Агроэкологические основы формирования урожайности зерновых культур и сои в адаптивно-ландшафтном земледелии Среднего Приамурья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.09, доктор сельскохозяйственных наук Асеева, Татьяна Александровна

• Асеева, Татьяна Александровна
• доктор сельскохозяйственных наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор сельскохозяйственных наук Асеева, Татьяна Александровна

Введение.

Глава 1. Теоретические основы и практические аспекты формирования урожайности культур под влиянием комплекса агроэкологических факторов

1.1. История развития научных принципов адаптивности в растениеводстве и земледелии.

1.1.1.Севооборот ы.

1.1.2. Средообразующие функции культурных растений в севооборотах

1.1.3. Адаптация и устойчивость.

1.2.Влияние факторов внешней среды на адаптивные способности культурных растений.

1.2.1. Солнечная радиация.

1.2.2. Температурный режим.

1.2.3. Водный режим.

1.2.4. Почвенные условия.

1.2.4.1. Кислотность почвы.

1.2.4.2. Органическое вещество почвы.

1.2.4.3. Азот.

1.2.4.4. Фосфор.

1.2.4.5. Калий.

1.2.4.6. Кальций.

1.2.4.7. Особенности химических и физических свойств почв Среднего Приамурья.

1.3. Влияние почвенно-климатических и погодных условий на рост, развитие и продуктивность зерновых культур и сои.

1.3.1. Требования зерновых культур и сои к гидротермическим условиям.

1.3.1.1. Влияние гидротермических условий на рост, развитие и продуктивность зерновых культур.

1.3.1.2. Влияние гидротермических условий на рост, развитие и формирование урожая сои.

1.3.2. Требования зерновых культур и сои к условиям минерального питания и применению удобрений.

1.3.2.1. Влияние условий минерального питания на рост, развитие и урожайность зерновых культур.

1.3.2.2. Влияние почвенных условий и минерального питания на рост, развитие и урожайность сои.

Глава 2. Место, условия, объекты и методы исследований.

2.1. Агроклиматические и почвенные ресурсы.

2.2. Объекты и методы исследований.

2.2.1. Полевые опыты.

2.2.2. Объекты и методика исследований при проведении мониторинга за изменением плодородия почвы.

2.3.3. Методика и объекты исследований при разработке адаптивно-ландшафтной системы земледелия.

Глава 3. Формирование урожайности зерновых культур и сои в зависимости от почвенных ресурсов Среднего Приамурья.

3.1. Современное состояние и оценка почвенных ресурсов Среднего Приамурья.

3.1.1. Современное состояние сельскохозяйственных земель в Хабаровском крае.

3.1.2. Оценка почвенных ресурсов Хабаровского края.

3.1.3. Агроэкологический мониторинг ресурсно-экологического состояния земель.

3.1.3.1. Динамика содержания и запасов гумуса в пахотных почвах ГОПХ «Восточное».

3.1.3.2. Динамика кислотности пахотных почв ГОПХ «Восточное».

3.1.3.3. Динамика подвижного фосфора в пахотных почвах ГОПХ «Восточное».

3.1.3.4. Динамика подвижного калия в пахотных почвах ГОПХ «Восточное».

3.1.3.5. Изменение ресурсного потенциала пахотных почв ГОПХ «Восточное».

3.1.4. Качественная оценка сезонно-мерзлотных тяжелосуглинистых периодически переувлажняемых почв Среднего Приамурья.

3.2. Формирование урожайности сельскохозяйственных культур в

Среднем Приамурье в зависимости от почвенных ресурсов.

Глава 4. Оценка климатических и погодных условий Среднего Приамурья и их влияние на урожайность зерновых культур и сои.

4.1. Климат Среднего Приамурья.

4.2. Агроклиматические ресурсы Хабаровского края и их влияние на урожайность сельскохозяйственных культур.

4.2.1. Оценка природно-ресурсного потенциала Среднего Приамурья

4.2.2. Изменение климатических и погодных условий в Среднем Приамурье.

4.2.3.Влияние климатических и погодных условий на реализацию продуктивного потенциала возделываемых культур.

4.3. Модели гидротермических условий, обеспечивающих формирование максимального и минимального урожая зерновых культур.

Глава 5. Адаптивный потенциал зерновых культур и сои в Среднем Приамурье и приемы повышения урожайности культивируемых растений

5.1. Оценка адаптивного потенциала.

5.1.1. Среднее квадратичное отклонение показателей урожайности изучаемых культур.

5.1.2. Относительный адаптивный потенциал по урожайности и стабильности возделываемых культур.

5.1.3. Оценка потенциальной продуктивности изучаемых видов и сортов растений.

5.2. Оценка экологической устойчивости сортов в Среднем Приамурье.

5.3. Приемы повышения урожайности зерновых культур и сои в Среднем Приамурье.

5.3.1. Доля сорта в повышении урожайности.

5.3.2. Влияние техногенных факторов на рост урожайности зерновых культур и сои.

5.3.2.1. Влияние условий минерального питания на урожайность зерновых культур и сои.

5.3.2.2. Влияние биосинтетических регуляторов роста растений гормональной природы на величину и качество урожая зерновых культур и сои.

5.3.2.3. Влияние гербицидов на фитосанитарное состояние посевов и урожайность культур.

Глава 6. Влияние севооборотов на рост продуктивности зерновых культур и сои и их средоулучшающие функции.

6.1. Средоулучшающие функции севооборотов.

6.1.1. Влияние севооборота на накопление органического вещества почвы и баланс гумуса и азота.

6.1.2. Влияние севооборотов на изменение физических и химических свойств тяжелосуглинистой почвы.

6.1.3.Влияние севооборотов на снижение засоренности посевов.

6.2. Влияние типа севооборота на продуктивность и урожайность культур

6.3. Зависимость урожайности сельскохозяйственных культур в севооборотах от агрохимических свойств почвы.

Глава 7. Принципы адаптивно-ландшафтной системы земледелия для

Среднего Приамурья.

7.1 Ландшафтная организация территории.

7.2. Теоретические основы ландшафтной системы земледелия.

7.3. Принципы комплексного изучения морфологической структуры агроландшафта и типизация земель на примере ГОПХ «Восточное».

7.3.1. Методические подходы к составлению ландшафтно-геоморфологической карты.

7.3.2. Ландшафтно-геоморфологические условия территории на примере ГОПХ «Восточное».

7.3.3. Структура почвенного покрова как основа формирования агроландшафта и разработки адаптивных систем земледелия.

7.3.4. Рекомендуемые севообороты для условий Среднего Приамурья

Глава 8. Биоэнергетическая эффективность различных приемов повышения урожайности зерновых культур и сои в полевых севооборотах Среднего Приамурья.

8.1. Окупаемость минеральных удобрений прибавкой урожая.

8.2. Биоэнергетическая эффективность изучаемых приемов.

Выводы.

Предложения производству.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Агроэкологические основы формирования урожайности зерновых культур и сои в адаптивно-ландшафтном земледелии Среднего Приамурья»

В обеспечении продовольственной безопасности любой страны велика роль зернового хозяйства. В России же, с ее огромной, протяженной территорией, а значит и с разнообразием почвенно-климатических условий, эта роль основополагающая.

Однако в мире в последние годы отмечается тенденция к снижению темпов роста урожайности зерновых культур и, прежде всего, основных -пшеницы, кукурузы, ячменя.

Ученые говорят о значительной и продолжающей увеличиваться антропогенной нагрузке на почву, об ухудшении экологической ситуации в целом. Проблема эта затронула и Дальневосточный регион России.

В структуре посевных площадей Хабаровского края зерновые культуры и соя занимают около 27 % посевной площади, из них 15,5 % - зерновые культуры. В зерновом клине 60 % засевается овсом, 21 % - яровой пшеницей, 14 % - ячменем и 5 % - кукурузой. Несмотря на то, что зерно-соевые севообороты являются ведущим звеном в агроландшафтах региона, будучи производителем ценной продукции и обеспечивая функцию сохранения среды в агроценозе, урожайность культивируемых в них растений остается довольно низкой. На протяжении всех лет наблюдений (с 1960 г.) урожайность зерновых культур не превысила в среднем по краю 14,8 ц/га, а сои даже в благоприятные для ее роста и развития годы - 10,2 ц/га.

Анализ неблагоприятных тенденций в современном сельском хозяйстве со всей очевидностью свидетельствует об их долговременном характере. Традиционное земледелие не способно вывести современное сельскохозяйственное производство из кризисной ситуации, так как в основу подходов заложен принцип химико-техногенной интенсификации, отрицательные стороны которого изложены в многочисленных работах A.A. Жученко[2002, 2004, 2008, 2009], Н.З. Милащенко, O.A. Соколова, Т. Брайсона, В.А. Черникова [2000], В.В. Коринец, A.B. Коринец [2007], А.Н. Каштанова [1993,1994,

1997], Кирюшина [1993, 1996] и др. Суть их заключается в том, что все отрицательные стороны хозяйственной деятельности связаны с отсутствием понимания целостности природы, недоучетом того, что все ее компоненты -почва, растительность, животные, вода, приземная атмосфера - образуют сложную единую систему. По словам Б.Б. Полынова «.о том, какое значение имеет обратимая связь между различными элементами природы. едва ли надо говорить. Едва ли надо доказывать, что в проникновении в эту связь, которая дается и знанием и опытом, кроется главный секрет искусства земледельца, и чем глубже это проникновение, тем выше искусство» [1956]. По этой причине назрела необходимость в пересмотре стратегии и тактики сельскохозяйственной деятельности на качественно новой, адаптивной, основе.

Новые подходы в виде концепций «адаптивного» растениеводства сформулированы A.A. Жученко [1990, 1993, 1994, 2008], адаптивного земледелия на ландшафтной основе - А.Н. Каштановым [1993, 1994], Кирюши-ным [1993, 1996) ] и рядом других исследователей [42, 43, 45, 46, 54].

Адаптивная стратегия развития сельскохозяйственного производства предполагает тщательный подбор культур и селекцию сортов, приспособленных к возделыванию в определенных почвенно-климатических и погодных условиях. Наряду с адаптивным размещением сельскохозяйственных культур важно реализовать адаптивно- ландшафтный подход к формированию агроландшафтов. Стратегия адаптивной интенсификации сельского хозяйства ориентирует на необходимость более полного использования неисчерпаемых природных ресурсов за счет мобилизации адаптивного потенциала культур и применения техногенных факторов.

Формирование адаптивного потенциала культурных растений имеет свои особенности, что обусловливает специфику управления им в растениеводстве. В этой связи на первый план выдвигается этап конструирования агроценозов, агроэкосистем, агроландшафтов, основными компонентами которого являются формирование адаптивной видовой структуры посевных площадей в каждом природном ландшафте, выделение в нем агроэкологиче-ски однотипных территорий и размещение на них соответствующих культур, дифференцированное применение техногенных факторов, учитывающее особенности адаптации каждого вида и сорта культивируемых растений.

В повышении адаптивности интенсификационных процессов в растениеводстве исключительно важную роль могут играть краткосрочные и долговременные прогнозы возможных изменений погоды и климата. Считается, что за последние 100 лет средняя температура воздуха на Земле увеличилась на 0,6 °С. При этом высокие широты прогреваются больше, чем низкие, а сам нагрев выше зимой, чем летом. При общем количестве осадков в теплом климате уменьшается число дней с осадками, но становятся заметными более продолжительные периоды интенсивных дождей. Одновременно возрастает число дней без осадков.

Известно, что с ростом континентальное™ климата, в зависимости от рельефа и типа почвы увеличивается амплитуда вариабельности основных климатических параметров, а также зависимость величины и качества урожая от нерегулируемых факторов среды. Поэтому для сельскохозяйственного производства исключительно важную роль играет анализ происшедших в регионе за последние 30-40 лет изменений климата. Без этих знаний невозможна своевременная оптимизация возделываемых видов и сортов растений, определение их доли и границ при агроэкологическом районировании территорий, включая формирование адаптивных севооборотов и агроландшаф-тов.

Исходя из вышесказанного, следует отметить, что главными факторами повышения и устойчивости урожайности сельскохозяйственных культур в неблагоприятных почвенно-климатических и погодных условиях являются: возделывание такого набора культур и сортов, которые в наибольшей степени приспособлены к местным, в т.ч. неблагоприятным и экстремальным, условиям внешней среды; дифференцированное использование неравномерно распределенных во времени и пространстве лимитирующих величину и качество урожая природных факторов (климата, почвы, рельефа), а также техногенных, материальных и других ресурсов. Этим определяется актуальность темы исследований, что, в свою очередь, потребовало разработки новых подходов к повышению урожайности культивируемых видов и сортов растений, новых приемов, отвечающих требованиям экономичности, снижения энергозатрат и решения природоохранных задач.

Цель работы. Разработать агроэкологические основы и практические приемы, обеспечивающие рост величины и качества урожая зерновых культур и сои на основе рационального использования природных и техногенных ресурсов и их адаптивного размещения во времени и пространстве с учетом адаптивного потенциала.

Для выполнения намеченной цели были определены задачи:

- провести системный анализ современного состояния АПК Хабаровского края и установить причины, негативно влияющие на эффективность сельскохозяйственного производства;

- определить динамику и направление изменений почвенных, климатических и погодных условий Среднего Приамурья;

- установить зависимость формирования урожайности зерновых культур и сои от природных ресурсов Среднего Приамурья;

- определить оптимальные агроэкологические параметры внешних условий, способствующие реализации потенциальной урожайности зерновых культур и сои;

- определить величину адаптивного потенциала изучаемых культур и сортов в Среднем Приамурье и его структурных элементов: потенциальной продуктивности и экологической устойчивости;

- подобрать наиболее адаптированные к местным условиям сорта зерновых культур и сои и разработать приемы повышения их урожайности на тяжелосуглинистых почвах на основе рационального применения различных техногенных средств;

- установить влияние севооборотов на урожайность культур и их средоулучшающие функции;

- разработать принципы адаптивно-ландшафтной системы земледелия для условий Среднего Приамурья и оптимизировать агроэкологическое размещение посевных площадей зерновых культур и сои;

- определить энергетическую эффективность отдельных приемов повышения урожайности зерновых культур и сои.

Научная новизна. Впервые осуществлено комплексное изучение природных ресурсов Среднего Приамурья и определено их соответствие аг-роэкологическим требованиям изучаемых культур. Установлены диапазон и направление изменений основных факторов, влияющих на рост и развитие зерновых культур и сои в Среднем Приамурье. Установлены корреляционные зависимости формирования урожайности зерновых культур и сои от климатических и погодных факторов и уровня плодородия тяжелосуглинистых почв. Определен адаптивный потенциал возделываемых в регионе культур и сортов и величина его структурных компонентов: потенциальной урожайности, экологической устойчивости. Установлена зональная изменчивость адаптивного потенциала культивируемых видов и сортов растений, разработана формула расчета адаптивного потенциала сортов по урожайности и стабильности в изменяющихся условиях окружающей среды. Разработаны приемы повышения урожайности зерновых культур и сои на основе рационального использования различных техногенных средств. Изучено формирование урожайности зерновых культур и сои в зависимости от типа севооборота и его влияние на средоулучшающие функции растений в нем. Установлены корреляционные зависимости урожайности полевых культур в различных севооборотах от агрохимических показателей почвы и уровень взаимосвязи параметров между собой. Разработаны принципы адаптивно-ландшафтной системы земледелия для условий Среднего Приамурья; для аг-роэкологически однотипных территорий разработаны схемы севооборотов.

Научная и практическая значимость. К новым результатам можно отнести установленные диапазон и направление изменения климатических, погодных и почвенных условий в Среднем Приамурье за период с 1960 по 2008 гг. Установлены корреляционные зависимости формирования урожайности зерновых культур и сои от климатических и погодных факторов и уровня плодородия тяжелосуглинистых почв. Получены зависимости формирования урожая от плодородия тяжелосуглинистых почв Среднего Приамурья в полевых и специализированных зерно-соевых севооборотах. Предложен метод расчета относительного адаптивного потенциала различных сортов культивируемых видов растений. Основные научные разработки и предложения, вытекающие из результатов исследований, обеспечивают возможность формирования структуры посевных площадей и севооборотов с привлечением культур и сортов, максимально адаптированных к почвенно-климатическим условиям каждой зоны возделывания. За счет предложенных приемов стало возможным обеспечить большую реализацию потенциальной урожайности возделываемых сортов. Научно разработанная структура посевов и рекомендуемые севообороты позволяют приостановить деградацию пахотных почв, улучшить их физические, физико-химические свойства и обеспечить сохранение и воспроизводство гумуса. Результаты исследований были использованы при разработке: «Программы повышения плодородия почв Хабаровского края до 2010 г.», способа раскисления почвы (патент РФ № 2346973), органоминерального удобрения на основе торфа (патент РФ № 2346917); вошли в «Зональную систему технологий и машин»; стали составной частью «Стратегии повышения устойчивого социально-экономического развития г. Вяземский»; используются при чтении лекций в школе повышения квалификации работников агропромышленного комплекса. Результаты исследований широко внедряются в хозяйствах края.

Положения, выносимые на защиту:

1. Региональные изменения почвенно-климатических и погодных условий, происшедшие с 1960 по 2008 гг. в Среднем Приамурье, и формирование урожайности зерновых культур и сои в зависимости от природных ресурсов региона.

2. Модели оптимальных параметров почвенного плодородия тяжелосуглинистых почв и гидротермических условий для реализации урожайности зерновых культур и сои.

3. Корреляционные зависимости формирования урожая зерновых культур и сои от параметров почвенного плодородия тяжелосуглинистых почв в полевых и специализированных зерно-соевых севооборотах и гидротермических условий периода вегетации культур.

4. Подбор культур и сортов для возделывания в различных агроэколо-гических условиях по показателям адаптивного потенциала и эффективность различных техногенных средств для повышения его основных структурных элементов - потенциальной урожайности и экологической устойчивости.

5.Средоулучшающие функции полевых и специализированных зерно-соевых севооборотов в Среднем Приамурье.

Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на международной конференции «Проблемы антропогенного почвообразования» (Москва, 1997); международных научно-практических конференциях: «Модели и технологии оптимизации земледелия» (ВНИИЗ и ЗПЭ, Курск, 2003), «Ресурсосберегающие технологии земледелия» (ВНИИЗ и ЗПЭ, Курск, 2005), «Агрохимические приемы повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно-ландшафтном земледелии» (ВНИИА, Москва, 2006); Всероссийском координационном совещании Географической сети опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами (Москва, 2001, 2008); Общих годичных собраниях ДВНМЦ РАСХН (п. Тимирязевский, 1998, 2008, 2009); научно-практических конференциях: «Роль науки в повышении эффективности производственной деятельности сельскохозяйственных предприятий в новых экономических условиях» (Хабаровск, 2000), «Инновационно-технологические основы развития земледелия» (Курск, ВНИИЗ и ЗПЭ, 2006); научных сессиях: «Энергосберегающие технологии возделывания сельскохозяйственных культур в условиях Дальнего Востока» (Хабаровск,

2005), «Результаты совместных исследований ДВНМЦ РАСХН и Дальневосточного отделения РАН по проблемам биологии в сельском хозяйстве Дальнего Востока» (п. Тимирязевский, 2007); IV и V Казьминских чтениях (Хабаровск, 2005, 2006); координационном совещании зоны Дальнего Востока и Сибири по программе «Соя» (Благовещенск, 2009).

Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом обобщения и анализа многолетних исследований автора, которые проводились с 1990 по 2008 гг.

Выбор направления научного поиска, методологические оценки влияния изучаемых факторов на рост, развитие и формирование урожая культивируемых видов и сортов растений, сбор и обобщение климатических и погодных данных за 48-летний период времени, математические зависимости и их анализ, производственное внедрение, выводы и предложения производству в диссертационной работе выполнялись лично автором.

В проведении ряда полевых исследований участвовали сотрудники отделов земледелия, биотехнологии и защиты растений, лаборатории биохимии, которым автор выражает искреннюю благодарность.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 51 научной работе, из которых 9 - в изданиях перечня ВАК, описаниях к 2-м патентам РФ на изобретения и к авторскому свидетельству на сорт ярового овса Премьер.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 324 страницах компьютерного текста, состоит из введения, восьми глав, выводов по диссертации и предложений производству, содержит 61 таблицу, 15 рисунков, 36 приложений. Список литературы включает 492 источника отечественных и зарубежных авторов.