Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Конкурентоспособность и эдификаторная роль культурных растений в агрофитоценозах
1.1 Агрофитоценоз как экосистема 8
1.2 Сорные растения как компонент агрофитоценоза 15
1.3 Эдификаторная роль и конкурентоспособность культурных растений в агрофитоценозах 27
1.4 Сортовые особенности конкурентоспособности культурных растений 43
1.5 Аллелопатические взаимодействия культурных и сорных растений 47
1.6 Фитоценотические меры борьбы с сорными растениями 64
ГЛАВА 2 Материал, методика и условия проведения исследований
2.1 Материал исследований 81
2.2 Методы исследований 84
2.3 Природные условия
2.3.1 Тюменская область 88
2.3.1.1 Северная лесостепь 92
2.3.1.2 Южная лесостепь 96
2.3.2 Степная зона Северного Казахстана 99
ГЛАВА 3 Эколого-биологический анализ сегетальной флоры агрофитоценозов зерновых культур
3.1 Список видов сегетальной флоры 105
3.2 Таксономический анализ 112
3.3 Ареалогический анализ 128
3.4 Анализ жизненных форм 131
3.5 Экологические группы сорных растений 136
ГЛАВА 4 Количественная характеристика сорного компонента агрофитоценоза
4.1 Численность сорных растений 141
4.2 Биомасса сорных растений 166
4.3 Сортовые особенности засоренности зерновых агрофитоценозов 174
ГЛАВА 5 Морфофртзиологические параметры конкурентоспособности культурного компонента в условиях засорения зерновых агрофитоценозов
5.1 Высота растений 187
5.2 Площадь листьев и фотосинтетический потенциал 194
ГЛАВА 6 Урожайность зерновых культур и элементы ее структуры в связи с условиями засорения
6.1 Урожайность и элементы ее структуры 206
6.2 Корреляционная зависимость урожайности зерновых культур с параметрами засоренности агрофитоценозов 218
ГЛАВА 7 Аллелопатические взаимодействия культурных и сорных растений в модельных опытах 226
Общие выводы 236
Предложения производству 240
Список литературы 241
Приложения 270
Введение к работе
Актуальность темы. В системе управления фитосанитарным состоянием агрофитоценозов на современном этапе концепция борьбы с сорняками сменяется концепцией управления сорным компонентом агрофитоценоза с целью повышения эффективности использования ресурсов среды обитания (Захаренко В.А., 1999, 2000; Баздырев, 2002; Туликов, 2002).
В настоящее время в научном и методологическом плане четко оформился фитоценологический подход к изучению сорных растений, в основе которого лежит учение о полевых растительных сообществах, или агрофитоценология.
Наиболее важный элемент фитоценотического подхода к изучению агрофитоценоза как сложной биологической системы — методы полевой и экспериментальной геоботаники. Они предполагают выявление флористического состава сообщества сорняков, характеристики обилия видов, их фенологического состояния, размещения во времени и пространстве (Протасова, Ларина, 2002).
Распространение сорных растений в посевах тех или иных культур связано с конкретным местообитанием и в значительной мере определяется конкретными экологическими требованиями видов, их отношением к абиотическим факторам среды (Смирнов, Нечаев, 1990).
Популяции сорных растений, практически повсеместно присутствуют в структуре агроценозов, образуя в совокупности сорный компонент со специфическим для каждого поля видовым составом и численностью отдельных видов сорняков, а также потенциальным запасом в почве их семян и органов вегетативного размножения. Сформировавшиеся в процессе многовековой истории земледелия современные популяции сорных растений приобрели комплекс свойств, позволяющих им противостоять интенсивному антропогенному воздействию.
Популяционный состав сорных растений может изменяться в зависимости от культур в условиях одного экотопа под действием
эдификаторной роли культурного растения и в одной и той же культуре на фоне разных экотопов (Маркова, 1971).
Главной задачей системы управления сорным компонентом агрофитоценоза - является обеспечение эдификаторной роли культурного компонента в присутствии незначительного количества сорных растений, не оказывающих заметного влияния или стимулирующих рост и развитие культурных растений за счет взаимоположительного аллелопатического влияния.
В связи с этим актуальным является изучение взаимосвязи в системе сорный компонент - культурное растение в различных почвенно-климатических и агрометеорологических условиях, направленное на снижение антропогенной нагрузки в комплексе борьбы с сорными растениями в агрофитоценозах.
Цель исследований. Обоснование системы управления компонентами агрофитоценоза, направленной на активизацию природных механизмов, регулирующих взаимоотношения культурного и сорного компонентов, что способствует повышению продуктивности агроэкосистемы.
Задачи исследований:
- изучить видовой состав, численность, жизненные формы,
экологические группы сорно-полевых растений в агрофитоценозах зерновых
культур в различных почвенно-климатических зонах Тюменской области и
Северного Казахстана;
- определить особенности эколого-географического распространения
сорно-полевых растений в изучаемых регионах;
выявить биологические группы сорно-полевых растений как научную основу для разработки мероприятий по борьбе с ними;
изучить особенности взаимодействия в системе «сорняк -культурное растение» у различных сортов зерновых культур;
- изучить продуктивность культурного компонента в связи с изменением сорного компонента в агрофитоценозе;
изучить * аллелопатические взаимоотношения проростков
культурных и сорных растений.
- дать оценку конкурентоспособности сортов зерновых культур в условиях засорения
Научная новизна. Впервые в условиях Северного Зауралья и Северного Казахстана проведен сравнительный анализ видового состава, жизненных форм и экологических групп сорных растений, произрастающих в агрофитоценозах зерновых культур; ботанико-географический анализ сегетальной флоры различных почвенно-климатических зон. Выявлены различия сегетальной флоры по природным зонам. Дана оценка конкурентоспособности сортов зерновых культур в условиях засорения. Положения, выносимые на защиту.
Снижение видового разнообразия сегетальной флоры в направлении от северной части лесостепной зоны к степной зоне.
Максимальную конкурентоспособность в условиях засорения проявляет в северной лесостепной зоне яровой ячмень, в южной части лесостепной зоны - озимая рожь, в степной зоне — овес посевной.
3. Снижение корреляционной зависимости между урожайностью и элементами ее структуры в засоренном посеве в сравнении с чистым от сорных растений.
4. Наибольшему ингибирующему влиянию вытяжек из сорных растений у изученных зерновых культур подвержено прорастание семян культурного растения.
Практическая значимость. Проведено изучение сегетальной флоры агрофитоценозов зерновых культур в различных почвенно-климатических и агрометеорологических условиях, оценка конкурентоспособности культур и сортов в условиях засорения с целью снижения антропогенной нагрузки в комплексе борьбы с сорным компонентом сообщества. Результаты
Результаты исследований используются при чтении лекций по общей экологии в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на конференции аграрных учебных заведений «Новые аспекты аграрного образования: от производства к развитию сельских территорий» (Тюмень, 2000); на международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию образования КГСХА им. Т.С.Мальцева (Курган, 2004); на международной научно-практической конференции, посвященной году Пушкина в Казахстане и году Абая в России «Россия и Казахстан: путь дружбы, диалог культур, интегрирования образования и науки» (Кокшетау, 2006); на международной научно-практической конференции «Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии» (Барнаул, 2006); на международной научно-практической конференции «Энтузиазм и творчество молодых ученых в развитии фундаментальной и прикладной науки» (Троицк, 2006); на международной научно-практической конференции «Валихановские чтения -14» (Кокшетау, 2007); на международной научно-практической конференции «Аграрные проблемы Северного Зауралья» (Тюмень, 2007), на международной научно-практической конференции «Биология: теория, практика, эксперимент» (Саранск, 2008), на III международной научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Барнаул, 2008).
Объем и структура диссертации.
Диссертация изложена на 327 страницах машинописного текста и состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, списка литературы и приложений. Список литературы включает 278 наименований, в том числе 25 иностранных авторов. Диссертация включает 105 таблиц, 38 рисунков и 50 приложений.
Агрофитоценоз как экосистема
В системе управления фитосанитарным состоянием сельскохозяйственных угодий на основе интегрированной защиты растений от вредителей, болезней и конкуренции сорняков центральное место занимает фитосанитарный мониторинг — оценка видового состава и уровня распространения вредных организмов. Данные о фитосанитарном состоянии и экономические пороги вредоносности вредных организмов представляют основу для оценки целесообразности проведения защитных мероприятий. В настоящее время в научном и методологическом плане четко оформился фитоценологический подход к изучению сорных растений, в основе которого лежит учение о полевых растительных сообществах, или агрофитоценология. Агрофитоценология — учение о полевых группировках растений — агрофитоценозах, составляющих в совокупности полевую культивируемую растительность (Часовенная, 1975).
По мнению М.В. Маркова (1972) агрофитоценоз — это форма совместного существования организмов, содержанием которого являются те сложные биоценотические отношения, которые связывают между собою все компоненты арофитоценоза в единую саморегулирующуюся и развивающуюся в пространстве и во времени систему.
Агрофитоценозы характеризуются определенным флористичесикм составом, структурой, взаимоотношениями организмов друг с другом и окружающей средой, известной саморегуляцией, динамичностью и историчностью, но отличаются от естественных формаций тем, что создаются искусственно человеком, проще по структуре, чем естественные, более кратковременны в своем существовании, исторические связи в них менее прочны, для поддержания своей устойчивости требуют дополнительных затрат энергии (Одум, 1986).
Доминантами агрофитоценозов являются культурные растения и их роль в создании внутренней среды фитоценоза, его местообитания, является ведущей (Терехина, 1975).
Доминанты агрофитоценоза - культурные растения по составу и по плотности популяции непосредственно контролируются человеком.
Эдификаторы — , это основные строители сообщества, «перестраивающие, глубоко преобразовывающие занимаемую ими среду» (Раменский, 1938). , .
В зависимости от характера воздействия доминантов Л.Г. Раменский (1938) выделяет следующие фитоценотипы:
1. Доминант сильный, настоящий эдификатор — оказывает существенное влияние на наиболее устойчивые признаки сообщества (видовой состав, состав жизненных форм);
2. Доминант со средними эдификаторными свойствами — определяющее значение его сказывается лишь на количественных соотношениях между видами.
3. Доминант слабоэдификаторный, обладающий незначительным фитоценотическим эффектом.
Сегетальные виды — второй обязательный (или почти обязательный) компонент агрофитоценозов, который при контролируемой численности видов не снижает урожая и нормализует экологическую обстановку в агрофитоценозе. При контролируемой численности (ниже экономического порога, когда затраты на контроль численности ниже, чем получаемая прибавка урожая) сегетальные виды, обладая более глубокой корневой системой, интенсифицируют круговорот веществ между поверхностными и более глубокими горизонтами почвы, защищают от эрозии пропашные культуры. Они создают благоприятный аллелопатический режим в почве, что препятствует развитию почвоутомления и способствует активизации деятельности почвенных микроорганизмов (Миркин, 1981; Миркин, Розенберг, 1984; Миркин и др., 1989).
Список видов сегетальной флоры
Нами изучены закономерности произрастания сегетальной флоры в агрофитоценозах зерновых культур в почвенно-климатических зонах северной лесостепи, южной лесостепи и степной зоны.
Сегетальная флора агрофитоценозов яровой пшеницы в течение 1999
— 2006 гг. исследования была представлена 52 видами сорных растений (приложение 2).
В таблице 4.1.1 представлены наиболее распространенные виды сорных растений агрофитоценозов яровой пшеницы. Из многолетних сорных растений в разные годы наиболее часто встречались во всех трех почвенно-климатических зонах Convolvulus arvensis и Sonchus arvensis, из малолетних яровых - Echinochloa crusgalli, Atriplex patula, Chenopodium album, Setaria glauca, Amaranthus retroflexus, из зимующих - Matricaria inodora.
В северной лесостепной подзоне преобладали по численности Chenopodium album, Echinochloa crusgalli, Eqisetum arvense, Stellaria media, Thlaspi arvense.
В южной лесостепной подзоне наиболее обильно встречались Amaranthus retroflexus, Convolvulus arvensis, Lactuca tatarica, Setaria glauca,
В степной зоне доминировали по численности следующие виды сорных растений: Amaranthus retroflexus, Atriplex patula, Avena fatua, Convolvulus arvensis, Lactuca tatarica, Setaria glauca,
Во все годы исследований в северной лесостепной подзоне преобладали по видовому составу однолетние яровые сорные растения (53,8 - 71,4 % от числа всех сорняков), число многолетних видов изменялось от 13,3 до 30,8 %, зимующих - от 7,1 до 26,7 % от всех сорных растений.
Численность сорных растений
Вес и численность сорных растений, по мнению М.И. Лукиных (1996), отражают разные стороны взаимоотношений в сообществе. Количество сорных растений отражает взаимодействие в поверхностном слое почвы, на небольшой высоте, а также на начальных фазах развития растений. Вес сорного компонента характеризует ценотические взаимоотношения в среднем и верхнем ярусе на более поздних этапах развития.
В наших исследованиях максимальную биомассу многолетние сорные растения в агрофитоценозах яровой пшеницы в условиях северной лесостепной подзоны развили в благоприятном 2003 году (34,4 % от всей биомассы сорных растений), когда теплообеспеченность и количество осадков было несколько выше нормы. Зимующие сорные растения развили наибольшую надземную биомассу в 1999 году (39,9 % от всей биомассы сорных растений), когда температура воздуха была ниже среднемноголетних значений, а влажность - выше нормы (рис. 21).
Полученные данные говорят о том, что для развития многолетних сорных растений в условиях Северного Зауралья важное значение имеет как температура, так и количество осадков. Для развития надземной биомассы зимующих сорных растений более важным является количество осадков.
Сравнение соотношения биологических групп сорных растений по численности и сухой биомассе по годам исследования не выявили прямой зависимости между этими параметрами. Это объясняется тем, что в одном году метеорологические условия способствовали формированию более значительной численности сорных растений, а в другие — накоплению ими биомассы при одновременном снижении ими численности. Кроме того, даже при относительно равной численности изученные нами виды сорных растений значительно различались по сухой биомассе.
