Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Природно-климатические условия лесостепи Приобья 8
1.1 Рельеф 8
1.2 Климат 9
1.3 Почвы 11
1.4 Растительный покров 12
Глава 2. Объекты, материал и методы исследований 16
2.1 Закладка опытов, объекты и методика исследований 16
2.2 Метеорологические условия в период проведения исследований 19
Глава 3 Структура и формирование агро фитоценоза 21
3.1 История изучения и экология сорных растений 21
3.2 Регулирование численности сорных растений 32
3.3 Сорные растения в как объект патентного исследования 42
Глава 4. Основные взаимосвязи в зерновом агрофитоценозе 46
4.1 Установление общей фитотоксичности почвы 46
4.2 Аллелопатическое влияние некоторых сорных растений на развитие
проростков пшеницы 53
4.3 Флористический состав, обилие и жизненные формы 59
Глава 5. Возобновление побегов сорных растений в течение вегетационного периода 70
5.1 Формирование надземных органов 71
5.2 Коротковегетирующие сорняки 75
5.3 Длительновегетирующие сорняки 78
5.4 Возобновление побегов сорных растений 80
Глава 6. Адаптации сорных растений к основным антропогенным факторам 87
6.1 Адаптация сорных растений к химическим нагрузкам и зяблевой обработке почвы 87
6.2 Влияние основных обработок почвы на биоморфологический
состав основных группировок сорной растительности 99
Глава 7 Формирование ассоциаций сорных растений в зерновом агрофитоценозе 108
7.1 Классификация сообществ сорных растений 108
7.2 Ассоциация Lactuco-Artemisietum 111
7.3 Ассоциация Lactuco-Carditetum 113
7.4 Ассоциация Cirsio-Potentilleinm. 115
7.5 Асоциация Matricario-Taraxacetum officinalis 116
Глава 8 Сукцессии сообществ сорных растений 121
Выводы 128
Список использованных источников 131
Приложения 147
Введение к работе
Актуальность исследования. В условиях адаптивно-ландшафтного земледелия существенно изменяются экологические условия развития агрофитоценозов, характер и направленность взаимоотношений культурного и сорного компонентов. Недостаточные сведения об экологических и биологических особенностях сорных растений, особенно в почвозащитном земледелии, усложняют возможности прогнозирования их вредоносности в посевах, что сопровождается непредсказуемым снижением продуктивности и качества возделываемых зерновых культур. Для успешного контроля и регулирования численности сорной растительности необходимы знания основных экологических и биологических особенностей развития и распространения при почвозащитных зяблевых обработках почвы на разных уровнях химизации в условиях различного типа увлажнения вегетационного периода.
Цели и задачи исследования. Изучить особенности экологии сорных растений, их структуру, многообразие и динамику в условиях зернового агрофитоценоза лесостепи Приобья.
Основные задачи исследований:
-
проанализировать флористический состав сегетального сообщества в зерновом агрофитоценозе опытного поля;
-
выявить распределение доминантных, массовых и редких видов сорных растений, их встречаемость, морфофизиологические особенности и определить влияние на жизненное состояние при разных типах антропогенных нагрузок;
-
проанализировать пространственно-временное распределение сорных растений, их фенологические типы и ритмы в зависимости от почвозащитных приемов зяблевой обработки и уровней химической нагрузки при различных условиях увлажнения; установить динамику сегетальных сообществ, при изменении воздействия на среду в результате перехода к адаптивно-ландшафтному земледелию.
Научная новизна работы. Впервые в условиях зерновых агрофитоценозов лесостепи Приобья установлено, что при переходе к почвозащитным обработкам почвы формируются устойчивые специфические ассоциации сорных растений, не встречающиеся при глубокой отвальной обработке.
Определен флористический состав сегетального сообщества в зерновом агрофитоценозе. Выяснено, что распределение доминантных, массовых и редких видов сорных растений зависит от приемов зяблевой обработки почвы и интенсивных химических нагрузок.
Показано, что в прогнозе и регулировании численности сорных растений зернового агрофитоценоза в адаптивно-ландшафтном земледелии можно опираться на растения-диагносты, по которым определяется появление сопутствующих сорняков. Сорные растения сгруппированы по отношению к основным элементам системы земледелия зернового агрофитоценоза лесостепи Приобья.
Основные положения, защищаемые в диссертации
1. При переходе к адаптивно-ландшафтному земледелию формируются устойчивые ассоциации сорных растений, не встречающиеся при традиционной обработке почвы;
2. В прогнозе и регулировании численности сорных растений в агроценозах можно опираться на растения-диагносты, по которым определяется появление сопутствующих видов сегетальной растительности;
3. Адаптационные процессы сорных растений как ответ на антропогенное воздействие, на примере зерновых агрофитоценозов Приобской лесостепи, идут не только на уровне видов, но и на уровне сообществ.
Практическая и теоретическая значимость. Обоснована возможность надежного прогноза и эффективного регулирования численности и флористического состава сорных растений в агрофитоценозе при минимизации обработок почвы.
Выявлены растения-диагносты, по которым можно определить смену сорных сообществ в агроэкосистеме.
Результаты работы расширяют и систематизируют представления о структуре и динамике сорных сообществ, их взаимосвязях с элементами системы земледелия; экологических и биологических особенностях агрофитоценозов; позволяют рассматривать адаптационные процессы, идущие на уровне сообществ.
Экспериментальный материал диссертации положен в обоснование и разработку трёх патентов, выданных Федеральными институтом промышленной собственности Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам: «Устройство для диагностики биологической активности почвы», «Устройство для определения потенциального запаса семян сорных растений в пахотном слое почвы», «Прибор для установления и извлечения обитающих в почве тромбидиформных клещей.»
Апробация работы. Материалы диссертации были обсуждены на международных, всероссийских и региональных научных и научно-практических конференциях:
«Агрохимические аспекты повышения продуктивности сельскохозяйственных культур» (Москва, 2002); «Научное обеспечение АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Беларуси и Башкортостана» (Абакан, 2002); «Современные проблемы земледелия и экологии» (Курск, 2002); «Обеспечение высокой экономической эффективности и экологической безопасности приемов использования удобрений и других средств химизации в агротехнологиях» (Москва, 2003); «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО», (Уфа 2003).
Публикации результатов исследования. По результатам диссертации опубликовано 17 работ, из них 8 в рецензируемых журналах, получено 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 159 печатных страницах, состоит из введения, восьми глав, выводов, приложений и списка литературы. Содержит 19 таблиц и 17 рисунков. Список литературы включает 204 наименования, из них 61 на иностранном языке.
Благодарности. Особую благодарность автор выражает своим научным руководителям: доктору сельскохозяйственных наук В.Е. Синещекову, доктору биологических наук, профессору Е.К. Еськову за систематическое и методичное руководство и помощь в работе над диссертационной темой и за возможность использовать материалы отчетов лаборатории обработки почвы (период с 1986 по 2000 гг.)
Автор приносит благодарность академику А.Н. Власенко за всемерную поддержку и методические замечания при выполнении работы. Автор благодарит зав. сектором математического моделирования природопользования доктора биологических наук А. И. Южакова за помощь в статистической обработке материала и сотрудников лаборатории обработки почвы ГНУ СибНИИЗХим за оказанную помощь и поддержку при написании диссертационной работы.
Рельеф
Большая часть территории Новосибирской области находится в пределах Западно-Сибирской платформы. Ее фундамент сформирован в конце палеозоя в герцинскую складчатость. Осадочный чехол - мезо-кайнозойского возраста. Его мощность возрастает с востока на запад от 0,1 до 3 км. Чехол представлен в основном рыхлыми песчано-глинистыми отложениями.
Исследования проведены иа территории, которая формально отнесена к С еверопред алтайской лесостепной провинции (Адаптивно-ландшафтные системы земледелия Новосибирской области, 2002). Рельеф территории формируют северолесостелные плакорные земли. Они находятся на высоте 150-230 м над уровнем моря в абсолютных отметках и имеют плоский увалистый рельеф. Для данной территории характерна интенсивная овражная эрозия и широко развиты явления поверхностного смыва почв. Грунтовые воды находятся на большой глубине (10-17 м). Почвообразующие породы лессовидные суглинистые и четвертичные отложения. Основу Сев еропред алтайской лесостепной провинции составляют плоские и волнистые дренированные равнины с преобладанием тяжело- и среднесуглинистых черноземов выщелоченных, оподзоленных, темно-серых лесных и лугово-черноземных почв на лессовидных карбонатных суглинках на склонах до 1. Группа умеренно дренированных земель шгакоров н пологих склонов, почвенный покров которых довольно однороден. Размер контуров значителен и в их составе распространены слабо контрастные округлые или линейные пятнистости черноземов и темно-серых лесных (Чв Чоп ЛЗ) почв иа плакорах или их сочетания с лугово-черноземными почвами (Чв Чоп ЛЗ -!- Чл) на пологих склонах до 1.
Климат Новосибирской области резко континентальный. Для него характерны значительные колебания температур воздуха в течение суток, сезонов, от года к году, яркая выраженность сезонов года, небольшое количество осадков (200-500 мм в год) и их неравномерное распределение в течение года (70% в теплое время), а также неустойчивое увлажнение территории в различные годы (Сляднев, 1968).
Для гидротермической характеристики места исследований приняли коэффициент увлажнения (Ку), рассчитанный по формуле В.А.Понько (1996). Коэффициент увлажнения является безразмерной величиной, отражающий приход и расход влаги в теплый период года. Климатические ресурсы в многолетнем цикле проявляются через межгодовую пространственную изменчивость метеорологических условий в различных типах увлажнения вегетационных сезонов, что эквивалентно временным вариациям подзон. Климатические циклы продолжительностью в 2-3, 5-7, 11-13 лет и более проявляются на данной территории в виде «плавающих» ареалов с дефицитным, средним или избыточным атмосферным увлажнением. В результате агрофитоценозы оказываются в отдельные годы как бы в разных климатических подзонах.
Выделено 5 типов увлажнения и рассчитана повторяемость этих типов в природных подзонах. Например, в центрально-лесостепной подзоне, где расположен наш стационар, в 15% лет отмечается переувлажнение, в 30 -умеренное, в 20 - умеренно дефицитное, в 20 дефицитное и 15% лет - остро дефицитное увлажнение,
Среднемноголетние суммы температур выше 5-10и- 1880-1940, выше 10-12 - 1620-1680, обеспеченные в 8-ми годах из 10 - соответственно 1780-1840 и 1520-1580. Среднемноголетние осадки года - 400-540 мм, июня - 55-65 мм, коэффициенты увлажнения 1,0-1,36. Даты воздушных заморозков с вероятностью проявления 1 раз в 5 лет последних - 5 июня, первых - 1 сентября.
Средняя температура самого холодного месяца, января, -19-21 С, самого теплого, июля, -г-17-К20оС. Характерной особенностью является раннелетняя засуха. Абсолютный максимум + 39С, минимум - 46С (Орлова, 1962)
В начале вегетации влажность пахотного слоя, за редким исключением, бывает выше 75% от наименьшей влагоемкости (НВ). Запасы воды в снеге перед весенним снеготаянием по среднемноголетним данным ГМС «Огурцово» составляют в среднем 113 мм, с колебаниями по годам от 85 до 165 мм.
В геоморфологическом отношении район исследований относится к Приобскому плато, сформированному к концу среднечетвертичного периода времени в результате глыбового поднятия Верхнее-Обской предгорной впадины, выполненной мощной толщей озерно-аллювиальных отложений нижнечетвертичного периода и главным образом среднечетвертичного возраста (Казарияов, 1958). Северная окраина Приобского плато представляет собой волнистую овражную равнину с общим уклоном на север от 175 до 150 м в абсолютных высотах. По этой причине проходит водораздел рек Обьского и Барабинского внутреннего бассейнов. В связи с этим восточная часть плато имеет уклон к долине Оби и расчленена системой мелких речек (Вьюн, Оеш, и др.). - Участки плато, примыкающие к долинам рек, равно как и речные террасы, с приречными увалами, сильно эродированы и характеризуются развитием оврагов...
Поверхностные толщи пород здесь представлены верхне- и среднечетвертичными породами-пролювиально-аллювиальными лессоидными суглинками и супесями, лежащими на неогеновых или нижнечетвертичных песчано-глинистых осадках. Лессовидные породы сильно опреснены и практически не содержат легкорастворимых солей. Они высококарбонатны, содержат 4-15% углекислого кальция (Почвы Новосибирской области, 1966).
На исследуемой территории господствуют автоморфные почвы: оподзоленные, выщелоченные, обыкновенные черноземы и серые лесные, на фоне которых находятся пятна солодей. Эти почвы обычно располагаются крупными массивами или же в простых сочетаниях (чаще всего различньгх серых лесных почв и черноземов). Почти вся территория распахана, за исключением отдельных участков на водораздельных пространствах и крутых склонов к балкам и речным долинам, занятых березово-осиновыми колками, березовыми перелесками и лугами. Незначительное место занимают гидроморфные и засоленные почвы - различные лугово-черноземные, луговые, лугово-оолотные, болотные, луговые солонцы и солончаки, главным образом, приуроченные к местным полузамкнутым и замкнутым понижениям, к днищам балок и пойменным террасам речных долин. Эти почвы обычно используются в качестве пастбищ и сенокосов или же представляют болота и заболоченные леса.
Закладка опытов, объекты и методика исследований
Экология сорных растений изучалась на стационаре центрального опытного поля ГНУ в ОПХ «Элитное» Новосибирского района Новосибирской области. Стационар заложен в 1981 году для изучения эффективности систем основной обработки почвы в зависимости от уровней химизации. С 1981 по 1993 годы применяли пятипольный зернопаровой севооборот {пар-пшеница- -овес {ячмень) - пшеница), а с 1994 по 2003 год - четырехпольный зернопаровой севооборот {пар - озимая рожь-пшеница- пшеница). , Варианты основной обработки почвы под посевы представлены следующими комбинациями: 1.Вспашка на 20-22 см под чистый пар и под третью культуру после пара и на 25-27 см под вторую культуру; 2.Комбинированная - без основной обработки {«нулевая») под пар, вспашка на 25-27 см - под вторую культуру и безотвальная на 20-22 см под третью культуру; З.Комбинированная - плоскорезная на 10-12 см под пар, безотвальная на 20-22 см под вторую культуру и без обработки под третью; 4.Безотвальная иа 20-22 см под пар и под третью культуру и на 25-27 см под вторую культуру; 5.Комбинированная адаптивная {по ситуации) - чередование вспашки, безотвального рыхления и минимальной обработки; 6. Ежегодная плоскорезная обработка на 10-12 см {минимальная - почвозащитный прием зяблевой обработки почвы); 7. Без зяблевой обработки {«нулевая» - почвозащитный прием зяблевой обработки почвы) с оставлением стерни. Методом расщепленных делянок поперек основных обработок накладывались варианты с применением химических средств: 1-без средств химизации (контроль), 2-гербициды против злаковых и двудольных сорняков, 3-удобрения Ngo ггод вторую и N]QO под третью культуру + гербициды, 4-удобрения + гербициды (комплексная химизация). По фитосанитарной обстановке применяли инсектициды, фунгициды и ретарданты. Против злаковых сорняков применялись гербициды пума-супер в посевах пшеницы в фазу 3-4 листьев (1л/га) и против двудольных (через 5-7 дней после обработки пума-супер) - гранстар (20 л/га) или пума-комби против всех сорняков. Препарат ТУР (3 л/га) применялся по удобренным вариантам на всех полях севооборота. Против скрытостебельных вредителей в фазу всходов - обработка инсектицидами на основе фитосанитарного мониторинга. Для подавления листо-стеблевых инфекций - обработка препаратами системного действия (тилт, 0,5 л/га и др.) в фазу начала колошения пшеницы. Зернопаровой севооборот и поле с бессменной пшеницей (яровая-пшеница без системы севооборота) развернуты в пространстве в однократном повторении, размеры поля - 100 364 м. Вдоль длинной стороны поле делится на 4 фона химического контроля согласно схеме опыта. Ширина первых трех фонов - по 5 м, четвертого - 85м. Защитные (разворотные) полосы - 20 м. Размер учетной делянки при уборке комбайном -29,9 м2. В связи с целью и задачами исследований объектами изучения были сорные растения. Они изучались в агроценозах с бессменной пшеницей и в зернопаровом четырехпольном севообороте на семи вариантах зяблевой обработки почвы. В течение сезона вегетации на четырех полях зернопарового севооборота и на поле с бессменной пшеницей определяли видовую принадлежность сорняков (Красноборов, Ломоносова, Шауло и др. 2000) на постоянных площадках, проводили фенологические наблюдения за их развитием (Рекомендации по методике..., 1973). Наблюдения за динамикой роста и побегообразования сорных и культурных растений определяли путем измерения морфометрических показателей (Серебряков, 1952, 1959), Описание морфологических признаков проводили на растениях проросших в одно и тоже время и помеченных исследователем в фазу прикорневой листовой розетки, по методике ВИРа (Синекая, 1928). Продуктивность надземной части сорных растений, а также феноритмотипы определяли по методике В.Н.Голубева (1963, 1965). Структуру фитомассы растений и отдельных органов определяли количественно-весовым методом (Воронов, 1973). Флористический состав сегетального сообщества определяли глазомерным методом с минимальной площадью выявления в 30 м2 (Шенников, 1964). Список видов сорняков дополнялся по мере продвижения вдоль всех границ учетной площадки. Варианты опытов осматривались в течение нескольких проходов, причем так, чтобы ширина прохода при каждом обследовании не превышала 10м (Методика и техника учета сорняков, 1969). Динамическая плотность и обилие видов сегетальной флоры в посевах вычисляли методом относите]іьного учета при помощи постоянных учетных площадок в 1 м в 4-х кратной повторности по 8-9 штук на делянке (Туликов, 1974). Наряду с количественными гербологическими оценками численности сегетальной флоры в посевах нами использованы приемы глазомерной оценки состояния жизненности по Рауикиеру и развитости видов в фитоценозе (Горышина, 1979). Обработка фактического материала проводилась в пакете прикладной статистики «Снедекор» (Сорокин, 1992), а также в профессиональном пакете для обработки и анализа статистической информации STATISTICA 6.0 (2002).
История изучения и экология сорных растений
Историю изучения сорных растений искусственных фитосистем можно начать с опубликованной в 1773 году работы А.Т Болотова. В этой работе дана классификация сорных растений и указаны пути их распространения. В 1908 году создается бюро по прикладной ботанике сельскохозяйственного Ученого Совета. С этого времени начинают появляться работы, посвященные, в основном, географическому распространению сорных растений и исследованию их биологических свойств. В 1909 году появилась работа А.И.Мальцева «Элементы сорной растительности на полях Петербургской губернии», в которой предлагалась методика изучения засоренности посевов (Мальцев, 1909). А.И.Мальцев предлагает наименование ярусов в агроценозах и дает шкалу глазомерного определения их обилия.
Впервые, сорные растения рассматриваются, как растительное сообщество, в 1912 году в работе под названием «Пашенная растительность в отношении сообществ» (Короткий, 1912). М.Ф.Короткий пытается выяснить также причины, формирующие видовой состав и определяющую роль каждого вида в нем. Начинаются исследования морфологии сорняков, разрабатываются методы определения сорных элементов в урожае и. почве (Шевелев, 1912, Хитрово, 1912).
Определяющей в исследовании экологии сорных растений в искусственных фитосистемах является статья Н.В.Сукачева, которая вышла в 1919 году под названием «О задачах и программе деятельности Отдела Прикладной Ботаники». В ней определены задачи исследования сорной растительности, где особое внимание обращалось на изучение систематики, экологии и способов размножения сорняков в агрофитоценозах. Позднее появляются работы о способах вегетативного размножения сорных растений (Пачоский, 1922), о взаимовлиянии культурных и сорных растений в посеве (Попов, 1920). В 20-30-е годы по указанию профессора Казанского университета А.Я.Гордягина начинаются исследования засоренности посевов Татарской АССР (М.В.Марков), Чувашской АССР (А.Д.Плетнева-Соколова), Марийской АССР (А.Н.Васильева), Удмуртской АССР (А.И.Золотарев), Башкирской АССР (Р.Г.Минибаев). Важно подчеркнуть, что в этот период при проведении работ по организации колхозов и совхозов считалось обязательным обследование засоренности посевов будущих хозяйств. Эти исследования легли в основу для разработки мер борьбы с сорняками.
После Великой Отчественной войны интерес к исследованию засоренности посевов снизился, и было прекращено картирование засоренности посевов колхозов и совхозов. Несмотря на это, появляются крупные работы: С.А.Котта (1947, 1959), посвященные изучению направленности эволюции формирования биотипов полевых сорных растений; И.Г.Серебрякова(1959) изучающие развитие побегообразования в у травянистых многолетников; работы М.В.Маркова (1964) о взаимоотношениях между растениями в растительных сообществах (Терехина, 2000).
В современном понимании агрофитоценозы характеризуются определенным флористическим составом, структурой, взаимоотношениями организмов друг с другом и окружающей средой, саморегуляцией, динамичностью и историчностью, но отличаются от естественных формаций тем, что искусственно создаются человеком. Поэтому они проще по структуре, более кратковременно в своем существовании, исторические связи в них менее прочны и для поддержания своей устойчивости требуют дополнительных затрат энергии (Одум, 1986). Агрофитоценозы представляют собой градацию переходных форм от естественных фитоценозов через растительные сообщества, близкие К НИМ, к посевам, наиболее отличным от естественных фитоценозов (Воробьев, 1973). Агрофитоценоз в современной агроэкологии предлагается понимать как многолетнее явление, объединяющее много генераций монокультуры или последовательность культур в севообороте в пределах однородного участка поля (Милащенко, 1978; Миркин, 1986, Гродзинский, 1990; Жученко, 1997). Основными компонентами агрофитоценоза являются культурные и сорные растения, которые являются более или менее устойчивой системой и обладают явлением равновесной биологической массы (Марков, 1972). Сорные растения, входящие в состав агрофитоценоза как один из компонетов, формируют так называемое сегетальное сообщество, которое в определенной мере независимо от культурных компонентов агрофитоценоза, т.к. организовано банками семян и вегетативных зачатков, сохраняющихся в почве. Количественная представленность и соотношение вклада разных видов в сегетальное сообщество определяется комплексом факторов - погодой, фазой ротации севооборота, интенсивностью контроля.
Исходные параметры агрофитоценоза в значительной мере формирует человек путем выбора системы обработки почвы и высеваемых культур.
Б.М.Миркин (1990, стр.157) считает, что «...сорняки специализировались по их устойчивости к используемой системе борьбы с ними». После посева происходит корректировка состава агрофитоценоза в результате появления элементов саморегуляции за счет взаимоотношений растений и фитофагов. Роль вклада разных факторов в самоорганизацию агрофитоценоза понимается по-разному. Наряду с признанием конкуренции как соревнования за потребление ресурсов (Работнов, 1983, 1985, 1987; Злобин, 1986; Одум, 1986; Tsuzuki, Yamamoto, 1987; ТІ1тап,1988; Миркин, Розенберг, Наумова, 1989), многими исследователями в качестве главного или хотя бы существенного фактора организации агрофитоцеиозов указывается аллелопатия (; Einhelling, 1984; Wardee, 1987; Гродзинский,1989, 1990; Qasem, Hill, 1989). Однако остается невыясненным вопрос о степени аллелопатического влияния на культурное растение однодольных и двудольных сорных растений.
