Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретические основы биогеографического подхода к изучению и оценке агроландшафтов 13
1.1.Адаптивность и продуктивность агроэкосистем 14
1.2. Разнообразие метаболических путей фотосинтетической ассимиляции растений 19
1.3. Интродукция новых С4-растений - важный резерв повышения продуктивности аридных агроэкосистем 24
1.4. Поликультура как альтернативный путь интенсификации земледелия 33
1.5. Предпосылки к работе 35
2. Методология, объекты и методы исследования 37
2.1. Объекты, материал и схема исследования 37
2.2. Методика полевых опытов 39
2.3. Лабораторные методы анализа 41
2.4. Использование ИК-спектроскопии для анализа растительных и почвенных образцов 43
3. Природные ресурсы аграрного производства и их комплексная оценка 48
3.1. Районирование территории 48
3.2. Климатические особенности 51
3.3. Почвенный покров 55
3.4. Растительный покров 58
3.5. Опустынивание 63
4. Устойчивость и продуктивность кормовых агроландшафтов 68
4.1. Климатические условия мест проведения основных опытов 68
4.2. Адаптивный потенциал и продукционный процесс агроценозов сорго 69
4.3. Адаптивный потенциал и продукционный процесс агроценозов амаранта 87
4.4. Экологические основы конструирования смешанных агроценозов 100
4.5. Производственные испытания амаранта 104
5. Современное состояние и региональные перспективы устойчивого кормопроизводства 114
5.1. Современное состояние землепользования 114
5.2. Региональные аспекты устойчивого кормопроизводства 121
5.3. Биомелиорирующая роль амаранта 124
5.4. Продуктивность ландшафтно-адаптивных агроценозов 129
5.5. Система мониторинга кормовых агроландшафтов и качества сельскохозяйственной продукции 134
Заключение и выводы 140
- Разнообразие метаболических путей фотосинтетической ассимиляции растений
- Методика полевых опытов
- Почвенный покров
- Региональные аспекты устойчивого кормопроизводства
Введение к работе
Актуальность проблемы. Калмыкия - самый засушливый район на Европейской территории Российской Федерации. Представляя ландшафты 4 природных зон: степной, сухостепной, полупустынной и пустынной, территория республики занимает большую часть аридных земель всего Северо-Западного Прикаспия (79,4 %), меньшую часть их составляет правобережье Астраханской области и юг Волгоградской области (20,6%).
В аридных условиях Калмыкии, сельское хозяйство которой специализировано на производстве животноводческой продукции, повышение биопродуктивности кормовых агроландшафтов не может быть решено без обеспечения оптимизации использования природных ресурсов и управления хозяйственной деятельностью. В свете нового подхода в теории и практике землепользования, сущность которого заключается в создании устойчивых высокопродуктивных агроценозов, обладающих способностью к саморегуляции (Жученко, 1990; Кирюшин, 1995; Миркин, 1993), актуальной является биогеографическая оценка структуры, функционирования, устойчивости и продуктивности агроландшафта. Этому подходу в наибольшей мере отвечают С4-растения, эволюционно-географическое происхождение которых позволяет им эффективно использовать ресурсы среды за счет формирования высокопродуктивных;фотосинтетических систем (Hatch, 1971, 1978; Downton, 1972, 1975 и др.). Расширение регионального набора сортов и гибридов устойчивых и высокопродуктивных культур, к числу которых относится сорго - одно из условий повышения биопродукционной способности агроландшафта. Важное народнохозяйственное значение для аридных территорий имеет оценка возможности интродукции в заданные агроклиматические районы новых высокопротеиновых, экологически специализированных (биомелиоративных) растений, представителем которых является амарант. Районируемые и вновь создаваемые сорта должны сочетать в себе желаемую комбинацию хозяйственно-ценных признаков с высокой адаптивностью к неоднородным условиям географической среды. Важным резервом альтернативного пути интенсификации земледелия являются смешанные агроценозы (Бондаренко, 1988; Кузьмин, 1988; Кононов, 1995, Настинова, 2000). Стратегией сегодняшнего дня является управление хозяйственной деятельностью человека. Малоразработанным является вопрос управления хозяйственной деятельностью на основе агромониторинга, способного обеспечить географическое прогнозирование состояния почв и получение продукции высокого качества.
Решение этих вопросов может послужить научным обоснованием повьшения биопродукционной способности и устойчивости кормовых агроландшафтов, ресурсосбережения и оптимизации природопользования, обеспечения продовольственной безопасности аридной территории Калмыкии.
Цель и задачи исследований. Цель выполненных исследований - многоплановое биогеографическое изучение новых кормовых растений, научное обоснование ареалов их размещения и возделывания в условиях агроландшафтов с учетом природной зональности, а также разработка системы агромониторинга для устойчивого получения биологически полноценной продукции наиболее безопасными, ресурсосберегающими технологиями на аридной территории Республики Калмыкии.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• комплексно оценить природные условия и абиотические факторы по географическим районам республики и в местах проведения исследования;
•выявить адаптивный потенциал и биопродуктивность кормовых растений в период действия неблагоприятных факторов на различных этапах онтогенеза;
• провести экологическую и хозяйственную оценку амаранта как объекта интродукции в условиях моно- и поликультуры;
• определить географические ареалы размещения и возделывания кормовых агроландшафтов по природным зонам Калмыкии;
• разработать и внедрить контрольно-диагностическую систему управления кормовыми агроландшафтами и качеством продукции. Защищаемые положения:
1. Комплексная оценка абиотической среды и растительности как сопряженных объектов создания и использования агро- и фито-ценозов позволяет обосновать необходимость учета принципов географического подбора сельскохозяйственных культур и соответствия в системе «растения - абиотическая среда» для обеспечения рационального землепользования в Республике Калмыкия.
2. Оценка интегрального ресурса адаптивности и биопродуктивности сортов и гибридов сорго, наиболее перспективных для создания устойчивых агроландшафтов на территории Калмыкии.
3. Аридная территория Калмыкии является частью культигенно-го ареала для интродукции амаранта. Высокий адаптивный потенциал, ценные хозяйственные признаки амаранта, средообразующая функция определяют перспективность его для привлечения в культуру на аридных территориях.
4. Концепция устойчивого кормопроизводства, основные принципы создания адаптивных, высокопродуктивных, ресурсосберегающих кормовых агроландшафтов и научно-обоснованные ареалы размещения и возделывания их в условиях неравномерного распределения факторов природной среды аридной территории Калмыкии.,
5. Теоретическое обоснование, методическое обеспечение и реализация контрольно-диагностической системы мониторинга кормовых агроэкосистем.
Научная новизна. Проведен анализ материалов, комплексно оценивающих абиотическую среду и растительность как сопряженные объекты создания и использования фито- и агроценозов.
Проведена комплексная многоплановая биогеографическая оценка новых кормовых культур (сорго и амарант) в разных природных районах аридной территории Калмыкии в период действия и последействия неблагоприятных факторов в ритмах естественного хода изменений условий и на различных этапах онтогенеза растений.
Установлены наиболее устойчивые и продуктивные сорта и гибриды сорго. Впервые для аридных территорий юга России, в условиях Калмыкии проведена эколого-интродукционная оценка амаранта. Выделены перспективные экотипы для дальнейшей селекции.
Установлены закономерности метаболических процессов, коррелирующие с устойчивостью и продуктивностью агроландшафтов сорго и амаранта в зависимости от напряженности.метеоусловий и действия стресс-факторов. Установлены научные основы регулирования процесса формирования продуктивности и качества урожая в пределах фенотипической реакции сорго и амаранта. Выявлены критические этапы органогенеза и сортовые различия устойчивости растений к лимитирующим и наиболее значимым факторам.
Впервые для региона проведено сравнительное исследование адаптивности и продуктивности многокомпонентных агроэкосистем. Осуществлен подбор видов для конструирования смешанных агроце-нозов, отвечающих принципам взаимодополняемости и дифференциации экологических ниш согласно Л. Г. Раменскому (1925), снижающих конкуренцию за ресурсы и повышающих совокупный эффект продуктивности и сбалансированности по протеину. Установлены физиологически значимые показатели растений и выявлены условия наилучшего сочетания свойств растений с возможностью образования ими совершенных по структуре адаптивных и высокопродуктивных смешанных агроландшафтов.
Выявлена средообразующая роль амаранта, выражающаяся в рассолении вторично-засоленных и солонцеватых почв, улучшении физико-химических свойств.
Впервые, применительно к условиям региона, разработана контрольно-диагностическая система мониторинга, на основе оперативных методов определения состояния компонентов агроэкосистем с применением ИК-спектроскопии, обеспечивающая своевременное управление продукционным процессом в сельскохозяйственном производстве и получение продукции с высокими потребительскими свойствами.
Научно-практическая значимость работы. Результаты биогеографической оценки и мониторинга кормовых агроландшафтов на основе комплексного многопланового исследования адаптивности и продуктивности одно- и многокомпонентных агроценозов имеют первостепенное значение для оптимизации регионального землепользования, обеспечения продовольственной безопасности, решения проблемы дефицита кормового белка наиболее ресурсосберегающими и экологически безопасными методами, рационального и неистощи-тельного природопользования аридной территории Калмыкии и сопредельных территорий со сходными почвенно-климатическими условиями .
Результаты исследований позволили научно обосновать размещение кормовых культур с С4-ТИПОМ фотосинтеза по почвенно-климатическим зонам Калмыкии, разработать ресурсосберегающие приемы конструирования адаптивных высокопродуктивных двухком-понентных агроценозов взаимодополняемых видов растений. Предложенные виды, сорта, гибриды и приемы в производственных условиях могут обеспечить значительное повышение продуктивности и качества продукции, сбалансированной по протеину. Разработаны научно-обоснованные рекомендации производству.
Контрольно-диагностическая система оперативных методов измерений в сельскохозяйственном производстве может обеспечить высокий уровень потребительских свойств растительной продукции при производстве кормов, хранении, переработке и реализации. Проведены первоочередные мероприятия её внедрения.
Теоретические и практические разработки автора реализованы в научных публикациях, а также в виде глав и разделов в отчетах.
Результаты работы внедрены в Министерстве сельского хозяй ства РК, Министерстве природных ресурсов РК, Калмыцком Центре научно-технической информации, Калмыцком НИИСХ, ряде хозяйств республики.
Разработанные автором теоретические положения, методики широко используются в курсах лекций, а также при выполнении курсовых, дипломных и кандидатских работ на биологическом и аграрном факультетах КГУ.,
Фактический материал и личный вклад соискателя. В основу диссертации положены научные исследования, проведенные на кафедре ботаники и физиологии растений по планам НИР Калмыцкого госуниверситета (1989-2003 гг.): «Растительный мир Калмыкии, состояние и экологические особенности в условиях мелиорации земель» (1985-1990); «Растительный мир Калмыкии, охрана, рациональное использование и воспроизводство» (1991-2000), а также отраслевых целевых комплексных программ: Агропрома РСФСР «Разработать технологию возделывания амаранта в Калмыкии» (1989-1990); Минсельхоза,Республики Калмыкия «Качество кормовых культур в различных природных зонах Калмыкии» (1992-1994).
Автор участвовал в планировании полевых и лабораторных экспериментов. Личное участие автора заключается в организации и выполнении всех собственных исследований, сборе полевых и лабораторных материалов и их обработке, анализе и обобщении полученных результатов. В отдельных экспериментах, сборе и обработке данных принимали участие коллеги и студенты. Их вклад в работу отражен в совместных публикациях.
Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу доложены: на Международном симпозиуме «Амарант: биология, агротехника и использование» (Ташкент, 1993), Международной конференции «Экосистемы Прикаспия XXI веку» (Элиста, 1998), Международной конференции «Социально-экономические преобразования в Прикаспийском регионе: поиск оптимальной модели устойчивого развития» (Элиста, 2002), Между народной научно-практической конференции «Растительные ресурсы для здоровья человека (возделывание, переработка, маркетинг)» (Москва, 2002), Международной научно-практической конференция «Биоресурсы, биотехнологии, инновации юга России» (Пятигорск, 2003), VII Всесоюзной конференции молодых ученых «Роль ботанических садов в рациональном использовании и воспроизводстве растительных ресурсов» (Ташкент, 1990), VI Всесоюзном симпозиуме по новым кормовым растениям «Эколого-популяционный анализ кормовых растений естественной флоры, интродукция и использование» (Сыктывкар, 1990), III съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург, 1993), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива - 2002» (Нальчик, 2002), Межвузовской научно-практической конференции «Вузовская наука и проблемы региона: из настоящего в будущее» (Кисловодск, 2002), 1 региональной конференция молодых ученых «Новые и редкие растения Северного Кавказа» (Владикавказ, 2003), VI научно-практической конференция молодых ученых и специалистов (Элиста, 1990), научно-практической конференции, посвященной 80-летию М. Б. Нармаева (Элиста, 2000).
Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных аспирантских чтениях Калмыцкого ГУ (Элиста, 1993 -1996), заседаниях ученого совета и кафедр аграрного факультета КГУ (Элиста, 1997-2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части (4 глав), заключения, выводов, предложений;производству и библиографии, включающей 186 наименований, из них 12 на иностранных языках; работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 20 таблиц. В Приложении представлены 9 фото и 1 таблица.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., профессору кафедры ботаники и физиологии растений Калмыцкого госуниверситета Настиновои Галине Эрднеевне за внимание и поддержку при выполнении исследований, а также за доброжелательную критику и советы, способствовавшие совершенствованию и завершению диссертационной работы.
Разнообразие метаболических путей фотосинтетической ассимиляции растений
Как известно, в ходе своего эволюционного развития каждый вид растений приспособился к определенным почвенно-климатическим условиям своего произрастания. Такое приспособление наряду с изменчивостью и наследственностью стало одним из основных факторов естественного и искусственного отбора (Вавилов, 1965, 1966). В результате естественного отбора сформировались растения, обладающие, с одной стороны, принципиально сходными физиологическими функциями: фотосинтезом, дыханием, минеральным питанием, клеточной организацией. С другой стороны, растения обладают конкретной генетической информацией (генотип), явлющеися основой и движущим началом саморазвития организмов по индивидуализированным генетическим программам. Генотип составляет единство с внутриклеточной, внутриорганизменной средой и совокупностью физиологических,процессов и функций, определяя в конечном итоге физиотип. Особенности генов и физиотипов реализуются в морфо-, био- и экотипах, определяющих фундаментальные адаптивные качества генотипа. Растения на нашей планете проявляют поразительную способность приспосабливаться к окружающей среде, и это прекрасно иллюстрируют пути фотосинтетической фиксации С02 и их регуляция. Ведущая роль фотосинтеза в биосферных процессах определяет приоритетное положение проблемы фотосинтеза в современном естествознании.
Поскольку фотосинтез служит основой и роста, и продуктивности растений, не удивительно, что именно он выбран в качестве объекта исследований, целью которых является увеличение продуктивности агроэкосистем. Исследования 50-7Ох годов принесли большие успехи в понимании самых глубоких сторон физико-химической организации фотосинтеза (Ничипорович, 1955, 1972; Магомедов, 1969, 1988; Карпилов, 1970, 1972; Вознесенский, 1977; Заленский, 1977; Лайск, 1977; Hatch, 1971, 1972, 1978; Downton, 1972, 1975 и др.). Основной механизм фотосинтеза - это фиксация углекислоты в цикле фотосинтетического восстановления углерода, называемого циклом Кальвина (Calvin, Benson, 1948). Этот цикл называют С3-путем (С3-типом фотосинтеза) или циклом Кальвина, а растения, осуществляющие только реакции этого типа, называют С3-растени-ями (Тарчевский, 1964; Доман, 1967; Доман, Романова, 1965; Рубин, Гавриленко, 1977 и др.). Такие растения обычно растут в областях умеренного климата; оптимальная дневная температура для фиксации С02 у этих растений от 15 до 25 С. В силу своего эволюционно-географического происхождения и исторически соответствующих ареалов распространения представители С3-типа фотосинтеза реагируют снижением урожайности при возделывании в условиях, недостаточно отвечающих требованиям растений, что имеет самое серьезное значение для сельскохозяйственного производства в конкретном регионе (Вавилов, 1926).
Любой фактор, влияющий на урожайность этих культур, имеет самое серьезное значение для сельскохозяйственного производства. Механизм С4-пути фотосинтеза, впервые обнаруженный у двух тропических злаков (кукуруза и сахарный тростник) (Kortschak et al., 1957, 1965; Hatch, Slack,1966), широко распространен среди других видов растений. Его осуществляют 1500 видов, 90% из них сконцентрированы в семействах Gramineae, Amaranthaceae (Black, Mollenhauer,1971; Black, 1979). Он присущ также многим видам Сурегасеае, а также некоторым представителям Aizoaceae, Chenopodiaceae, Compositae, Euphorbiaceae и других семейств. С4-тип фотосинтеза характерен для видов-эдификаторов ксеротер-мических экосистем (пустынь, полупустынь, сухих степей) . Такая организация фотосинтеза имеет важное экологическое значение и определяет границы распространения и возможность существования С4-культур там, где ограничено функционирование С3-культур (табл. 1.1.) . В литературе вопросы влияния внешних факторов на путь углерода в С3-растениях освещены достаточно полно, чего нельзя сказать о С4-растениях (Тарчевский, 1964; Воскресенская 1965, 1975; Кар-пилов, 1972; Гуляев, 1974; Пьянков, 1983; Kagawa, Hatch, 1974; Ludlow, 1985 и др.). Остановимся на некоторых аспектах адаптивного преимущества С4-растений в аридных условиях. С4-растения лучше всего растут при высоких интенсивностях света и дневной температуре около 30-4 5С. Оптимум температуры С4-фотосинтеза более высок, в сравнении с С3-типом, а для некоторых представителей его находится за пределами даже этого диапазона (табл. 1.1). При повышенных температурах С4-растения сохраняют высокое отношение фотосинтеза к транспирации. Различная реакция С - и С4-растений на температуру определяется в значительной степени дифференцированным действием последней на активность ферментов ассимиляции углерода в фотосинтезе. Различные аспекты связи температуры и углеродного метаболизма, а также интенсивности фотосинтеза представлены достаточно полно в литературе (Божкова и др. 1976; Йорданов, 1977; Юзбеков, 1993; Murata, Iyama, 1963; Lownes, Hesketh, 1968 и др.). Отличительной чертой фотосинтеза С4-растений является све-толюбивость, т.е. по мере увеличения интенсивности света происходит возрастание поглощения С02 С4-растениями. Анализируя литературу по данному вопросу, следует отметить, что С4-растения светолюбивые формы, у которых максимальные скорости фотосинтеза возможны только при высоких интенсивностях света.
По данным Н. М. Поярковой (1974), усиление активности ферментов при этом ведет к активированию синтеза белка. Однако механизм активации ряда ферментов С4-фотосинтеза на свету неясен и требует углубленного исследования. Важной особенностью С4-растений является своеобразие их водного режима по сравнению с С3-формами. Возникновение альтернативных путей ассимиляции С02 способствовали, вероятно, ксеро-морфные условия окружающей среды. Показателем ксероморфности является приспособление к произрастанию в условиях засухи. Связь между обеспеченностью водой и углеродным метаболизмом подробно освещается в сводке И. А. Тарчевского (1964). При благоприятных для роста условиях в тропиках и субтропиках С4-путь позволяет достичь наивысшей продуктивности фотосинтеза. Для них характерны, во-первых, высокие скорости фотосинтеза (40-80 мг С02 фиксируется каждым квадратным дециметром поверхности листа в час; для С3-растений эти скорости составляют 15-40 мг С02 на 1 кв. дм. в час); во-вторых высокие скорости роста (4-5 г сухого веса на 1 кв. дм. поверхности листа за день, в сравнении с 0,5-2 г у С3-растений); в-третьих, малые скорости фотодыхания; в-четвертых, небольшие потери воды (250-350 г воды теряется при увеличении сухого веса на 1 г; С3-растения теряют 450-950 г) .
При учете всех факторов С4-растения оказываются более эффективными ассимиляторами С02, чем С3-растения, что позволяет им более экономно расходовать воду. Особенно существенно, что они сохраняют высокое отношение фотосинтеза к транспирации при повышенных температурах; это является характерным для аридных условий. 1.3. Интродукция новых С4-растений - важный резерв повышения продуктивности аридных агроэкосистем Под влиянием сильно различающихся почвенно-климатических условий в процессе длительной эволюции сформировалось богатейшее разнообразие как видового, так и экотипического состава растений. Более полное использование отечественной и зарубежной природной флоры в интересах человека имеет несомненное значение. Всестороннее изучение и вовлечение в генофонд новых видов кормовых растений определяется назавершенностью исследований по растительным ресурсам. Все возделываемые и вводимые в культуру виды кормовых растений в нашей стране тесно связаны с основными очагами и областями их происхождения и окультуривания, установленными Н. И. Вавиловым и дополненными Е. Н. Синской и Н. М. Жуковским (Вавилов, 1926; Синская, 1940; Жуковский, 1971).
Методика полевых опытов
Закладку опытов, анализ структурно-функционального состояния и биометрический учет урожайности растений проводили в полном соответствии с требованиями постановки полевых опытов (Доспехов, 1975; 1985) и методикой исследования агроценозов (Программа и методика биогеоценотических исследований, 1974) .Использовали агротехнические приемы, разработанные для используемых культур (Голь-дварг, 1990; Настинова, 1993). Было заложено более 50 (не менее 3-5 лет для каждой культуры) единичных и массовых опытов (около 300 за весь период исследований). Размещение делянок производилось рендомизированными блоками с учетной площадью делянок третьего порядка не менее 50-100 кв.м., в отдельных случаях -10-50 кв.м. По каждому виду растений определялись: сроки и способы посева, норма высева, проводили наблюдения и учеты за ходом развития растений, их ростом. Фенологические наблюдения согласно В. В. Прокофьеву (1989) на опытных участках велись постоянно, за начало фазы принималось наступление её у 10% растений, массовое у - 75%. Основной метод биогеографического изучения интродуцента -наблюдение за ним в разных условиях роста и развития, т.е. в разные периоды его жизни ив разнообразных местообитаниях, природных и произвольно изменяемых согласно Е. П. Коровину (1934), Д. Н. Кашкарову (1938), Б. А. Келлеру (1951). Для изучения семенообразования интродуцентов - растений амаранта ежегодно в начале цветения этикетировали по 100 одновременно цветущих растений, из числа которых отбирали пробы для анализов. Для каждого срока учетных и лабораторных анализов в одно и то же время суток (10 часов) отбирался статистически однородный материал: растения имели сходную морфологию и скорость роста (Ермаков, 1972).
Урожайность учитывалась поделяночно, путем укосов для кормовых культур. Урожай приводили к 100% чистоте и стандартной влажности. Достоверность прибавки урожая проверяли путем обработки данных урожайности методом дисперсионного анализа. Часть опытов была проведена в ряде хозяйств в полупроизводственных и производственных условиях, в том числе проводилась разработка технологий возделывания и переработки на корм амаранта. Выяснение возможностей использования амаранта в разных направлениях проводили путем изучения традиционных (Зубрилин, 1934) и прогрессивных (с применением химических консервантов) способов заготовки и хранения кормов (Бораев и др., 1983). В опыте использовались следующие варианты - обычный силос (без обработки), силос, обработанный бензойной кислотой, с нормой консерванта 2 кг на тонну массы; пиросульфат натрия, 3 кг/т; КНМК (концентрат низкомолекулярных кислот), 4 кг/т и муравьиной кислотой, 3 кг/т. В состав КНМК входит 24-32% муравьиной, 25-35% уксусной, не менее 5% пропионо-вой, до 5 % масляной и не более 35% воды. Силос закладывался из зеленой массы растений в земляные траншеи, обложенные полиэтиленовой пленкой. Влажность сырья по вариантам не имела существенных различий и составляла 74,3-76,8%. После.утрамбовки массы, каждая траншея была укрыта пленкой, а сверху слоем земли. Анализ химического состава был проведен через два месяца со дня закладки. 2.3. Лабораторные методы анализа
Для лабораторных исследований в 1993-1999 годы было отобрано и проанализировано более 500 проб растительных и почвенных образцов. Определяли основные параметры прорастания семян всех опытных растений (энергия прорастания, всхожесть), проводили раннюю диагностику устойчивости к стресс-факторам (Сорокин, 1979; Удовенко, Алексеев, 1972; Кожушко, 1976), роста, развития (морфофа-зу главного побега, основные этапы онтогенеза) (Куперман, 1955; 1969; Ерыгин, 1969), темп накопления сухого вещества по органам. В основу исследований скорости продукции сухой биомассы, динамики формирования площади листьев и фотосинтетической продуктивности были положены принципы В. Блэкмана (Blacman, 1919) и А. А. Ничипоровича с соавторами (1961). Количественное определение пигментов определяли на спектрофотометре СФ-4 6 (Рубин, Ладыгина, 1975) . Удельную поверхностную плотность листьев (УППЛ) растений, расчитывали в виде отношения сухой массы листовой пластинки и её площади. Суммарный показатель фотосинтетической деятельности - чистую продуктивность фотосинтеза, рассчитывали как прирост биомассы в единицу времени на единицу площади листа. Оценку биопродуктивности агроценозов С4-растений проводили, используя математический анализ роста (Фотосинтез и биопродуктивность: методы определения, 1989). Для работы использовался обширный арсенал общепринятых инструментальных методов изучения основных физиолого-бохимических параметров растительных объектов: водного обмена (Ермаков, 1972), активности ключевых ферментов азотного обмена нитратредуктазы (HP) и глутаматдегидрогеназы (ГДГ) in vitro (Ярош и.др., 1972), определение аминокислотного состава растений на аминоанализато-ре Hd-1400E (Чехословакия) (Перуанский, 1972), содержания проли-на с нингидриновым реактивом (Butes et al, 1973). Общепринятые методы анализа использовали для определения химического состава (Ермаков, Ярош, 1972; Арасимович, 1972) и питательности растений и кормов (Луковникова, Ярош, 1972; Лебедева, Усович, 1976) .Широко использовали методы физико-химических анализов почв (Агрохимические методы исследования почв, 1964; 1965; Аринушкина, 1979; Кауричев, 1980), в том числе метод Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ ы 2123-74, 2613-84) для определения гумуса, метод Мачигина и Бровкиной в модификации ЦИНАО (ГОСТ ы 2143-75, 26205-84) для определения подвижных форм фосфора и калия. Обработку экспериментальных данных, определение взаимосвязей между различными показателями функционирования растений в модельных опытах и в агроценозах на основе регрессионного анализа проводили с применением специальной программы прикладной статистики Stadia на ПЭВМ (Кулаичев, 1996). Достоверность средних арифметических из 4-6 кратных повторностей 3-4 лабораторных или полевых многолетних (3-5 лет для каждой культуры) единичных или массовых опытов определена при уровне значимости Р=О,05 (Стрелков, 1966; Лакин,1980). В процессе работы появилась необходимость в использовании более совершенных, оперативных аналитических методов для контроля качества пищевой и сельскохозяйственной продукции.
Применяемые в практике био- и агроэкологических исследований и изысканиях аналитические методы определения все меньше соответствуют современным технико-экономическим требованиям по таким показателям, как оперативность, трудоемкость, стоимость и точность анализа. Это обусловлено тем, что в основном в таких работах применяются традиционные методы аналитической химии, которые не могут обеспечить проведение массовых и экспрессных многокомпонентных анализов разных объектов (растений, почв, пищевой продукции и кормов). Применительно к региону эта задача решалась путем использования новых методов на основе ближней инфракрасной спектроскопии (БИК) (Настинова, 1994, 1996а, 19966; Настинова, Ташнинова, 1992) . Для получения спектров диффузного отражения использовали спектрофотометр 4500 фирмы NIRSystems (США, СССР, Индия), совместимый с персональным компьютером IBM PS/AT 486. Внешний вид и структурная схеме ИК-анализатора приведена на рис.2.3. Образцы находились в воздушно-сухом состоянии, измельченные до размера частиц не более 1 мм. Определение содержания сырого белка, жира, клетчатки золы, фосфора и кальция входит в схему оценки питательной ценности кормовых культур. По перечню определяемых показателей ИКС охватывает практически весь набор, так называемый «зоотехнический» анализ кормов, выполняемый в целях определения их химического состава, знание которого необходимо при разработке сбалансированных рационов для скота и птицы, рецептуры комбикормов. Химические методы определения этих веществ, несмотря на их усовершенствования, остаются в своей основе длительными, трудоемкими и не обеспечивают оперативности получения результатов, необходимых при организации правильного кормления сельскохозяйственных животных. Используемый метод обеспечивает повышение в несколько раз производительности труда по сравнению со стандартными химическими методами, отличается простотой работы на приборах и пробо-подготовкой, чем создает предпосылки для решения практических вопросов и ускорения научно-технического прогресса в сельском хозяйстве и перерабатывающей промышленности.
Почвенный покров
Формирование современного почвенного покрова тесно связано с недавней геологической историей, с неоднократными опусканиями и вызванных ими; ингрессиями вод морских бассейнов в третичный и четвертичный периоды. Сухость климата и гидрографическая бес-сточность способствовали тому, что значительные массы воднора-створимых солей,, оставшихся в осадках отступивших морей не были удалены за пределы этой территории, а подвергались в основном лишь процессам местного перераспределения по различным формам макро- и микрорельефа. Характеризуя Прикаспийскую низменность, И. П. Герасимов (1939, стр.238) пишет, что засоленность пород обусловила здесь широкое развитие весьма разнообразных и динамичных сочетаний и комплексов солонцово-солончаковых почв под специфической сухо-и солеустоичивои растительностью. Почвы Калмыкии представлены различными типами (Владимиров, Губанов, 1971). Наиболее плодородны предкавказские черноземы (Филин, 1992),, которые комплексируются с солонцами, солончаками и лугово-каш-тановыми почвами западин. Чернозёмы содержат от 3 до 5% гумуса, общего азота - 0,17...0,30%, валового фосфора - от 0,16 до 0,20%, калия - 1,5...2,1%. Мощность гумусового горизонта доходит даЛО см. Опыт орошения черноземов показывает, что эти почвы при благоприятном увлажнении и в условиях высокой культуры способны обеспечить получение высоких урожаев сельскохозяйственных растений. Кроме черноземов для юго-западной части республики характерны также темно-каштановые и каштановые почвы. Темно-каштановые почвы тяжелого механического состава гумуса содержат от 2,8...3,5%,. общего азота --0,16...0,25%, фосфора - 0,12...0,6% и калия 1,4...1,7%.
Мощность гумусового горизонта доходит до 65 см. (Зонн, 1970; Джиджиков и др., 1972), но у сильносолонцеватых разностей этот горизонт укорочен до 15-18 см (Антипов-Каратаев, 1954). Водно-физические свойства солонцеватых разностей закономерно хуже: низкая водопроницаемость, заплывание во влажном состоянии и др. Каштановые почвы характеризуются большой пестротой по механическому составу, но преобладают глинистые и тяжелосуглинистые почвы. От темно-каштановых почв отличаются более светлой окраской, укороченным гумусовым горизонтом (до 40 см), содержание гумуса (1,8...3,0%), общего азота (уменьшается до 0,19%). Эти почвы средне обеспечены фосфором и хорошо подвижным калием. Содержание Na в почвенном поглощающем комплексе хотя и невелико (меньше 2-3.5%), но этим почвам свойственна так называемая остаточная солонцеватость, т.е. обогащение гидрофильными коллоидами. А это также ухудшает все физические свойства, особенно строение т.е. соотношение капиллярной и некапиллярной скважности (Андреев, 1961) . Черноземы, темно-каштановые и каштановые почвы оцениваются как хорошие для сельскохозяйственного производства. Именно эти типы почв в системе богарного земледелия обеспечивают устойчивое решение Продовольственной проблемы в республике, чему безусловно благоприятствует огромный приход фотосинтетически активной радиации (ФАР)., Вместе с тем, эти почвы нуждаются в улучшении путем внесения удобрений, рациональной обработки, оптимальных севооборотов и возделывания культур-мелиорантов.
Почвенный покров Ергенинской возвышенности состоит из четко выраженных комплексов светло-каштановых почв, солонцов и луго-во-каштановых почв. Причем первый тип является, зачастую, господствующим компонентом. Светло-каштановые почвы характеризуются различным механическим составом при наибольшем распространении среднесуглинистых почв. Мощность гумусовых горизонтов до 2 6 см, содержание гумуса от 1,2 до 2,5%. По запасу питательных веществ светло-каштановые почвы следует отнести к группе почв с достаточным количеством подвижных форм калия и фосфора, а азот находится в первом минимуме (Болышев, 1972) . Светло-каштановые почвы в большинстве своем солонцеваты (от слабой до сильной степени) и засолены. Степень и типы засоления различны, от более токсичного для растений содового до менее токсичного сульфатного при доминанте хлоридного засоления (Иозефович, 1929; Щеглов, 1930; Ковда, 1946; Джиджиков и др., 1972; Ташнинова, 1980). Распределение легкорастворимых солей в почвенном профиле находится в прямой зависимости от глубины проникновения влаги и её перемещения при обсыхании почвенной толщи. Максимальное скопление солей отмечается обычно на глубине 60-70 см, а также в заметных количествах они могут встречаться на глубине 125-175 см (Болышев, Бирюков, 1967). Солонцеватость и засоленность светло-каштановых почв обусловливают определенные трудности при возделывании на них сельскохозяйственных культур и диктуют необходимость тщательного подбора растений при соблюдении всех агротехнических мероприятий. В Прикаспийской низменности гетерогенность почвенного покрова сохраняется в силе, но господствующее положение здесь занимают бурые полупустынные почвы. По Л. П. Будиной (1974) этот тип почв контактирует здесь, как и в пределах полупустынной зоны, с лугово-бурыми полупустынными почвами и с солонцами различной гидрологии, а также по Н. Н. Болышеву (1972) с массивами незакрепленных, либо частично закрепленных растительностью песков и солончаками.
По механическому составу бурые почвы подразделяются на легкосуглинистые, супесчаные и песчаные. Они малогумусные (от десятых доле до 1,5%), несолонцеваты и солонцеваты (от слабой до сильной степени), почвенно-поглощающий комплекс в основном насыщен кальцием и магнием (Будина, 1974; Хабаров, 1978 и др. ) . Чем выше солонцеватость, тем более уплотнен иллювиальный горизонт. Засоления может и не быть, а при его наличии - разнообразие как по составу солей, так и по их содержанию в почвенном профиле; чаще засоление солончаковатое и глубокосолончаковатое; основная масса солей представлена хлоридами (Лачко, 1991) . В связи с легкостью механического состава бурые почвы зро-зионноопасны, а низкое содержание органических и минеральных веществ в совокупности с засолением делают их малопригодными для возделывания сельскохозяйственных культур. Солонцы, входя в состав почвенных комплексов всех районов территории Калмыкии, различны как по мощности надсолонцового горизонта (корковые, мелкие, средние), так и по гидроморфности. Вполне понятно,что солонцы, сопутствующие господствующим в почвенном покрове типам почв, различаются по ряду свойств, но, судя по отдельным публикациям (Вадюнина, 1959; Болышев, 1972 и др.) общими чертами для них являются насыщенность поглощающего комплекса кальцием и магнием, в то время как содержание поглощенного натрия сравнительно невысокое, в лучшем случае -15-23% от суммы поглощенных оснований. Количество гумуса в верхнем горизонте солонцов колеблется в довольно широких пределах от 0,5 до 3,2%, что больше, чем в зональных светло-каштановых и бурых почвах.
Преобладают солончаковое и солончаковатое засоление, основная масса солей представлена хлоридами, водно-физические свойства неблагоприятны для жизни растений. Эта зона является границей возможного богарного земледелия. 3.4. Растительный покров Почвенно-климатические условия территории республики предопределили своеобразие и состав флоры и растительности (Барбот де Марни, 1868; Краснов, 1886; Пачосский, 1892; Димо, Келлер, 1907; Бегучев, 1928; Цаценкин с сотр., 1936, 1952, 1957; Максимова,. 1954, 1958; Бананова, Горбачев, 2000, Бакташова, 1994; Бакинова, 2000; Лачко, Суслякова, 1997 и др., Высоцкий, 1915, Агроклиматические ресурсы Калмыцкой АССР, 1974). Фитоценологические исследования в Калмыцких степях впервые в России провел И.К.Пачосский (1892) . Видовой состав растений имеется также у И.Борщева (1895) И Г.И.Танфильева (1894). В XX веке природным явлениям и процессам дается экологическое обоснование. Первые исследования этого плана на Ергенях провели ботаник Б.А.Келлер и почвовед Н.А.Димо. В классическом труде авторов «В области полупустыни» (1907) впервые описана мозаичность растительного покрова северной части Каспийской полупустыни, её зависимость от рельефа местности и других факторов среды. Характер растительности объясняется влиянием таких факторов, как почвы, микрорельеф, климат.
Региональные аспекты устойчивого кормопроизводства
Территория Калмыкии по геологии, гидрологии, литологии не однородна. На фоне общих суровых природно-климатических условий семиаридной и аридной зоны есть обширные территории, где сформировались благоприятные условия для возделывания сельскохозяйственных культур, что подтверждается рядом литературных данных и проведенного нами анализа эколого-географических особенностей территории. В основу размещения сельскохозяйственных площадей необходимо положить не прямолинейное выращивание, а ландшафтное, приуроченное к тем местам, где рост и продуктивность культур гарантированы природой. Такой подход совершенно меняет взгляды на проблему землепользования и на пути её решения. Практическая работа заключается в том, чтобы в пределах каждой ландшафтной единицы выявить землепригодные площади, оценить их возможности и рекомендовать соответствующие культуры и агротехнику их выращивания. Все это в конечном итоге позволит прогнозировать продуктивность на основе объективных данных. В ограниченных хозяйственных условиях необходимо использовать альтернативные пути для полного использования биоклиматического потенциала региона для высокого уровня фитометрических, фотосинтетических и энергетических параметров формирования урожаев в кормовых агрофитоценозах, обеспечивающих стабильное повышение существующего уровня урожайности и качества растениеводческой продукции экологически безопасными и ресурсосберегающими способами. В республике, сельское хозяйство которой специализировано на производстве животноводческой продукции, создание прочной кормовой базы имеет первостепенное значение. Высокоинтенсивное кормопроизводство в республике могут обеспечить принципиально новые высокоэффективные возможности повышения продуктивности аридных агроценозов на основе разных форм С растений.
Создание адаптивных высокопродуктивных аридных агроэкосистем в полном соответствии в системе «растения - абиотическая среда», из числа сельскохозяйственных культур различного географического происхождения, исходя из правила экологической индивидуальности растительных видов Л.Г.Раменского, - одно из основных направлений рационального землепользования в рамках решения проблемы продовольственной безопасности региона. Концепция устойчивого кормопроизводства на аридной территории Калмыкии базируется, с одной стороны, на более полной реализации адаптивного потенциала растений, а с другой, на максимально возможном использовании экологических ресурсов среды. Этому подходу в наибольшей мере отвечают С4-растения, эволюционно-географичес-кое происхождение которых позволяет им эффективно использовать ресурсы среды за счет формирования высокопродуктивных фотосинтетических систем (Hatch, 1971, 1978; Downton, 1972, 1975 и др.). Основными доминантами такой концепции, обеспечивающей повышение продуктивности аридных агроценозов региона, являются: а) переход к зональной специализации землепользования в республике, обеспечение экологизации применяемых и вновь вне дряемых технологий с адаптацией их к почвенно-климатическим условиям ре гиона; б) оптимизация структуры и уменьшение посевных и орошаемых площадей, особенно в полупустынной зоне Прикаспийской низменно сти, с сохранением наиболее оптимального соотношения пашня-луг- лес (в условиях Калмыкии не более 10% пашни); переоценка земель по использованию земель под пашни и пастбища; в) научно обоснованное использование почвенно-климатичес- ких условий с адаптивным размещением в условиях неравномерного распределения факторов природной среды разных зон максимально приуроченных к ним сельскохозяйственных культур, препятствую щее тем самым потенциальной опасности проявления засоления, водной и ветровой эрозии; г) при ограниченности земельных угодий сбалансированное использование в кормопроизводстве адаптивных интенсивных сортов новых кормовых культур с С4-типом фотосинтеза (сорго, сор-го-суданковые гибриды), в том числе нетрадиционных (амарант), обеспечивающих преобразование большего количества внешней энергии в качественную зеленую массу; г) рекультивация засоленных, деградированных земель, включая использование биомелиорантов как дикорастущей флоры, так и нетрадиционных культур, в том числе амаранта, с последующим переводом их в пастбища; д) переход от монокультуры к поликультуре; е) управление продукционным процессом и мониторинг агро- ценозов на основе современных методов экспресс-контроля ком понентов агроэкосистем. Исходя из современного состояния народного хозяйства Калмыкии, необходимости перехода к устойчивому состоянию и обеспечения Продовольственной безопасности региона в развитии отраслей растениеводства в ближайшие годы должен быть осуществлен переход к адаптивной интенсификации в землепользовании, внедрению энерго- и материалосберегающей политики хозяйствования.
Агропромышленный комплекс должен развиваться в направлении многоукладности хозяйственно-культурных типов, вытекающих из природно-географических условий Северо-Западного При-каспия, как традиционных, так и принципиально новых. Важнейшим условием адаптивности сельскохозяйственного производства должно стать эффективное использование многообразных и неравномерно распределенных на территории региона почвенно-климати-ческих и погодных факторов. Наметившиеся тенденции снижения плодородия почвы и загрязнение окружающей среды требуют нового подхода к использованию перспективных кормовых культур и технологий. Адаптивные сорта нового типа на неизменной площади сельхозугодий преобразовывают большее количество внешней энергии в зеленую массу, позволяя интенсифицировать использование земли: больше к единице площади земли прилагать ресурсов и больше с нее получать зерновой продукции. При ограниченности земельных угодий путь использования интенсивных сортов нового типа, путь интенсификации кормопроизвод-ста является единственно возможным для увеличения производства кормов хорошего качества. Отечественный опыт показал высокую эффективность биологической мелиорации засоленных земель путем использования дикорастущих растений-фитомелиорантов, способных произрастать и формировать высокие урожаи кормовой массы в условиях засоленных местообитаний аридных территорий (Костычев, 1912; Ковда, 1967; Антипов-Каратаев, Бегучев П.П., Черкасова и др, 1983; Шамсутди-нов, 1994 и др.). Фитомелиорация - наиболее дешевый и экологически чистый вид мелиорации. Высокая солеустойчивость сорговых культур и способность расти на засоленных землях общеизвестна и подтверждена нашими данными. 5.3. Биомелиорирующая роль амаранта На основании фактического материала многолетних исследований установлена возможность рекультивации и улучшения пахотных земель путем возделывания амаранта.
Исходя из высокой толерантности растений амаранта к засолению, нами в 1993-1999 гг. проводилась фитомелиорация засоленных орошаемых земель в производственных условиях ТОО «Первомайское» Приютненского района с использованием амаранта багряного. Почвы опытного участка -светло-каштановые в комплексе с солонцами; комплексы солонцов и сильносолонцеватых почв занимают до 50% всей площади. Экспозиция склона юго-западная с уклоном 3-5, рельеф участка представляет собой волнистую равнину, расчлененную микрозападинами. Характерные черты почвенного покрова опытного участка - невысокое содержание гумуса, малая мощность перегнойных горизонтов. Характеристика почвы опытного участка представлена в таблицах 5.1 и 5.2.
