы включает 368 источников.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 29 научных работах общим объемом 14,7 п. л., в том числе: 1 монографии, 1 статье в зарубежном журнале, включенном в международную базу данных SCOPUS, 5 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Общий объем - 2,5 п. л.
Личный вклад. Соискатель лично принимал участие в постановке проблемы, целях и задачах исследований, проводил полевые работы, участвовал в экспедиционных исследованиях. Анализ работы проведен автором под редакцией научного руководителя. Доля личного участия в выполнении работы - более 80 %.
Экологическая реакция видов и сортов многолетних злаковых культур на изменяющиеся условия внешней среды (солеустойчивость, засухоустойчивость, фотосинтетическая активность)
Для развития теории и практики вопроса создания пастбищ с заданными параметрами продуктивности на основе многолетних злаковых культур в богарных условиях большое значение имеет грамотный подбор высокоурожайных сортов, приспособленных к аридным условиям возделывания [7].
Данная проблема не нова, но до сегодняшнего дня не является решенной. Считается, что причина кроется в уничтожении пастбищной растительности человеком, пожарах антропогенного характера, недостатке осадков при усиленном испарении, высокой степени минерализации почвенного горизон та, высоком уровне залегания и минерализации грунтовых вод, мелкоземни-стости почвы, равнинности рельефа степной и полупустынной зон, слабой дренированности. В основе материнских пород почв Прикаспия лежат соленые отложения, образованные в результате трансгрессии Каспийского моря [7; 17; 22; 47; 66; 80; 95-97].
При создании пастбищ с заданными параметрами продуктивности также необходимо учитывать сущность подхода, рассматривающего взаимосвязь «растительный объект - факторы меняющейся среды». Данная взаимосвязь раскрывает концепцию наибольшей устойчивости многолетних злаковых культур на пастбищах в условиях богарного земледелия, дает возможность правильно подобрать видовой (сортовой) состав растений. Основополагающими теоретическими положениями для получения информации является ряд фундаментальных положений современного земледелия и растениеводства [7; 17; 22; 47; 66; 80; 180].
Учение Н.И. Вавилова (1935) о центрах происхождения культурных растений имеет принципиальное значение в земледелии, растениеводстве и интродукции растений. Учение показывает, что интродукция пастбищных растений идет двумя путями: первый позволяет черпать доминантные гены, присущие дикорастущим растениям, второй - с окраин ареалов высокоразвитого земледелия, где сосредоточены рецессивные гены-носители многочисленных полезных для растениеводства качеств [7; 17; 22; 47; 66; 80; 180].
Концепция приспособленности сорта раскрывает тот объем плодородия почвы, который сорт мог бы получить при отсутствии конкурентов, и элементы питания на реализацию потенциала генотипа [7; 17; 22; 47; 66; 80; 180; 227; 229; 235; 254-262].
Концепция наличия у каждого сорта двух типов оптимумов раскрывает особенности воздействий условий внешней среды, при которой сорт приобретает максимальную адаптацию, проявляющуюся в повышенной продуктивности и устойчивости [7; 17; 22; 47; 66; 80; 180; 227; 229; 235; 254-262]. Правило индивидуальности сортов показывает индивидуальность определенного сорта культур для особенностей богарного земледелия [7; 17; 22; 47; 66; 80; 180; 227; 229; 235; 254-262].
Закон минимума, установленный Ю. Либихом в 1840 г., является основой современного земледелия и устанавливает важнейшее значение действия элементов питания и других факторов, находящихся в минимальном количестве [7; 17; 22; 47; 66; 80; 180; 227; 229; 235; 254-262].
Метод агроклиматических аналогов [7;17; 22; 47; 66; 80; 180; 227; 229; 235; 254 - 262] раскрывает влияние климата на распространения сорта и его возделывание.
Закон толерантности [7; 17; 22; 47; 66; 80; 180; 227; 229; 235; 254 - 262] вводит понятие о лимитирующем влиянии минимума наравне с максимумом, а диапазон между максимумом и минимумом является пределом толерантности сорта в зоне его возделывания [7; 17; 22; 47; 66; 80; 180; 227; 229; 235; 254-262].
Метод агроклиматических аналогов [7; 17; 22; 47; 66; 80; 180; 227; 229; 235; 254 - 262] раскрывает значение агроклиматических показателей (температуры воздуха, повторяемости морозов, баланса влаги) в пригодности того или иного района для освоения новых сортов в культуре.
Принцип адекватности в системе «сорт - меняющаяся среда» позволяет грамотно подобрать сорта для создания новых пастбищ с заданными параметрами продуктивности взамен малопродуктивных. При этом сортам многолетних злаковых культур, возделываемых на создаваемых пастбищах, придаются адаптивные свойства в совокупности с высокой продуктивностью [306; 307; 310; 237; 333; 334; 340; 364-368].
Разработанный метод исторического анализа [306; 307; 310; 237; 333; 334; 340; 364 - 368] раскрывает процесс интродукции сортов растений.
Концепция устойчивости сортов растений нормального типа раскрывает положение, что сорт, благодаря семенному возобновлению и регуляции, представлен всеми возрастными группами с доминированием генерирующих особей [306; 307; 310; 237; 333; 334; 340; 364 - 368].
Принцип дифференциации условий произрастания сортов растений указывает, что дифференциация условий снижает конкуренцию между сор-тогруппами, а сам процесс дифференциации происходит при сортосмене на пастбищах [306; 307; 310; 237; 333; 334; 340; 364 - 368].
Интродукционный метод анализа пастбищной растительности основан на привлечении основных сортотипов пастбищной растительности.
Не стоит исключать и конкуренцию между многолетними злаковыми культурами и сорной растительностью и травами за почвенную влагу. Ряд авторов считает, что на начальных этапах онтогенеза многолетние злаковые культуры доминируют и подавляют рост и развитие проростков менее ценных в кормовом отношении растений [306; 307; 310; 237; 333; 334; 340; 364 - 368].
Многолетние травянистые растения, например злаки, в первый год жизни образуют корневую систему глубиной до 1 м. У овсяницы валлисской (типчак) мочковатая корневая система достигает глубины 120 см. Основная масса корней сосредоточена в 30-сантиметровом почвенном слое, из них в 10-сантиметровом слое доминирование достигает максимума. У взрослого растения житняка сибирского мочковатая корневая система может состоять минимум из 30...50, а в благоприятные годы - 200...300 и более корней. При этом столь значительное количество корней пронизывает верхний почвенный горизонт и преобразует его структуру, деля ее на мелкие фракции размером 1...5 мм [306; 307; 310; 237; 333; 334; 340; 364 -368].
Понятно, что, наряду с приданием почве мелкокомковатой структуры, насыщением ее корневыми остатками и бактериальным компонентом, улучшением гуму сир о ванно сти почвы, столь разветвленная корневая структура забирает из почвы влагу.
Более приспособленными к восприятию почвенной и атмосферной влаги, а значит, и более конкурентными к сорной травянистой растительности являются многолетние злаковые культуры. Взрослые растения имеют глубокую мочковатую корневую систему, которая с поверхности изобилует тонкими ве-ретеновидными корневыми отростками, богатыми корневыми волосками. Основная масса корней сосредоточена в верхнем 30...40-сантиметровом почвенном горизонте, главный корень достигает глубины 150... 170 и 200... 210 см.
Как мы отмечали выше, создание пастбищ с заданными параметрами продуктивности необходимо проводить с введением определенного сортового состава. Аргументами в пользу данного процесса являются исключительная пластичность и устойчивость к экстремальным факторам окружающей среды. При проведении работ по данной проблеме необходимо учитывать, что борьба между культурами за существование привела к образованию у них различных адаптационных особенностей, среди которых следует отметить особую биохимическую адаптацию к использованию солнечной энергии - С4-путь фотосинтеза [12; 23; 70; 91; 92; 152; 220-222; 311 -315; 329].
Фотосинтез - процесс трансформации поглощенной растениями энергии света в химическую энергию органических и неорганических соединений. Основной механизм фотосинтеза заключается в фиксации углекислоты в цикле фото синтетического восстановления углерода. Данный цикл называют Сз-путем (Сз-тип фотосинтеза, цикл Кальвина). Культуры с данным типом произрастают в областях с умеренным климатом, где оптимальная температура, при которой происходит протекание процесса фотосинтеза, находится в пределах 15...25 С [12; 23; 70; 91; 92; 152; 220-222; 311-315; 329].
Растения данного типа фотосинтеза очень чутко реагируют на изменения окружающей среды в виде снижения продуктивности. Любой лимитирующий фактор окружающей среды, оказывающий влияние на урожайность, имеет серьезное значение для сельскохозяйственного производства [12; 23; 70;91; 92; 152; 220-222; 311-313; 315; 329].
В конце 50-х - начале 60-х гг. XX в. рядом ученых у культур-тропиков (кукуруза и сахарный тростник) был обнаружен несколько иной механизм протекания фотосинтеза. Он получил название С4-пути. Дальнейшие исследования показали его наличие более чем у 1500 видов растений из семейств Gramineae, Amaranthaceae, в некоторой степени Aizoceae, Chenopodiaceae, Compositae и т. д. Сопуть фотосинтеза характерен для сортов аридных областей возделывания (пустынь, полупустынь, сухих степей). Такая организация фотосинтеза имеет большое значение для земледелия и растениеводства и определяет границы распространения и возможность культивирования растений С4-пути в местах ограниченного существования растений С3-пути [12; 23; 70; 91; 92; 152; 220-222; 311 -315; 329].
Оценка видового состава естественных пастбищ Северо-Западного Прикаспия
Проведено обследование естественных пастбищ и естественной пастбищной растительности. Анализ ростовой активности растений пастбищ позволяет осуществить выделение доминатов пастбищной растительности и сформировать пастбища богарной культуры. Считаем, что максимальная реализация растениями пастбищ агроклиматического потенциала во вновь создаваемых пастбищах возможна благодаря подбору растений по их отношению к факторам среды.
Как видно из рисунка 3.1, все виды растений имели достаточно бурный рост, особенно в мае, так как условия для их роста были очень благоприятны ми.
Таким образом, динамика высоты пасбищных растений, характеризующая динамику роста, показывает: в мае были идеальные условия для активного роста, что позволило растениям даже в период острой засухи извлекать воду из нижних слоев почвы и продолжать свой рост. В основном это касается многолетних пастбищных растений, которые способны извлекать воду из глубин почвы.
Исходя из таблицы 3.1 видно, что в мае при прохождении фенологических фаз развитие было нормальным и это связано с благоприятными условиями среды.
В июне и августе из-за неблагоприятных условий среды большинство видов пастбищных растений перешло в стадию плодоношения и осыпания плодов. В августе все растения плодоносили.
Для оценки физиологического состояния растения была предложена пятибалльная шкала выживаемости как интегральный агрономический показазатель состояния процессов в растении пастбищ. Этот показатель был использован нами в исследованиях. Из рисунка 3.2 видно, что выживаемость растений, определенная по пятибалльной шкале, в мае характеризуется как отличная, т. е. растения вегетируют отлично, разрастаются пышно. Это характеризует эколого-физиологическое состояние растений на 5 баллов.
Но уже в июне, когда практически не было осадков, выживаемость растений видов: мортук восточный (Егеторугит orientate (L.), костер японский (Bromus japonicus), рогач песчаный (Ceratocarpus arenarius), плоскоплодник льнолистный (Meniocus linifolius), петросимония толстолистная (Petrosimonia crassifolia), рогоглавник серповидный (Ceratocephalus falcatus) - снизилась до отметки в 1 балл. Это говорит о том, что все органы растений прекратили свою жизненную активность и погибли, т. е. растения визуально находятся в сухом состоянии, а это свидетельствует о неприспособленности данных видов к экстремальным условиям среды.
Растения, в течение онтогенеза произрастая совместно с другими растениями на пастбище, также непрерывно взаимодействуют с факторами внешней среды (температура воздуха, осадки, соседние растения, насекомые и т. д.). Для интегральной характеристики агрономического состояния видов пастбищных растений нами были построены графические модели зависимости выживаемости видов растений от лимитирующего фактора «количество выпавших осадков» (рис. 3.5, 3.6).
На рисунке 3.4 представлена зависимость «количество выпавших осадков в мае» от выживаемости конкретных видов растений, обитающих на бэ-ровском бугре на южной экспозиции склона, где расположен стационар наблюдения «Лиманский». При этом количество выпавших осадков в мае было достаточным для нормальной активной вегетации растений (60 мм), в результате благоприятно отразилось на развитии растений. Их выживаемость была на уровне 5 баллов, что характерно для активно вегетирующих растений.
Из рисунка 3.5 видно, что в июне выпало катастрофически мало осадков - всего 0,3 мм, и это вызвало сильный стресс у растений. Растения, которые наиболее приспособлены к острой засухе, имеют нормальное физиологическое состояние, что соответствует жизненности 4,5 балла, а растения, жизненность которых была оценена в 3 балла, угнетены. Выживаемость, равная 1 баллу, указывает на гибель растений. Следовательно, при возникновении стрессовой ситуации в июне из-за дефицита влаги происходит дифференциация физиологических состояний видов пастбищных растений. Отсюда прослеживается взаимосвязь количества выпавших осадков с вегетацией растений и их толерантности к внешним стрессорам (рис. 3.5, 3.6).
В таблице 3.2 показаны данные по дифференциации видов пастбищных растений относительно рельефа местности на бугре Бэра в зависимости от факторов среды (вершина, склон и подножие бугра Бэра), в данном случае от колебаний влажности и количества солей в почве.
Как видно из таблицы 3.2, на вершине бугра Бэра господствуют следующие виды: мортук восточный (Егеторугит orientale (L.), костер японский (Bromus japonicus), рогач песчаный (Ceratocarpus arenarius), прибрежница растопыренная (Aeluropus pungens), которые развиваются там, где имеет место короткий благоприятный период - это, как правило, весенний период; в остальное время года там наблюдается острая засуха.
На склоне бугра Бэра также находятся виды с исключительно короткой вегетацией, так как там наблюдаются неблагоприятные условия существования. У подножия бугра Бэра располагается весь спектр видов данного сообщества, преобладают преимущественно многолетники, так как там формируются относительно благоприятные условия существования. Но среди данных видов встречаются пастбищные растения, устойчивые к засолению, потому как у подножия бугра имеет место быть повышенный уровень солей в почве.
Таким образом, в естественном пастбище доминантами являются растения, относящиеся к группе растений с высокой семенной продуктивностью (рис. 3.7) и коротким вегетационным периодом.
Анализ видовых спектров позволил нам сгруппировать растения по отношению к факторам среды:
с высокой ростовой активностью (10 %) - житняк ломкий (Agropyron fragile (Roth) P. Candargy);
стрессоустойчивые растения (20 %) - житняк пустынный (Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult);
растения с высокой семенной продуктивностью (70 %) - костер японский (Bromus japonic us Thunb.); мортук пшеничный (Eremopyrum triticeum (Gaertn.) Nevski); мортук восточный (Eremopyrum orientate (L.) Jaub. & Spach); прибрежница растопыренная (Aeluropus pungens (M. Bieb.) K. Koch); костер японский (Bromus japonicas Thunb.).
Из доминантных видов травянистой растительности, изученной во время экспедиционных исследований, на конкурсное испытание были отобраны культурные аналоги этих доминантных видов, которые были взяты из коллекции ВИР из разных эколого-географических зон, экологическая характеристика которых приводится в главе б диссертационной работы.
Сорта российской селекции: пырей удлиненный, сорт «Солонча ковый» (Ставропольский НИИСХ); пырей бескорневищный, сорт «Озернен-ский» (ВНИИООБ); пырей удлиненный, сорт «Ставропольский 10» (Ставропольский НИИСХ); пырей удлиненный, сорт «Аргонавт» (Ставропольский НИИСХ); житняк гребневидный, сорт «Викрав» (Ставропольский НИИСХ); кострец безостый, сорт «Ставропольский 31» (Ставропольский НИИСХ); пырей средний (сизый), сорт «Ставропольский 1» (Ставропольский НИИСХ); житняк сибирский, сорт «Боярин» (Ставропольский НИИСХ); пырей средний, сорт «Карабалыкский» (Карабалыкская опытная с.-х. станция); пырей сибирский, сорт «Камалинский» (Якутский НИИСХ); пырей сибирский, сорт «Аминский» (УНИИСХ); пырей изменчивый, сорт «Ленский» (СФННА РАН); кострец безостый, сорт «СНИИСХ 83» (Ставропольский НИИСХ); пырей средний, сорт «Ростовский 31» (Ростовский НИИСХ); кострец безостый, сорт «Вегур» (Ставропольский НИИСХ); пырейник сибирский, сорт «Аист» (Алтайский НИИСХ); житняк гребневидный, сорт «Галинский» (Воронежская ОС по многолетним травам ВНИИ кормов им. Вильямса).
Образцы дикорастущих видов из коллекции ВИР: пырей удлиненный Elytrigia elongate (Host.) Nevski (Австралия); пырейник канадский Elymus si-biricus L. (Германия); житняк пустынный Agropyron desertorum (Fisch. ex Link) Schult (Россия); пырей средний, маиска Elytrigia intermedia (Hst) Nevski (США); пырей удлиненный Elytrigia elongate (Host.) Nevski (Боливия); пырей удлиненный Elytrigia elongate (Host.) Nevski (Аргентина); житняк гребневидный Agropyron pectinatum M. Bieb (Россия); пырей удлиненный Elytrigia elongate (Host.) Nevski (Йемен).
Анализ агрометеорологического цикла
Обоснование сроков посева возможно только при изучении агрометеорологического цикла в течение года и складывающихся условий в зависимости от лимитирующего фактора, который и определяет состояние посевов. В пустынной зоне Северного Прикаспия лимитирующим фактором является запас влаги в почве, который во многом зависит от количества выпавших осадков за годовой агрометеорологический цикл и их распределения по сезонам года. Также величина лимитирующего фактора будет зависеть от рельефа местности и характера расположения посевов.
Для изучения климатических составляющих западного ильменно-бугрового ландшафта нами были взяты температура воздуха и количество выпавших осадков, от которых напрямую зависит характер протекания вегетационного периода растений. Были проанализированы показатели температуры воздуха и количества выпавших осадков за 124 года (с 1881 по 2005 г.) [http://thermograph.ru/] и выведены среди ємно го летние показатели температуры воздуха и количества осадков. Данные представлены на рисунках 5.1- 5.5.
Анализ графиков, представленных на рисунках 5.1 и 5.2, показал, что ход температуры по сезонам года за последние 100 лет существенно не изменился. В период с 2011 по 2016 г. отчетливо наблюдается аномальное понижение температуры в зимний период. Так, в феврале 2012 г. температура воздуха опускалась в среднем до -15 С - это самая низкая для данного месяца температура за последние 124 года (рис. 5.1, 5.2).
Данная территория характеризовалась крайне аридным типом климата. К концу XX в. наблюдалась тенденция к увеличению количества осадков, достигшему своего пикового зна чения в 2012 г. (360 мм). Последующие три года (2013 - 2015 гг.) характеризовались снижением количества осадков до средней многолетней нормы (176 мм). В 2016 г. количество атмосферных осадков достигло столетнего максимума - 376 мм.
Характер сезонного распределения осадков за период проведения исследования (2011 - 2016 гг.) указывает на тенденцию к аридизации зимне-ранневесеннего (ноябрь - март) и летнего (июнь - август) периодов (рис. 5.5).
Наблюдается неравномерное распределение выпадения атмосферных осадков по сезонам года. Так, в 2011 и 2016 гг. максимум осадков пришелся на май, в 2012 г. пик выпал на июнь. Осенний максимум выпадения осадков пришелся на 2013 и 2014 гг. Для 2015 г. характерно равномерное посезонное распределение осадков (рис. 5.5).
Для определения засушливости вегетационного периода нами вычислен гидротермический коэффициент, который впервые был предложен климатологом Г. Т. Селяниновым. Гидротермический коэффициент равен сумме осадков, выпавших при температуре воздуха выше 10 С, поделенную на сумму температуры воздуха за тот же период, уменьшенную в десять раз.
Как видно из рисунка 5.6, гидротермический коэффициент в апреле 2012 и 2014 гг. равен 0,5, что соответствует очень засушливому периоду. В летний период 2011, 2013, 2014 и 2015 гг. гидротермический коэффициент составил 03-0,1, что соответствует сильной атмосферной засухе. Для осеннего периода 2011, 2012, 2015 и 2016 гг. гидротермический коэффициент равен 0,5. Данный показатель характеризует осенний период как очень засушливый период. В 2013 - 2014 гг. осенью наступает период, когда достаточно влаги для вегетации растений.
Расчет показателя гидротермического коэффициента (рис. 5.6) позволяет оценить степень сухости почвы и определить степень засушливости климата.
Анализ количества выпавших осадков, температуры воздуха, гидротермического коэффициента позволил выделить следующие агроклиматические периоды (рис. 5.1 - 5.6): зимний - декабрь, январь, февраль; ранневе-сенний - март; весна - апрель; раннелетний - май; лето - июнь, июль, август; осенний - сентябрь, октябрь; поздний осенний - ноябрь. Деление на данные агроклиматические периоды позволяет более плодотворно использовать осадки и температурный фактор для процесса поверхностного улучшения ее тественных пастбищ в условиях богарной культуры в аридной зоне Северо-Западного Прикаспия.
Установлено, что зимний период (декабрь, январь, февраль) характеризуется отрицательной температурой воздуха до -15 С (рис. 5.2), самое большое за период количество осадков - до 20 мм (декабрь, рис. 5.5), а самое малое выпадает в феврале - до 5 мм (рис. 5.5).
Выделение ранневесеннего периода (март) прежде всего обусловлено наступлением тепла. Температура воздуха уже положительная (рис. 5.2), но ночью она еще может опускаться ниже нуля. Увеличивается выпадение осадков до 25 мм (рис. 5.5).
Весенний период (апрель) является самым коротким и быстро протекающим периодом. Для него характерно минимальное количество осадков (5 % от годовой нормы; рис. 5.5;), что на фоне постоянно дующих ветров (15 дней) делает практически невозможным для растений максимально реа-лизовывать генетический потенциал. Частые сильные пыльные бури (23 дня). Температура воздуха выше 10 С (рис. 5.2). Начинается вегетация растений (эфемеров), отрастают наземные вегетативные системы многолетних растений (в основном злаков). Гидротермический коэффициент данного периода равен в среднем 0,7, что говорит об умеренно влажном периоде (рис. 5.6).
Выделение раннелетнего периода (май) прежде всего связано с началом повышения температуры выше 23 С, поэтому данный период классифицируется как переходный между весной и летом (рис. 5.2). Осадков выпадает больше, чем весной (от 15 % и редко до 50 % от годовой нормы; рис. 5.5). Активно вегетирует пастбищная растительность с высокой семенной продуктивностью. В конце раннего лета из-за почвенной и атмосферной засухи наземные вегетативные системы у многолетних растений отмирают, наступает вынужденный покой. Пастбищная растительность с коротким периодом вегетации заканчивает свои рост и развитие. Гидротермический коэффициент равен в среднем 0,8, что говорит об умеренно влажном периоде (рис. 5.6). Летний период (июнь - август) характеризуется минимальным количеством осадков (менее 5 % от годовой нормы; рис. 5.5). Экстремально высокие температуры воздуха - до 43 С (рис. 5.2). Растительность находится в состоянии вынужденного покоя (многолетние злаки). Продолжают вегетацию только представители естественных пастбищ - засухоустойчивые растения (полынь, кохия, солянки, верблюжья колючка). Гидротермический коэффициент данного периода равен в среднем 0,5...0,2, что говорит об острозасушливом периоде (рис. 5.6).
В осенний период (сентябрь - ноябрь) температура воздуха существенно снижается до 17... 19 С (рис. 5.2). Количество осадков в этот период - до 50 % от годовой нормы (рис. 5.5). Многолетняя пастбищная растительность постепенно выходит из состояния вынужденного покоя. У злаков отрастают наземные вегетативные системы. Начинается вегетация пастбищной растительности с коротким периодом роста и развития. Гидротермический коэффициент данного периода равен в среднем 1,0, что говорит о достаточном увлажнении (рис. 5.6).
Для позднеосеннего периода (ноябрь) характерно относительно небольшое количество осадков (10 % от годовой нормы; рис. 5.5). Наблюдается снижение температуры воздуха до нуля (рис. 5.2). Вегетация многолетней растительности постепенно прекращается. Вегетация пастбищной растительности заканчивается.
Изучение влияния размещения посевов относительно рельефа местности, способов посева и системы обработки почвы на продуктивность многолетних злаковых трав
Размещение посевов многолетних злаковых трав в зависимости от рельефа местности имеет наибольшее значение для их продуктивности, так как от геоморфологической обстановки зависят условия роста и развития растений. Было исследовано влияние расположения посевов на участках бугра Бэра: вершина, склон, подножие.
От характера развития структурных элементов урожая (высота растения, длина побега, количество побегов, количество листьев) зависит урожайность сухой массы многолетних злаковых растений.
Из экспериментальных данных видно, что значение показателя высоты растения - минимально на вершине бугра Бэра (0,26 м) (табл. 6.8; приложение, табл. 6.17 - 6.21), максимально - у подножия бугра Бэра (0,62 м), длина стебля - минимально на вершине бугра (0,21 м), максимально (0,50 м) у подножия, количество листьев - минимально на вершине (48 шт.), максимально - у подножия (110 шт.), количество стеблей - минимально на вершине (23 шт.), максимально - у подножия (53 шт., табл. 6.8; см. приложение, табл. 6.17-6.21).
Таким образом, максимальные значения структурных элементов урожая получены при расположении посевов многолетних злаковых трав у подножия бугра Бэра (рис. 6.7), что говорит о благоприятных условиях для роста и развития многолетних злаковых трав.
Продуктивность многолетних злаковых трав зависит от фотосинтетической активности посевов. Исследовано влияние расположения посевов относительно рельефа местности на фото синтетическую активность, следовательно, и на потенциальную продуктивность (табл. 6.9; см. приложение, табл. 6.22- 6.26).
Из экспериментальных данных (табл. 6.9; см. приложение, табл. 6.22 - 6.26) видно, что минимальные значения площади листовой по-верхности получены на вершине бугра Бэра (1,2 тыс. м/га), а максималь-ные -у подножия (2,6 тыс. м /га). Такая же ситуация наблюдается и с показа-телями фото синтетического потенциала: на вершине - 0,2 млн м хдни/га, у подножия - 0,5 млн м X дни/га; чистой продуктивности фотосинтеза: на вершине - 0,7 г/(м хдни), у подножия - 1,5 г/(м хдни); густоте стояния растений: на вершине - 1,4 млн шт./га, у подножия - 3,0 млн шт./га (табл. 6.9; см. приложение, табл. 6.22 - 6.26).
Таким образом, наилучшие условия для фотосинтетической активности многолетних злаковых трав формируются у подножия бугра Бэра (рис. 6.8).
Урожайность сухой массы многолетних злаковых трав, как указывалось выше, зависит от структурных элементов, и фотосинтетической активности посевов (табл. 6.10; см. приложение, табл. 6.27 - 6.32).
Таким образом, оптимальные условия формируются у подножия бугра Бэра, что указывает на высокие значения показателей структурных элементов, фотосинтетической активности и урожайности (рис. 6.9) многолетних злаковых трав (рис. 6.7 - 6.9).
Система обработки почвы играет огромную роль как средообразующий элемент, так как обработка почвы перед посевом оказывает благотворное воздействие на структуру почвы, образуя окультуренный пахотный горизонт. Изучалась система обработки почвы на глубину от 5 до 15 см дискатором или фрезой в условиях аридных территорий, где почвы, как правило, бедны гумусом и велика эрозионная опасность. Было выяснено, что данная система обработки почвы создает благоприятные условия для роста корневых систем, а самое главное - предупреждает эрозионные процессы за счет оставления стерневых остатков на поверхности почвы, что ведет к влагонакоплению и улучшению условий произрастания растений.
Было исследовано влияние системы обработки почвы miniill на структурные элементы урожая (высота растения, длина побега, количество побегов, количество листьев) в сочетании: фреза + строчный посев сеялкой на глубину 5 см, дискование + ручной посев на глубину 5 см и дискование + ручной посев + дискование на глубину 15 см (табл. 6.11; см. приложение, табл. 6.17-6.21).
Из экспериментальных данных видно, что значения показателей высота растения, длина стебля, количество листьев и количество стеблей - минимальны при варианте дискование + ручной посев + дискование на глубину (0,15 м: 0,33 м, 0,27 м, 60 шт., 29 шт.), а максимальны при варианте фреза + строчный посев сеялкой на глубину (0,05 м: 0,52 м, 0,42 м, 0,93 шт., 45 шт.) (табл. 6.11; см. приложение, табл. 6.17-6.21).
Таким образом, максимальные значения структурных элементов урожая получены при варианте фреза + строчный посев сеялкой на глубину 0,05 м (рис. 6.10), что говорит о благоприятных условиях для роста и развития многолетних злаковых трав.
Урожай многолетних злаковых культур зависит от фотосинтетической активности, поэтому было исследовано влияние системы обработки почвы в комбинации со способами посева на фото синтетическую активность многолетних злаковых трав.
Из экспериментальных данных (табл. 6.12; см. приложение, табл. 6.22 - 6.26) видно, что минимальные значения показателей фотосинтетической активности посевов были получены при варианте дискование + ручной посев + дискование на глубину 0,15 м (табл. 6.12; см. приложение, табл. 6.22 - 6.26): площадь листовой поверхности - 1,3 тыс. м /га; фотосинтетический потенциал - 0,2 млн м хдни/га; чистая продуктивность фотосинтеза - 0,8 г/(м хдни); густота стояния растений - 1,6 млн шт./га. Максимальные результаты показателей фотосинтетической активности при варианте фреза + строчный посев сеялкой на глубину 0,05 м (табл. 6.12; см. приложение, табл. 6.22 - 6.26): площадь листовой поверхности 2,1 тыс. м /га; фото синтетический потенциал - 0,4 млн м хдни/га; чистая 1,2 г/(м хдни); густота стояния продуктивность фотосинтеза растений - 2,4 млн шт./га.