Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние изученности вопроса 8
1.1 История культуры Miscanthus giganteus и её значение 8
1.2 Эколого-биологическая характеристика культуры 17
1.3 Технология выращивания мискантуса гигантского 22
2 Условия и методика проведения исследований 30
2.1 Погодные условия в годы проведения исследований 30
2.2 Методика проведения исследований 36
3 Продуктивность мискантуса гигантского первого года жизни в зависимости от способов борьбы с сорняками 42
3.1 Динамика нарастания надземной массы мискантуса гигантского 42
3.2 Формирование корневой системы перед уходом в зиму 51
3.3 Фотосинтетическая деятельность посадок 56
3.4 Засоренность агроценоза мискантуса гигантского 65
3.5 Урожайность надземной массы мискантуса гигантского 77
3.6 Качество сухой массы мискантуса гигантского 82
4 Особенности роста и развития мискантуса гигантского второго года жизни 85
4.1 Густота стояния растений после перезимовки 85
4.2 Развитие корневой системы 87
4.3 Фотосинтетическая деятельность агроценоза мискантуса гигантского 90
4.4 Продуктивность и качество сырья мискантуса гигантского 98
5 Экономическая эффективность способов борьбы с сорняками при возделывании мискантуса 108
Заключение 112
Предложения производству 114
Список литературы 115
Приложения 134
- Технология выращивания мискантуса гигантского
- Фотосинтетическая деятельность посадок
- Урожайность надземной массы мискантуса гигантского
- Продуктивность и качество сырья мискантуса гигантского
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время идет активный поиск быстро возобновляемых растительных источников для многоцелевого использования. Одним из направлений является введение в агрокультуру таких растений, которые дают большие урожаи биомассы с высоким содержанием целлюлозы. Наряду с известными видами в практику активно внедряются новые растения, в том числе мискантус гигантский (Шумный В.К. и др., 2010). Это многолетнее травянистое растение семейства мятликовых, которое рассматривают как сырьевой источник недревесного происхождения, используемый для сохранения медленно возобновляющихся лесных массивов и выращиваемый традиционными методами сельского хозяйства.
Обладая высокой скоростью накопления биомассы, растение не конкурирует с продовольственными культурами за землю и может произрастать на непродуктивных почвах, иногда даже с перспективой их восстановления, так как способно обеспечить положительный баланс гумуса (Булаткин Г.А., 2010; Бу-латкин Г.А., Гурьев И.Д., 2012).
Перспективным направлением агропромышленного комплекса Пензенской области является так же производство альтернативных источников энергии. Применение мискантуса гигантского позволит получить высококачественный энергетический продукт – биопеллеты, а их использование – решить одновременно как экологические проблемы, так и проблемы энергопотребления. Интродукция и введение в производство этой культуры требует изучения особенностей формирования высокопродуктивных агроценозов и разработки технологии возделывания, адаптированной к условиям произрастания. В России как возобновляемый источник сырья и энергии, мискантус должен занять соответствующее место среди энергетических культур, а в условиях Среднего Поволжья его возделывание и переработка на технические цели является актуальной.
Степень разработанности темы. В научной литературе приведены публикации по интродукции нетрадиционных растений, значение которых определено их исключительно высокой продуктивностью и важнейшей ролью в био-логизации и экологизации современного земледелия (Вавилов Н.И.,1932; Брежнев Ю.Ю.,1971; Андреев Т.Н.,1983; Пивоваров В.Ф. и др., 1994; Кононков П.Ф., 1995; Беляк В.Б.,1996; Кшникаткина А.Н. и др., 2003, 2016; Тимошкин О.А., Тимошкина О.Ю., 2007, 2017; Смирнов А.А.,2011; Усанова З.И., 2012, 2016). Борьба с сорной растительностью механическим или химическим методами перед закладкой плантаций мискантуса гигантского, а так же в посадках первого года жизни отражена в работах зарубежных и отечественных ученых (Зинченко В.А., Яшин М., 2011; Булаткин Г.А., 2013, 2015, 2017; Клочков А.В., Драгун А.В., 2016; Капустянчик С.Ю., 2016, 2017). Однако исследования по интродукции мискантуса гигантского в условиях лесостепи Среднего Поволжья отсутствуют.
Цель исследований. Изучить агробиологические особенности мисканту-са гигантского (Miscanthus giganteus) и обосновать меры борьбы с сорной растительностью, обеспечивающие создание высокопродуктивных агрофитоцено-зов культуры в условиях лесостепи Среднего Поволжья.
Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:
- изучить биологические особенности роста, развития и формирование
агроценозов мискантуса гигантского первого года жизни;
определить динамику фотосинтетической деятельности культуры;
установить влияние способов борьбы с сорной растительностью на урожайность и качество надземной массы мискантуса;
выявить влияние агроприемов на особенности роста, развития, фотосинтетическую деятельность и продуктивность мискантуса гигантского второго года жизни;
дать экономическую оценку приемам возделывания мискантуса гигантского.
Научная новизна. Применительно к местным природно- климатическим условиям лесостепи Среднего Поволжья разработаны теоретические и практические основы формирования высокопродуктивных агроценозов мискантуса гигантского. Определены особенности формирования фотосинтетического аппарата и продуктивности мискантуса гигантского в зависимости от способов борьбы с сорной растительностью. Дана экономическая оценка приемов возделывания мискантуса гигантского.
Практическая значимость. Разработаны способы борьбы с сорной растительностью на посадках мискантуса гигантского, которые оказывают минимальное фитотоксическое действие на рост и развитие культуры, на качественные показатели сырья и обеспечивают получение урожайности сырой массы 15,0…18,0 т/га, сухой – 4,6…5,5 т/га.
Теоретическая значимость результатов исследований заключается в научном обосновании элементов технологии возделывания мискантуса гигантского в зоне неустойчивого увлажнения для расширения ассортимента возобновляемых энергетических культур с высоким содержанием целлюлозы.
Методология и методы исследований. Методология исследований основана на анализе научной литературы отечественных и зарубежных авторов, постановке цели, формулировке задач и составлении программы исследований. Методы исследований: лабораторные анализы, полевые опыты, измерения, наблюдения, статистическая обработка экспериментальных данных, описание.
Основные положения, выносимые на защиту:
закономерности роста и развития растений, фотосинтетическая деятельность и изменение сорного компонента агрофитоценоза мискантуса гигантского в год посадки;
урожайность и качество надземной массы мискантуса гигантского в зависимости от способов борьбы с сорной растительностью;
особенности формирования продуктивности растений мискантуса гигантского второго года жизни;
экономическая эффективность приемов возделывания мискантуса гигантского.
Достоверность полученных результатов подтверждена многолетним периодом исследований, применением современных методик закладки и проведения опытов, необходимым объемом проведенных анализов, наблюдений, измерений, статистической обработкой экспериментального материала.
Апробация результатов. Основные положения диссертации доложены на Международной научно-практической конференции молодых ученых «Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России» (Пенза, 2015); Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 65-летию кафедры «Общее земледелие и землеустройство» и Дню российской науки – «Энергосберегающие технологии в ландшафтном земледелии» (Пенза, 2016); Международной научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России» (Пенза, 2016); Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 65-летию ФГБОУ ВО Пензенская ГСХА «Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России» (Пенза, 2016); Всероссийской научно-практической конференции «Участие молодых ученых в решении актуальных вопросов АПК России» (Пенза, 2016); III Международной научно-практической конференции «Проблемы и мониторинг природных экосистем» (Пенза, 2016); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России» (Пенза, 2017); IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и мониторинг природных экосистем» (Пенза, 2017); Международной научно – практической конференции «Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России» (Пенза, 2018). Дважды в год заслушивались результаты исследований на заседаниях кафедры «Растениеводство и лесное хозяйство».
Личный вклад автора заключается в исследовании и анализе научной литературы, разработке схемы опыта и его закладке в полевых условиях, ведении учетов, наблюдений и анализов, статистической обработке результатов исследований за период 2015 – 2018 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных статей, в том числе 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации.
Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и предложений производству, содержит 32 таблицы, 4 рисунка и 13 приложений. Список литературы включает 173 источника, в том числе 28 - иностранных авторов.
Технология выращивания мискантуса гигантского
Технология выращивания новой агрокультуры, как мискантус, не должна существенным образом отличаться от современных агротехнологий и должна хорошо вписываться в классический цикл сельскохозяйственных работ (Шумный В.К. и др., 2010б).
Мискантус гигантский – триплоидный видовой гибрид с 57 хромосомами, появившийся при случайном скрещивании тетраплоидной формы Мискантуса сахароцветкового с 76 хромосомами и диплоидной формой Мискантуса китайского с 36 хромосомами, в естественной флоре Японии (Тараканов И.Г. и др., 2013б; Pude R. и др., 2004).
Перспективность вида как источника целлюлозы стимулировала поиск новых форм. В связи с этим более 10 лет тому назад экспедиция Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН г. Новосибирск), работавшая на Дальнем Востоке по заданию академика В.К. Шумного (группа В.А. Годовико-вой) при участии ботаника из ДВО РАН академика П.Г. Горового, исследовала популяции растений мискантуса китайского на побережье Тихого океана. Образцы популяций были привезены в г. Новосибирск, размножены, и начались популяционно-генетические и селекционные исследования этого вида. Мискан-тус в связи с хорошей урожайностью сухой биомассы (10-15 т/га), возможностью продуцирования на одном поле на протяжении 20 лет, засухоустойчивостью и зимостойкостью активно рассматривается как сырьевой источник целлюлозы (Шумный В.К. и др., 2010а; 2010б).
При дальнейших исследованиях в 2006 году в ИЦиГ СО РАН (г. Новосибирск) была выделена необычная форма мискантуса китайского сорта Соранов-ский, с выходом соломы в среднем по годам 10-15 т с гектара и содержанием целлюлозы около 40%, что сравнимо с данными из IENICA (Interactive European Network for Industrial Crops and their Application – Интерактивная европейская сеть по промышленным культурам и их применению) для европейских форм мискантуса, но они получены для условий юга Западной Сибири с более коротким вегетационным периодом и перезимовкой в более континентальном климате. Форма обладает измененной структурой корневой системы, образующей длинные побеги с ростовыми почками, которая быстро колонизирует почвенное пространство, создавая сплошную и ровную (без кочек) плантацию мис-кантуса (Шумный В.К. и др., 2010а). С 2013 года в соответствии с Государственным реестром селекционных достижений, допущенных к использованию, мискантус сорта Сорановский является технической культурой, источником целлюлозосодержащего сырья, пригодным к возделыванию во всех регионах России (Государственный реестр …, 2013).
Несмотря на то, что мискантус гигантский в Европе возделывается пока в небольших масштабах, уже появляются новые перспективные сорта, такие, как Амури и Ниагара (Pude R. и др., 2004). В настоящее время сорт Амури является первым мультиклонированным сортом мискантуса в мире. Он состоит из ар-тигибридов дальневосточного мискантуса сахароцветкового и хорошо адаптированного к европейским условиям мискантуса китайского. Ввиду раннего созревания и высокого содержания сухого вещества к уборке урожая Амури, как источник биомассы, лидирует по сравнению с более поздно созревающим мис-кантусом гигантским (Тараканов И.Г. и др., 2013а).
Обработка почвы остается самой значительной и трудоемкой деятельностью человека по производству продукции растениеводства. На ее выполнение затрачивается около 40 % энергетических и 25 % трудовых ресурсов от всего объема полевых работ. Использование такого количества энергетических ресурсов оправдывается, если обработка почвы проводится в соответствии с требованиями возделываемых культур с учетом почвенных и климатических особенностей (Казаков Г.И., 2008; Мирсаяпов Р.Р., Акбиров Р.А., 2008).
Мискантус – техническая культура, под которую отводить плодородные пахотные земли нет необходимости. Пригодными для возделывания мискантуса являются земли, которые не оправдали себя при возделывании на них зерновых культур (Шумный В.К. и др., 2010а).
Перед закладкой плантации мискантуса осенью необходима вспашка на глубину 20 см, на тяжелых почвах нужна дополнительная обработка активными фрезами (Клочков А.В, Драгун А.В, 2016). По данным Пензенской ГСХА обработка почвы проводится не глубже 22-25 см (Гущина В.А. и др., 2016а).
Весной проводят борьбу с сорняками механическим или химическим методами (Булаткин Г.А., Митенко Г.В., 2013). Защита от сорняков должна проводиться перед посадкой гербицидом сплошного действия, что позволит в дальнейшем сократить химпрополки до минимума. Химическая борьба разрабатывается в зависимости от состояния плантации (Клочков А.В, Драгун А.В, 2016, Капустянчик С.Ю., 2016).
Перед высадкой почву рыхлят на несколько сантиметров. Саженцы, полученные с помощью микроразмножения, можно высаживать, используя сажалки для рассады, а части корневищ – картофелесажалкой (Гелетуха Г.Г. и др., 2014б). Корневища достаточно короткие (5-10 см), образуются в течение вегетации, зимуют, а весной дают новые побеги. В результате происходит медленная колонизация пространства (Булаткин Г.А., Митенко Г.В., 2013; Шумный В.К. и др., 2010а).
Корневища обычно сажают рядами с широкими междурядьями (60-75 см) (Булаткин Г.А., Гурьев И.Д., 2012; Булаткин Г.А., Митенко Г.В., 2013; Шумный В.К. и др., 2010а). По данным Гелетухи Г.Г. и соавторов (2014б) их высаживают на глубину 5-15 см с учетом необходимого пространства для дальнейшего разрастания. Плотность посадки составляет 10-15 (и даже более) тысяч корневищ на гектар.
Булаткин Г.А. и Митенко Г.В. (2013) рекомендуют высаживать корневища на глубину 10-15 см, глубина посадки сеянцев «из пробирки» определяется размером полученных растений. Плотность посадки на 1 м2 от 1 до 3 корневищ. Такая плотная посадка позволяет растениям мискантуса быть более конкурентными с сорняками на плантациях и быстро приводит к смыканию в междурядьях. Тем самым практически полностью устраняется проблема борьбы с сорняками. На практике интервалы между рядами могут колебаться в пределах 0,7-1,0 м, а расстояние между растениями в ряду – 45-100 см. При схеме посадки 9070 см высаживается 1 т/га делёнок корневищ, при схеме посадки 4570 см – 2 т/га делянок.
Капустянчик С.Ю. с соавторами (2016, 2017в) в условиях лесостепи Новосибирского Приобья на полях СибНИИРС (филиал ИЦиГ СО РАН) выявили оптимальную норму посадки корневищ мискантуса на глубину 10-15 см – 2,8 т/га. Так же ими было установлено, что при увеличении данной нормы посадки существенного роста биомассы не отмечается. Клочков А.В. и Драгун А. В. (2016) предлагают высаживать ризомы весной в количестве 1,0-1,3 штуки/м2 на глубину 5 см на легких почвах и 1-6 см – на тяжелых. Условия посадки должны предотвратить высыхание ризом. Хранение ризом во влажных и прохладных условиях значительно продлевает их жизнеспособность. Так же они рекомендуют использовать ризомы в качестве посадочного материала, полученного из трехлетних растений с наличием не менее 5 глазков.
Срок высадки приходится на конец апреля – первую половину или середину мая. После посадки необходимо проводить прикатывание (Капустянчик С.Ю. и др., 2016; Клочков А.В, Драгун А.В, 2016).
Шумный В.К. и др. (2010а) утверждает, что производство культуры мис-кантуса при наличии минеральных удобрений можно развернуть на неплодородных почвах. С урожаем 20 т/га сухой массы мискантус выносит около 60 кг N, 16 кг Р2О5, 80 кг К2О. Булаткин Г.А. и Митенко Г.В. (2013) отмечают, что доза азота не должна превышать 150 кг/га, а соотношение N:P:K – 1:0,4:0,5. В Португалии Cipriano P. и Fernando A.L. (2012) использовали N – 60 кг/га, K – 140 кг/га ежегодно в течение 15 лет, Р – 100 кг/га вносили в первый год, когда растения были посажены и на одиннадцатый год. Предполагаемые дозы удобрений и сроки их применения на Украине следующие: N – 50-90 кг/га весной после появления всходов; Р2О5 – 30-40; К2О – 120-150; MgO – 20-25 кг/га рано весной или осенью. Поскольку растение многолетнее, можно использовать органические удобрения с максимальной дозой – 30 т/га, что соответствует 180 кг азота, 75 – фосфора, 150 – калия и 30 кг магния. Эта доза практически может заменить минеральные удобрения (Гелетуха Г.Г. и др., 2014б; Зинченко В.А., Яшин М., 2011). По мнению беларусских исследователей в первый год вегетации удобрения не нужны (из-за опасности вымораживания). Во второй и последующие годы они рекомендуют вносить минеральные удобрения в дозах (кг д.в./га): N 10-40, Р2О5 10-30, К2О 10-50, а также навозную жижу. При энергетическом использовании плантаций мискан-туса пепел частично возвращает вынесенные питательные вещества в почву (Клочков А.В, Драгун А.В, 2016).
При проведении уходных работ в первый год жизни обязательно проводят механическую борьбу с сорняками в междурядьях, используя наборы традиционных культиваторов. Это желательно делать на ранних стадиях развития сорных растений. В случае большого засорения посадок двудольными сорняками могут быть применены гербициды из группы производных триазинов (Бу-латкин Г.А., Гурьев И.Д., 2012; Булаткин Г.А., Митенко Г.В., 2013). Последнюю борьбу с сорняками при необходимости проводят весной 2-го постоянного года произрастания (Клочков А., Драгун А., 2016). После двух и трех лет выращивания мискантуса засорённость плантаций значительно снижается. Это происходит за счёт интенсивного роста растений и в результате существенного затенения почвы (Булаткин Г.А., Гурьев И.Д., 2012; Булаткин Г.А., Митенко Г.В., 2013).
Фотосинтетическая деятельность посадок
Среди совокупности факторов, которые определяют рост, развитие и общую продуктивность растений, ведущая роль принадлежит фотосинтезу. Создание оптимальных условий для работы фотосинтетического аппарата, на всем протяжении вегетации растений, является необходимым условием формирования их высокого урожая (Ничипорович А.А., 1963; Карпова Л.В., 2002; Никитин С.Н., 2014; Никитин С.Н., 2017).
Управление фотосинтетической деятельностью растений является одним из наиболее эффективных путей регулирования их продукционными процессами, воздействующих на урожайность. Продуктивность растения определяется интенсивностью роста отдельных органов, их активностью жизни и длительностью периода вегетации растения (Ничипорович А.А., 1963; Ничипорович А.А., 1978).
В формировании сырой биомассы и сухого вещества растений ведущая роль принадлежит фотосинтезу. Большая часть органического вещества создается в их листьях, а вклад других зелёных органов невелик. Под ассимиляционной поверхностью, принято понимать площадь листьев (Ковалев В.М., 1997). Определение размеров и формирование оптимальной площади листьев является сложной проблемой. При недостаточной листовой поверхности солнечная радиация поглощается не полностью, при излишне развитой – отмечается то же явление, при котором наблюдается взаимное затенение листьев. Для максимального поглощения фотосинтетически активной радиации (ФАР) площадь листьев в период максимального развития должна достигать 40000 м2/га, т.е. оптимальный коэффициент покрытия должен быть равен 4 (Ничипорович А.А., 1973).
Развитие мискантуса, как многолетнего растения, в первый год жизни происходит слабо. Нарастание ассимиляционной поверхности листьев культуры в годы исследований различалось и зависело как от способов борьбы с сорняками, так и от метеоусловий (Гущина В.А., Борисова Е.Н., 2016).
В засушливом 2015 году формирование листовой поверхности на начальных этапах онтогенеза было очень медленным и к концу июня в контроле она не превышала 0,19 тыс. м2/га (таблица 8). Обработка плантаций гербицидом Торнадо 500, как в чистом виде, так и в сочетании с системными гербицидами, увеличила площадь листьев в 1,47…2,16 раза, применение только системных гербицидов – в 1,11…1,63 раза. Подобная зависимость наблюдалась и в последующие годы. Однако, в 2016 году площадь листьев на эту дату определения была в 4,13…6,05 раза больше, чем в предыдущем, и составила 1,09…1,97 тыс. м2/га. Это связано с тем, что посадка мискантуса проведена на 20 дней раньше (16.04.2016 г. против 06.05.2015 г.), всходы появились уже 8 мая, когда для формирования ассимиляционной поверхности сложились более благоприятные метеоусловия (ГТК – 1,80). Применение гербицидов также способствовало увеличению фотосинтетической поверхности в 1,08..1,81 раза по отношению к абсолютному контролю. К незначительному превышению площади листьев на 0,06 тыс. м2/га привела междурядная обработка.
Полные всходы растений мискантуса в 2017 году отмечены всего на четыре дня раньше, чем в 2015, но площадь листьев в июне на 0,19…0,99 тыс. м2/га была выше. При этом максимальная – 0,89…1,40 тыс. м2/га сформировалась на плантациях с осенним внесением гербицида Торнадо 500 и его сочетании с системными гербицидами. В последующие летние месяцы сохранялась аналогичная закономерность.
Максимального значения площадь листьев достигала перед уходом в зиму. Причем наиболее благоприятные условия для формирования ассимиляционной поверхности сложились в 2016 году, когда её индекс был в 2,15…4,21 раза больше, чем в предыдущем и в 1,15…2,59 раза – чем в следующем году исследований.
В конце вегетационного периода 2015 года растения мискантуса сформировали 2,20…11,50 тыс. м2/га фотосинтезирующей поверхности. Обработка плантаций гербицидами системного действия Балерина и Маг-нум как отдельно, так и по фону Торнадо 500 способствовали улучшению условий для формирования листового аппарата в 2,22…5,23 раза по отношению к абсолютному контролю. При внесении гербицида Торнадо 500 отмечалось увеличение ассимиляционной поверхности в 3,45 раза, от проведения междурядной обработки – в 1,86 раза.
При достаточном увлажнении в 2016 году площадь листьев к концу вегетации была на уровне 7,15..34,39 тыс. м2/га. Наблюдалась та же тенденция, что и в 2015 году, когда применение гербицида сплошного действия способствовало увеличению коэффициента покрытия в 2,28…4,81 раза по сравнению с абсолютным контролем. Незначительно отличался от него вариант, где проводили механическое удаление сорняков – 9,98 тыс. м2/га. Площадь листьев после обработки плантаций только системными гербицидами превысила абсолютный контроль в 2,21…3,16 раза.
Применение гербицидов Магнум и Балерина в 2017 году способствовало увеличению площади ассимиляционной поверхности перед уборкой по отношению к абсолютному контролю в 1,58…1,98 раза, их внесение по фону гербицида Торнадо 500 – в 2,13…2,27 раза, применение только гербицида сплошного действия – в 1,6 раза. Незначительное увеличение площади листьев (на 0,6 тыс. м2/га) отмечено при механическом удалении сорной растительности.
Таким образом, наибольшую ассимиляционную поверхность во все периоды вегетации, как в оптимальные по погодным условиям годы, так и в неблагоприятные, формируют посадки мискантуса, на плантациях которых проводилась двукратная гербицидная обработка, причем в среднем за три года максимума 18,36…19,09 тыс. м2/га она достигала перед уходом в зиму и её деятельность прекращалась с наступлением заморозков (приложение 5).
Величиной более точно характеризующей мощность ассимиляционного аппарата посадок, в целом за вегетацию, является фотосинтетический потенциал суммарной листовой поверхности. Эта величина играет важную роль в создании биологического урожая, которая определяется скоростью образования листовой поверхности и временем её активной работы (Ничипорович А.А., 1988). Фотосинтетический потенциал зависит от продолжительности периодов вегетации, площади листовой поверхности, метеоусловий и способов борьбы с сорными растениями.
В результате проведенных исследований было установлено, что значения фотосинтетического потенциала посадок по периодам вегетации растений мис-кантуса последовательно возрастали. В среднем за три года максимальный фотосинтетический потенциал в первый год жизни формировался у растений в варианте, где применялась двукратная гербицидная обработка. В июне фотосинтетический потенциал составил 13,2…17,1 тыс. м2сут./га, в июле – 103,2…121,5, в августе – 371,6..397,0, перед уходом в зиму – 496,1…508,7 тыс. м2сут./га (таблица 9). Наиболее низким этот показатель отмечен в абсолютном контроле, где его максимум 136,8 тыс. м2сут./га был достигнут к уборке.
Показатели фотосинтетического потенциала ФП в течение всего вегетационного периода мискантуса, в вариантах с применением гербицидов выше значений абсолютного контроля. В 2015 году его параметры возрастали по периодам вегетации, достигая максимума перед уходом в зиму: в контроле 76,7 тыс. м2сут./га, при использовании гербицидов – 170,5…399,9, а при проведении междурядной обработки – 141,9 тыс. м2сут./га. Из-за слабого развития ассимиляционной поверхности данный показатель был меньше, чем в другие годы исследований.
Урожайность надземной массы мискантуса гигантского
Урожайность сельскохозяйственных культур – это результат пройденного растением онтогенеза, в процессе которого формируются структурные элементы, определяющие количество урожая и его качество. Она является основным показателем ценности культуры и связана с различными свойствами растений, отражающих их реакцию на приемы возделывания и устойчивость к неблагоприятным факторам среды, приспособленность к почвенным условиям и иммунитет к болезням (Бороевич С.С., 1984).
Наиболее важными элементами продуктивности мискантуса гигантского является количество побегов и их высота, значения которых зависят от способов борьбы с сорняками и метеоусловий (Гущина В.А., Борисова Е.Н., 2017). Так, в 2015 году при засушливых погодных условиях (ГТК – 0,64) урожайность сырой массы мискантуса варьировала по опыту в пределах 1,30…5,01 т/га (таблица 19). Наименьший выход сырой массы отмечен на плантации, где уходные работы не проводились, при этом количество побегов не превышало 5 штук высотой 109,5 см. Существенную роль в накоплении урожая надземной массы, по сравнению с абсолютным контролем, сыграло использование гербицидов системного действия по фону Торнадо 500, оказавшее влияние на увеличение высоты растений на 30,6…43,8 см, количества стеблей – на 4…5 штук. Урожайность надземной массы была максимальной и составила 3,35…5,01 т/га. При улучшении фитосанитарного состояния посадок путем применения гербицидов Балерина и Магнум количество стеблей, высотой 130,9…132,3 см, увеличилось до 7…9 штук, что в свою очередь, повысило урожайность сырой массы до 2,11…2,59 т/га. Применение гербицида Торнадо 500 способствовало повышению урожайности культуры до 3,20 т/га при высоте стеблей 120,4 см. В производственном контроле данные показатели незначительно отличались от абсолютного контроля и урожайность увеличилась лишь в 1,2 раза.
При достаточном увлажнении в 2016 году (ГТК – 1,17), ростовые процессы мискантуса протекали более интенсивно, что способствовало увеличению элементов продуктивности растений. Так, по сравнению с предыдущим годом, количество стеблей увеличилось в 1,4…2,0 раза, высота растений – в 1,3…1,5 раза и сырая масса в среднем по опыту – на 8,27 т/га. Существенная прибавка урожайности 10,91…14,71 т/га наблюдалась при двукратной химической прополке плантаций мискантуса. Использование гербицида Балерина по фону Торнадо 500, способствовало её увеличению, по сравнению с 2015 годом, на 81,5%, а гербицида Магнум по фону Торнадо 500 – на 68,5%. Механическая обработка посадок обеспечила получение 6,69 т/га сырой надземной массы, что в 1,4 раза больше абсолютного контроля.
Аналогичная ситуация наблюдалась и в 2017 году, но урожайность сырой массы в среднем по опыту была на 5,92 т/га ниже, чем в 2016 году, что объясняется более прохладным (2165,0С против 2692,5С в 2016 году) и коротким периодом вегетации мискантуса (124 дня). В результате, на момент определения высота растений находилась на уровне 172,3 см, количество стеблей не превышало 10 штук. Наименьший выход сырой массы 3,85 т/га отмечен у растений, где уходные работы не проводились, при этом количество стеблей на растение не превышало 2 штук, а их высота – 120,1 см. Двукратное применение средств химизации обеспечило надежную защиту мискантуса гигантского от сорняков, что позволило получить наибольшую урожайность – 5,35 и 6,33 т/га. На плантациях с применением гербицидов Балерина и Магнум урожайность сырой надземной массы, по сравнению с абсолютным контролем, возросла на 1,38 и 1,15 т/га. Междурядная обработка почвы способствовала увеличению урожайности сырой массы в 1,2 раза, применение гербицида Торнадо 500 – в 1,3 раза.
Таким образом, установлено, что урожайность надземной массы мисканту-са зависит как от влагообеспеченности в период вегетации, так и от изучаемых технологических приемов. В среднем за годы исследований за счет двукратной химической прополки снижение засоренности ведет к получению максимальной урожайности надземной массы мискантуса гигантского первого года жизни (8,92…9,09 т/га).
Одним из главных признаков, определяющих целесообразность возделывания многолетних культур, является не только урожайность сырой массы, но и сбор сухого вещества. Считается, что продуктивность растений определяет накопление сухого вещества, которое является функцией процесса ассимиляции (Карпова, Л.В. 2002).
В засушливом 2015 году мискантус сформировал довольно низкий урожай сухой массы 0,57…2,18 т/га (таблица 20). Однако, наибольшую её урожайность 1,49…2,18 т/га получили при использовании гербицидов Балерина и Магнум по фону Торнадо 500. Обработка плантаций только системными гербицидами позволила улучшить условия роста растений и повысить урожайность сухой массы, по сравнению с абсолютным контролем, на 0,33…0,56 т/га. При внесении гербицида сплошного действия с осени она увеличилась на 0,83 т/га, а при проведении междурядной обработки – всего на 0,04 т/га.
Максимальную урожайность сухой массы 1,33…5,56 т/га получили в 2016 году, что в 2,10…3,73 раза больше, чем в предыдущем и в 1,12…3,02 раза, чем в следующем. В вариантах с двукратной гербицидной обработкой она составила 4,57…5,56 т/га. Выход сухой массы, по сравнению с абсолютным контролем, после применения на плантациях гербицидов Магнум и Балерина был выше на 1,34…2,35 т/га, одного гербицида Торнадо 500 – на 1,91 т/га. В производственном контроле получили 2,21 т/га сухой массы.
Урожайность биомассы в 2017 году варьировала в пределах 1,19…2,15 т/га и наибольшая – получена при использовании гербицида системного действия Магнум по фону Торнадо 500. Отдельное применение гербицида сплошного действия способствовало увеличению урожайности до 1,76 т/га, а в сочетании с гербицидом Балерина – до 1,84 т/га. В абсолютном контроле получено 1,19 т/га сухой массы. Несколько выше была урожайность при междурядной обработке плантаций (1,60 т/га), а где применялись системные гербициды Магнум и Балерина, увеличение массы произошло в 1,43…1,51 раза.
В среднем за три года применение гербицида Торнадо 500, как отдельно, так и в сочетании с системными гербицидами способствовали увеличению урожайности сухой надземной массы на 1,10…1,94 т/га. Наименьшая урожайность сухой массы 1,03 т/га получена в абсолютном контроле.
Оптимальным для роста и развития мискантуса был 2016 год, когда двукратная обработка плантаций гербицидами позволила получить урожайность сырой и сухой массы в пределах 15,92/4,57 и 18,06/5,56 т/га. В среднем за три года исследований мискантус на естественном фоне плодородия способен формировать урожайность сырой массы 6,27 т/га, сухой – 2,07 т/га. Наибольшей продуктивностью отличаются плантации, где было комплексное применение гербицидов системного действия Балерина и Магнум с Торнадо 500.
Вышеизложенный анализ позволил выявить закономерности изменения урожайности сырой и сухой массы от погодных условий и способов борьбы с сорняками. Максимальный потенциал продуктивности мискантуса гигантского проявляется при оптимальном сочетании этих факторов, влияющих на увеличение количества стеблей и их высоты.
Продуктивность и качество сырья мискантуса гигантского
Продуктивность посевов зависит от продолжительности и темпов нарастания биомассы, от которых, в свою очередь, зависит длительность межфазных периодов, этапов органогенеза вегетативных и репродуктивных органов, прохождение их в оптимальные сроки. Ускорение или замедление темпов роста и развития указывает на отклонения условий произрастания от потребностей, заложенных в генотипе растения (Мишин Н.Н., 2004).
Главным фактором для получения высоких урожаев является оптимальная структура посева. Урожайность на единице площади определяется количеством растений и массой одного растения. При загущенности посевов она будет возрастать до тех пор, пока снижение массы одного растения, вызванное уплотнением, будет компенсироваться увеличением количества растений на единице площади (Никольская Е.О., 2008).
Величина урожая многолетних культур в значительной степени зависит от плотности стеблестоя. Сомкнутые посевы значительно снижают непродуктивный расход влаги вследствие хорошего затенения почвы и не оставляют экологической ниши для сорняков.
Продуктивность мискантуса гигантского формируется за счет основных показателей структуры урожая, к которым относятся высота стеблей и их количество. Так, в 2016 году благодаря раннему весеннему отрастанию мискантуса количество стеблей в начале июня увеличилось до 9…19 штук с высотой 120…140 см (таблица 27). Наиболее развитыми они были в посадках с двукратной гербицидной обработкой. На плантации с внесением гербицида Торнадо 500, при хорошо развитых 18 побегах, высота растений не превышала 133 см. Применение гербицидов системного действия Магнум и Балерина способствовало увеличению высоты растений до 127…130 см, количества стеблей – до 17…18 шт., а их массы – до 358…458 г. В контрольных вариантах высота растений составила 120…123 см, количество побегов – 9…10 шт./раст. Масса надземной части находилась в пределах 168…658 г, причем наибольшая – отмечена в вариантах с использованием гербицидов Балерина и Магнум по фону Торнадо 500.
В августе высота растений по сравнению с предыдущим определением в июне увеличилась на 116…147 см. Количество стеблей по вариантам опыта составило 12…22 штуки массой 793,0…2336,0 г. На плантации, где не предусматривались уходные работы, мискантус достигал высоты 236 см при развитых 12 побегах. Механическая борьба с сорняками способствовала увеличению количества стеблей до 12 штук высотой 279 см. Применение гербицида Торнадо 500, по сравнению с абсолютным контролем, привело к увеличению высоты растений в 1,18 раза, количества стеблей – в 1,57 раза, использование системных гербицидов – в 1,16…1,17 раза и в 1,67…1,75 раза соответственно. Наибольший эффект отмечен на плантациях, где проводилась двукратная гер-бицидная обработка. При этом высота растений составила 280…295 см, количество стеблей – 22 шт. массой 2094…2336 г.
Перед уходом в зиму высота побегов увеличилась на 3…6 см и достигала 300 см, при этом их количество не изменилось. Масса надземной части увеличилась на 16…22 г и наибольшей (2112…2358 г) она была на плантациях, где проводилась двукратная гербицидная обработка.
Весенние заморозки после отрастания мискантуса в 2017 году отрицательно сказались на его развитии. В результате, на момент первого определения по сравнению с прошедшим годом, количество стеблей сократилось в 4,5…8,5 раза, высота растений была меньше в 1,05…1,30 см, а их масса не превышала 115 г (таблица 28).
В конце августа растения достигали высоты 176…212 см, количество стеблей возросло до 4…11 штук, а их масса – до 106…595 г. В посадках, где не проводились уходные работы, мискантус был слабее, побеги имели высоту 176 см, а их количество не превышало четырех штук. На плантации, обработанной только Торнадо 500, число побегов составило 10 штук высотой 200 см. В производственном контроле высота растений достигала 178 см при хорошо развитых 7 побегах. Гербициды системного действия способствовали увеличению количества стеблей до 8…10 штук и их высоты до 179…205 см. Наилучшие показатели отмечены на плантациях с применением системных гербицидов по фону Торнадо 500, когда высота растений достигала 210…212 см, количество стеблей – 11 штук массой 586…595 г.
Перед уборкой прирост мискантуса был незначительный 2…4 см, количество побегов не изменилось. Наибольший выход сырой массы (596…604 г) получен на плантациях после двукратной гербицидной обработки. В абсолютном и производственном контроле сырая масса составила 116 и 289 г соответственно. Применение только Торнадо 500 способствовало увеличению массы надземной части до 431 г, только системных гербицидов – до 296…555 г/раст.
В среднем за два года условия перезимовки оказали непосредственное влияние на развитие мискантуса, но больше всего растения пострадали в 2017 году от заморозков, которые наблюдались в период их массового отрастания. При этом, в зависимости от способов борьбы с сорняками, наибольший эффект получен от применения системных гербицидов Балерина и Магнум по фону Торнадо 500 (приложение 7). Увеличение количества стеблей и их высоты сопровождается закономерным нарастанием массы растения мискантуса.
Современные принципы образования высокопродуктивных агроценов включают максимально эффективное использование условий среды и потенциал культуры. Формирование продуктивности определяется своеобразием климатических факторов и степенью адаптивности сортов. Выявление общих закономерностей функционирования растений необходимо для оптимизации продукционного процесса, оценки соответствия климатическому фактору и прогнозирования продуктивности, и устойчивости важнейших сельскохозяйственных культур при изменениях климата (Табаленкова Г. Н., 2007).
В условиях 2016 года урожайность сырой массы растений мискантуса в абсолютном контроле достигала 15,41 т/га, в вариантах, где велась борьба с сорной растительностью, она увеличилась на 2,61…29,51 т/га или в 1,17…2,91 раза (таблица 29). Благоприятные условия перезимовки и раннее отрастание культуры способствовали формированию мощных растений. Последействие гербицидов проявилось и на второй год жизни мискантуса, что также положительно сказалось на повышении урожайности. По сравнению с абсолютным контролем выход сырой массы после междурядной обработки увеличился до 18,02 т/га. Отмечена прибавка при обработке плантаций гербицидами Магнум и Балерина на 15,79…20,10 т/га. Наиболее высокая урожайность 40,23…44,92 т/га получена после проведения двукратной гербицидной обработки. В варианте, где использовали только гербицид Торнадо 500, урожайность сырой массы составила 38,48 т/га.
Весенние заморозки 2017 года оказали влияние на развитие растений мис-кантуса. В результате, урожайность сырой массы в 3,28…6,97 раза была ниже, чем в прошедшем году, и наименьшая (2,21 т/га) отмечена на плантации, где не предусматривались уходные работы. При междурядной обработке выход сырой массы увеличился до 5,50 т/га. Использование гербицидов системного действия способствовало увеличению урожайности в 2,55…4,78 раз, а обработка плантаций гербицидом сплошного действия – в 3,71 раза по сравнению с абсолютным контролем. Наибольший эффект отмечен при внесении гербицидов Магнум и Балерина по фону Торнадо 500. На этом агрофоне получены наиболее мощные растения с сырой массой 11,35…11,50 т/га.
Такая же тенденция прослеживается и по сбору сухой массы растений. Гербициды Магнум и Балерина, внесенные в 2015 году, в последействии также способствовали увеличению выхода сухой массы в 1,99…2,34 раза, Торнадо 500 – в 2,61 раза по отношению к абсолютному контролю. На плантации, где велась механическая борьба с сорной растительностью, урожайность сухой массы превышала контроль на 1,03 т/га. Максимальный её выход получен при двукратном применении гербицидов и составил 15,47…19,56 т/га.
Урожайность сухой массы мискантуса второго года жизни в 2017 году по сравнению с предыдущим была ниже на 5,26…16,34 т/га и варьировала по опыту в пределах 0,57…3,28 т/га. Наиболее высокий выход сухой массы (3,22…3,28 т/га) получен с плантаций, где проводилась двукратная гербицидная обработка, наименьший – с участков, где не предусматривались уходные работы. Применение гербицидов системного действия способствовало увеличению урожайности сухой массы по сравнению с абсолютным контролем в 2,95…5,21 раза, а использование гербицида Торнадо 500 – в 5,02 раза.
При анализе урожайных данных установлено, что способы борьбы с сорняками по-разному позволяют мискантусу реализовывать свои биологические возможности. Так, в 2017 году условия перезимовки были менее благоприятными для растений, что негативно отразилось на урожайности культуры, сырая и сухая масса которой в среднем по опыту составила 7,85 и 2,31 т/га соответственно. В 2016 году условия формирования урожайности были значительно лучше, поэтому она в среднем по опыту составила 31,97/12,59 т/га.
Наиболее важным показателем качества целлюлозосодержащего растения мискантуса гигантского является доля стеблей в урожае зеленой массы. В них содержится большая часть целлюлозы, которая по качеству превосходит её содержание в листьях.