Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и методологические основы управления плодородием почв 7
1.1. Некоторые теоретические положения и понятия 7
1.2. Теория и методология моделирования плодородия почв 13
1.3. Прогноз и управление плодородием почв 20
1.3.1. Прогнозирование состояния почв 20
1.3.2. Управление почвенным плодородием 22
Глава 2. Природные условия района исследования 25
2.1. Географическое положение района исследования 25
2.2. Геологическое строение 26
2.3. Гидрогеология 29
2.4. Рельеф района исследования 30
2.5. Гидрография и водные ресурсы 32
2.6. Климатические условия 34
2.7. Хозяйственная деятельность 36
Глава 3. Изменчивость погодных условий сухой степи 37
3.1. Многолетняя изменчивость гидротермических условий 38
3.1.1. Изменчивость температурных условий 38
3.1.2. Изменчивость влагообеспеченности 45
3.2. Зависимость гидротермических условий от степени увлаж нения 49
Глава 4. Почвенно-климатические условия формирования урожайности яровой пшеницы 65
4.1. Характеристика каштановых почв К(Ф)Х «О. Г. Пахом я» 65
4.2. Эффективное плодородие каштановых почв 75
4.3. Влияние различных факторов на эффективное плодородие 82
4.4. Качественная оценка свойств и бонитировка каштановых почв 91
Глава 5. Управление эффективным плодородием каштановых почв кулундинской степи 98
5.1. Теоретические основы управления плодородием почв 98
5.2. Информационно-логическая модель управления эффективным плодородием каштановых почв 105
5.3. Экономическая эффективность возделывания яровой пшеницы в К(Ф)Х «О.Г. Пахомя» 110
Выводы и рекомендации производству 113
Литература 116
- Теория и методология моделирования плодородия почв
- Гидрография и водные ресурсы
- Зависимость гидротермических условий от степени увлаж нения
- Качественная оценка свойств и бонитировка каштановых почв
Введение к работе
Актуальность работы.
Каштановые почвы сухих степей Кулунды занимают более 1308 тыс. га и широко используются в сельскохозяйственном производстве. Рациональное и эффективное использование каштановых почв, обладающих сравнительно невысоким плодородием, а также разработка путей его повышения невозможно без изучения почвенно-климатических условий формирования урожайности сельскохозяйственных культур.
В условиях Алтайского края в агроценозах господствует основная зерновая культура - яровая пшеница. Хозяйственная продуктивность агроценоза, выраженная в урожае, зависит от основных факторов - метеорологических, почвенных условий, сорта культуры, технологии возделывания и т.п. С целью направленного управления этими факторами, важно определить реальную роль каждого и совокупного их действия на уровень хозяйственной продуктивности, который можно достичь в конкретных условиях возделывания культуры.
В Алтайском крае достаточно давно (Л.М. Бурлакова, В.А. Рассып-нов, О.И. Антонова, Л.М. Татаринцев, Г.Г. Морковкин и др.) изучают роль почвенных и климатических факторов в создании хозяйственной продуктивности. Однако все эти исследования касаются чернозёмов Алтайского Приобья. Для зоны каштановых почв таких исследований почти нет (Н.Б. Максимова, Б.В. Жандаров). Для целей прогнозирования урожайности яровой пшеницы важно изучить временную динамику гидротермических условий, их варьирование, взаимосвязи урожайности в зависимости от обеспеченности растений влагой, теплом и некоторых физических свойств каштановых почв.
Целью работы стояло выяснение возможности использовать метеорологические, почвенно-физические условия каштановых почв сухой степи для оценки почвенного плодородия и его управления.
Для достижения поставленной цели надо было решить следующие задачи: изучить многолетнюю изменчивость гидротермических условий; оценить эффективное плодородие каштановых почв и влияние на него различных факторов; дать качественную оценку свойств почв и метеоусловий; провести бонитировку каштановых почв; применить информационно-логическую модель для целей управления эффективным плодородием.
Научная новизна. Впервые для зоны каштановых почв изучены во времени варьирование количества атмосферных осадков и динамика сумм температур в различные фазы вегетационного периода, а также изменение сумм температур в зависимости от влагообеспеченности вегетационного периода. Установлены наиболее вероятные суммы температур и осадков по декадам в течение вегетационного периода.
Изучена динамика (за 30 лет) урожайности яровой пшеницы в зависимости от гидротермических условий, выявлены уровни урожайности культур в зависимости от тепло- и влагообеспеченности сухих, засушливых, средних, увлажнённых и влажных лет. Используя информационно-логический анализ, установлены наиболее вероятные (специфичные) уровни урожайности яровой пшеницы, а также оптимальные почвенно-климатические параметры эффективного плодородия и предложена информационно-логическая модель прогноза эффективного плодородия каштановых почв. Впервые проведена качественная оценка свойств и бонитировка каштановых почв и территории.
Защищаемые положения.
1. В формировании урожайности яровой пшеницы на каштановых почвах сухой степи участвуют запасы продуктивной влаги в метровом слое, расходуемые на урожай в течение вегетационного периода, сумма температур выше 10С в пахотном слое почвы в течение июня-июля,
4 ГТК за июнь-июль, ГТК июля, сумма температур воздуха выше 10С за май-август, сумма осадков за июль, сумма осадков за июнь-июль.
2. На защиту выносится модель управления эффективным плодородием каштановых почв.
Теоретическая значимость работы. Изучена зависимость хозяйст венной продуктивности от основных агроклиматических и почвенных факторов, определена реальная роль расхода продуктивной влаги из метрового слоя почвы за май-август, Xt>10C в пахотном слое почвы за июнь-июль, ГТК за июнь-июль, суммы температур воздуха выше 10СС за "* май-август, сумма осадков за июль, водопотребление, запас продуктив- ной влаги в метровом слое почвы перед посевом и их совокупного действия в формировании урожайности яровой пшеницы, установлены оптимальные параметры почвенно-климатических факторов по отношению к яровой пшенице в зоне сухой степи Алтайского края.
Практическая значимость работы. Для зоны каштановых почв сухих степей разработана модель управления эффективным плодородием, обоснован агротехнологический комплекс по управлению параметрами почвенного плодородия, определяющими формирование урожайности яровой пшеницы. Р Апробация работы. Результаты исследований были доложены на
Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве и растениеводстве» (г. Барнаул, 2003), конференциях профессорско-преподавательского состава института природообустройства (г. Барнаул, 2003, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, насчитывающего 127 наименований, в том числе 2 на иностранном языке. Работа изложена на 127 страни- Ш цах, содержит 24 таблицы и 33 рисунка.
6ф Автор выражает благодарность к.с-х.н. В.Л. Татаринцеву, к.с-х.н.
Н.Ю. Ворониной, инженеру-программисту П.А. Мягкому за помощь при оформлении диссертации.
Теория и методология моделирования плодородия почв
Основная функция модели заключается в том, что она содержит сведения о характеристиках объекта, существенных для решения конкретной задачи. При моделировании плодородия почв необходимо помнить, что к модели нельзя предъявлять требования, абсолютно точно, отражающие все стороны моделируемого объекта или процесса. Модель выступает как промежуточное звено между объектом и исследователем, а само моделирование - как одна из последовательных фаз познания по схеме объект модель - теория {Шишов и др., 1991). Конечной целью такого подхода к моделированию состоит в том, чтобы глубже понять и количественно отразить функционирование почвы как открытой многокомпонентной динамической системы, исходя из сведений о ее составляющих.
Моделирование опирается на режимные исследования. Их приоритет еще в 1971 году четко сформулировал А.А. Роде. Моделирование микропроцессов должно делаться наряду со стационарными исследованиями одним из основных методов изучения сущности почвообразования, а вместе с тем и сущности плодородия почв. При моделировании плодородия почв опираются на упомянутые в разделе 1.1. понятия «плодородие почв», «эффективное плодородие» и т.п.
До сих пор нет цельной и непротиворечивой теории управления почвенным плодородием, логично объединяющей решение этой глобальной задачи в пространстве и во времени, на стратегическом, оперативном и тактическом уровнях. Хотя в России принята программа «Плодородие», в Алтайском крае разработана под руководством Л.М. Бурла-ковой «Концепция рационального использования земель сельскохозяйственного назначения в современных условиях». Между огромным научным потенциалом теоретического почвоведения и его реализацией в сфере практики (зональные системы земледелия, мелиоративные проекты и т.п.) обнаруживается явная диспропорция. Выходом из сложившейся ситуации является моделирование плодородия почвы, которое позволит устранить эти диспропорции и тем самым поднять управление почвенным плодородием на уровень, отвечающий требованиям современного времени. Разработка совместных методов управления плодородием почв и их внедрение в производство позволит решить конечную практическую задачу.
Сущность модельных исследований предполагает абсолютно точное толкование понятий и определений. Почвоведение - большей частью описательная наука, отсюда в нём присутствуют слабая формализация знаний, разночтения многих понятий и терминов, субъективизм в их трактовке и т.п. Всё это осложняет внедрение модельных принципов в почвоведение и сопоставление предлагаемых моделей. Поэтому на каждом из этапов необходимо соблюдение ряда общих подходов и правил. При постановке задачи решающее значение приобретают вид плодородия (потенциальное или эффективное), тип агроценоза, технологический уровень, размер участка и т.п.
При моделировании почвенного плодородия широко используются информационно-логические модели. Информационные модели, реализуемые на ЭВМ, весьма многочисленны и включают, в частности, банки данных, АСУ и информационно-поисковые системы. В общем, для них типичны сравнительно несложные алгоритмы, возможность сортировки больших массивов данных и узкая специализация. Последнее обстоятельство стимулировало создание модели плодородия чернозёмов Алтайского Приобья в системе агроценоза (Бурлакова, 1975, 1984), под кормовые культуры (Рассыпнов, 1993). Агрофизическая модель плодородия Алтайских чернозёмов создана Л.М. Татаринцевым (1993). Широкое развитие исследований в этом направлении стало причиной становления почвенной информатики как нового раздела почвоведения. Основные положения теоретического и практического плана подробно изложены в ряде изданий (Рожков, 1984; Фрид, 1986).
В информационно-логической модели для решения комплексных проблем выделяются следующие стадии: фундаментальных исследований; теоретико-прикладных исследований; практических разработок; производственного испытания и внедрения; эксплуатации на практике. К настоящему времени в науке существует сложившаяся общая последовательность разработки моделей, в которой выделяются следующие этапы: 1) постановка задачи; 2) построение модели; 3) отыскание решения; 4) верификация (проверка); 5) её практическое использование.
Основой системы моделей служат модели состояния (Фрид, 1985), отражающие в параметрической форме совокупность структурно-функциональных свойств какой-либо почвы, соотнесённую с фактическим или заданным уровнем плодородия (концепция базовых моделей). Эти модели могут выражать прошлое, ретроспективное, текущее или будущее (желаемое, ожидаемое или планируемое) состояние почв. Большинство, разрабатываемых в конце XX столетия, моделей относятся к этому классу, причём доминируют те из них, которые характеризуют оптимальные сочетания параметров плодородия («эталоны») соответствующих почв (Модели плодородия .... 1982; Плодородие почв..., 1985). Модели состояния служат базой для построения моделей прогноза и управления (Курсакова, Трофимов, 2004).
Гидрография и водные ресурсы
Гидрологическая изученность территории в настоящее время слабая. Вопросы режима рек и озер, формирования и территориального распределения среднего стока излагались в монографии П.С. Кузина (1953), в статьях Н.А. Мосиенко (1958), С.Г. Чемоданова (1952, 1954), М.И. Баюшевой (1961), М.И, Баюшевой и др. (1972). В 1960 году опубликована монография Д.И. Абрамовича «Воды Кулундинской степи». В 1963 году вышла работа Г.В. Павленко, посвященная вопросам прогнозов весенних половодий и максимальных расходов. Сведения о водном режиме и балансе озер можно найти в работах А.В. Шнитникова (1948, 1950), А. Г. Поползина (1967), К.Н. Силецкого (1967) и других. Особую роль в изучении гидрологических условий Кулундинской степи сыграла монография Государственного гидрологического института «Ресурсы поверхностных вод районов освоения целинных и залежных земель» (1962), которая является результатом многолетних наблюдений Гидро-метслужбы и других ведомств.
В гидрологическом отношении рассматриваемая территория входит в бассейн замкнутого стока. Основными реками бассейна замкнутого стока, текущими с Приобского плато в Центральную пониженную часть Кулундинской депрессии, являются Бурла, Кулунда и Кучук. Все названные реки доносят свои воды до крупных озер. Ближайшая к району исследования р. Кучук берет свое начало в 10 км к югу от с. Вознесенки и впадает в оз. Кучукское. Водный режим реки изучался у с. Нижний Кучук в 13 км от устья. Половодье хорошо выражено. Годовая амплитуда уровня около 2 м, наибольшая 4 м. Летом река в верхнем и среднем течении пересыхает. Вода сохраняется в искусственных водохранилищах. На реке сооружено девять земляных плотин. Самые крупные находятся на расстоянии 105, 84, 48, 36 и 6 км от устья. Водохранилища используются для водопоя скота, разведения водоплавающей птицы, хозяйственно-бытовых и технических нужд.
На территории ООО «Ярлоговское» имеется два крупных временных водотока и ряд мелких. На одном водотоке сооружено два пруда, которые разнообразят ландшафт и предназначены для водопоя скота. В период снеготаяния минерализация таких вод составляет до 0,3 г/л. В ионном составе обычно преобладают гидрокарбонаты кальция и натрия. Летом водотоки пересыхают, и минерализация увеличивается, а ионный состав с гидрокарбонатного изменяется на сульфатный. Других водоемов не имеется в пределах хозяйства.
Сведения о климатических особенностях юго-востока Западной Сибири имеются в трудах B.C. Мезенцева (1957), Я.И. Фельдмана (1960), А.П. Сляднева (1958), А.П. Сляднева, Е.А. Сенникова (1972) и др. в связи с агроклиматическим районированием степной и лесостепной зон Западной Сибири.
Алтайский край расположен в умеренно-теплом суббореальном климате. Главная роль в формировании климата континентальных районов принадлежит арктическим и атлантическим воздушным массам (Орлова, 1962; Сляднев, 1965).
Согласно агроклиматического районирования приведенного в агроклиматических ресурсах Алтайского края (1971) территория, являющаяся предметом нашего исследования, входит в теплый район по теп-лообеспеченности и теплый засушливый подрайон III е (рис. 4). В качестве показателя теплообеспеченности использовалась сумма температур воздуха за период с устойчивой температурой выше 10С, обеспечивающей активную вегетацию большинства культурных растений. Оценка влагообеспеченности вегетационного периода сделана по гидротермическому коэффициенту (ГТК) Г.Т. Селянинова, представляющему отношение суммы осадков за период с температурой выше 10С к испаряемости, выраженной суммой температур за этот же период, уменьшенной в 10 раз.
Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом составляет 155-160 дней, абсолютный минимум температуры воздуха достигает-50С. Средняя из наибольших декадных высот снежного покрова за зиму не превышает 25 см, наибольшая глубина промерзания почвы может достигать 260 см. Безморозный период длится 115-120 дней.
Сумма температур воздуха за период с температурой выше 10С равна 2000-2200, сумма осадков за период активной вегетации составляет 140-175 мм. Гидротермический коэффициент по Г.Т. Селянинову находится на уровне 0,6-0,8. Запасы продуктивной влаги в метровом слое на дату перехода температуры воздуха через 10С весной колеблется от 45 до 68 мм, на дату перехода температуры воздуха через 5С осенью - от 16 до 26 мм.
Зависимость гидротермических условий от степени увлаж нения
Для изучения зависимости тепло- и влагообеспеченности от степени увлажнения мы воспользовались рекомендациями, сделанными в справочнике «Агроклиматические ресурсы Алтайского края» (1971). Для оценки степени увлажнения за исследуемый отрезок времени (1971-2003 гг.) использован гидротермический коэффициент (ГТК) Г.Т. Селя-нинова, представляющий собой отношение суммы осадков за период с температурой выше 10С к испаряемости, выраженной суммой температур за этот же период, уменьшенный в 10 раз. По степени увлажнения годы исследуемого периода разделены на пять групп: 1) сухие, ГТК 0,6; 2) засушливые, ГТК=0,6-0,8; 3) средние, ГТК=0,8-1(0; 4) увлажнённые, ГТК=1,0-1,2; 5) влажные, ГТК 1,2. Согласно этой группировке 13 лет из 33 (рис 18.) оказались сухими (4 года из 10), семь лет засушливыми (2 из 10), ещё два года из 10 были средними по увлажнению и по одному году из 10 были отнесены к увлажнённым и влажным.
Весь дальнейший анализ теплообеспеченности и степени увлажнения (влагообеспеченности) проведён в рамках этих групп лет, выделенных на основе расчёта гидротермического коэффициента.
Гидротермические коэффициенты показывают (рис. 19), что май в 15 случаях из 33 лет {4 года из 10) является острозасушливым (сухим), ещё 4 года из 10 «влажным» и достаточно обеспечен осадками. Оставшиеся два года из 10 относятся к группам «увлажнённые» и «средние». Судя по динамике гидротермических коэффициентов (рис. 19), июнь является экстремально сухим месяцем в границах вегетационного периода. В шести случаях из 10 июль - «засушливый» и «сухой», причём на долю последних приходится пять лет из 10; на долю «влажных» остаётся только два года, что в два раза меньше, чем в мае. Ещё два года оказываются в группах «средние» и «увлажнённые», т.е. по одному в каждой группе. В июле осадков по среднемноголетним данным выпадает больше, чем в июне, тем не менее «влажный» июль (ГТК 1,2) наблюдается только в двух случаях из 10 лет. В этом июль похож на июнь. В июле на один год меньше {не 6, а только 5) «засушливых» и «сухих». В свою очередь, июль чаще (3 раза из 10 лет) бывает «средним» по увлажнению, чем июнь. Август чаще всего бывает «сухим» (6 лет из 10). «Влажный» и «увлажнённый» август бывает только два раза из 10. На «средние» по увлажнению остаётся только два августа из 10.
Сравнение двух половин вегетационного периода (май-июнь и июль-август) показывает, что первый отрезок вегетации более влажный по сравнению со вторым. В мае-июне два года «влажные», июле-августе - только один из 10. В первой половине лета больше (пять) «сухих» лет, чем во второй половине (четыре года из 10). На первую и вторую половины лета приходится по два «увлажнённых» и два «средних» по увлажнению года.
Сумма температур выше 10С находится в обратной зависимости от количества осадков в течение вегетационного периода. Сумма температур уменьшается по мере роста количества атмосферных осадков (рис. 20). Наиболее вероятная Zt 10C в зависимости от обеспеченности атмосферными осадками изменяется в течение вегетационного периода с 2200-2400 в «сухие» годы до 1800-1900 во «влажные» годы. Особый интерес вызывают «засушливые» годы, которые очень сильно различаются по теплообеспеченности. Сумма температур выше 10С в такие годы может колебаться от 2000 до 2700. Такое разнообразие скорее всего связано с ветровым режимом.
Качественная оценка свойств и бонитировка каштановых почв
Показатели по которым проводилась качественная оценка каштановых почв К(Ф)Х «О.Г. Пахомя», определялись согласно логической формулы, выведенной в предыдущем разделе. Среди этих показателей были метеорологические: ГТК6-7 за июнь-июль, Т5.8 - сумма температур воздуха выше 10С, осадки за июнь месяц, а также почвенные: расход продуктивной влаги из слоя 0-100 см за вегетационный период, сумма температур выше 10С, в пахотном слое, запас продуктивной влаги в слое 0-100 см перед посевом. Более точная оценка каштановых почв возможна при использовании других показателей, которые не вошли в логическую формулу эффективного плодородия исследуемых почв, в частности содержание гумуса, рН, подвижные и валовые формы азота, фосфора и калия. Некоторые из них мы тоже использовали при оценке. Ряд важных показателей из-за отсутствия данных не учитывались при оценке. Для качественной оценки выбранных критериев, учета их степени влияния на эффективное плодородие почв и расчета оценочных баллов использованы результаты информационно-логического анализа данных урожайности, свойств почв и метеорологических показателей за 1971-2002 годы. Установленные на основании информационного анализа специфичные состояния урожайности для каждого значения свойств почв и метеорологических показателей, выраженные в виде ранга урожайности (табл. 20), представляют собой оценку этих свойств по отношению к яровой пшенице.
Так как информационный анализ выявляет наиболее вероятные и характерные состояния урожайности, то оценка по ним свойств почв и метеорологических показателей наиболее достоверна и статистически обоснована. Учитывая исследования Л.М. Бурлаковой (1984) все возможные урожайности вошли в 7 рангов, в границах черноземов в разных подзонах Алтайского края. Кроме того, эти ранги выбраны для того чтобы сохранить единую схему качественной оценки почв, применяемой для оценки свойств почв и метеорологических показателей для всей территории Алтайского края. Каждое свойство почвы получает оценку - балл по семибальной системе, соответствующей числу рангов урожайности, используемых для построения каналов связи. Расчет баллов отдельных почв К(Ф)Х проведен согласно формулы эффективного плодородия функции нелинейного произведения (2): Логическая формула, определяющая порядок расчета, построена в соответствии со значимостью входящих в нее показателей при формировании урожайности. Она содержит два вида показателей (почвенные и метеорологические) и позволяет провести расчет оценочных баллов в два этапа. На первом этапе определяется почвенный балл, выраженный в рангах (Ранговый Бп): на втором этапе определяется поч вен но-климатический балл (Бпк):
При использовании среднемноголетних метеорологических показателей можно определить поч вен но-климатический сред немноголетний балл, и при анализе ежегодных метеоданных, соответственно, рассчитать почвенно-климатический балл для конкретного вегетационного периода. Например, требуется оценить плодородие каштановой глубоковскипающей средне мощной легкосуглинистой почвы при ГТК за июнь-июль 1,25, сумме температур воздуха выше 10С за май-август (1900), сумме осадков за июль 50 мм. Мощность гумусового слоя А+В Зб см, содержание гумуса в пахотном слое - 2,7%, рН=6,7, расход влаги из слоя 0-100 см за вегетационный период (Zw) равен 125 мм, сумма температур выше 10Х в пахотном слое за июнь-июль (ТП6.7) составила 1324С, водо потребление (Wp) 200 мм и запас продуктивной влаги (\Nt) в метровом слое перед посевом - 122 мм. Для удобства расчёта все исходные данные вписываются в числитель, в знаменатель - соответствующие специфичные ранги урожайности: В качестве эталона (лучшей почвы) взят чернозем выщелоченный мощный среднегумусный тяжелосуглинистый луговой степи, поч-венно-климатический балл которого (Бпк) принят за 100 (Бурлакова, 1984). Баллы каштановых глубоковскипающих легкосуглинистых почв ООО «Ярлоговское» и К(Ф)Х «ОТ. Пахомя» вычислены в процентах от Бпк эталона. Оценка почвенно-климатических условий территории хозяйств и отдельных участков проведена в следующем порядке. Сначала по свойствам вычисляются ранговые почвенные баллы каждой почвы (Бп1, БП2 и т.д.) и по известной формуле средневзвешенного балла с учетом площади распространения почв (Р1? Р2, .... Рп) определяется ранговый почвенный балл территории (Б )
Похожие диссертации на Факторы плодородия каштановых почв сухой степи юга Западной Сибири и урожайность яровой пшеницы
