Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы по теме исследований 11
1.1 Адаптивно-ландшафтные системы земледелия для засушливых условий Нижнего Поволжья 11
1.2 Биологизированные севообороты в степной и сухостепной зонах Нижнего Поволжья 17
1.3 Системы обработки почвы в агроландшафтах Нижнего Поволжья .27
Глава 2 Мониторинг агропроизводства и агроэкологическая типизация пахотных почв Нижнего Поволжья 41
2.1. Почвенный мониторинг .42
2.2 Климатический мониторинг 50
2.3 Агрохимический мониторинг 55
2.4 Технологический мониторинг 59
2.5 Фитосанитарный мониторинг 65
2.6 Экологический мониторинг 70
2.7 Распределение пашни по уклонам и баланс гумуса 74
2.8 Критерии и нормативная база для агроэкологической типизации земель 83
2.9 Шкала типизации пашни и дифференциация систем «сухого» земледелия по агроландшафтным и административным районам Волгоградской области 87
Глава 3 Определение нормативной базы биологизации и оптимизация полевых севооборотов зерновой специализации в агроландшафтах Нижнего Поволжья 91
3.1 Критерии и нормативная база насыщения севооборотов азотфиксирующими культурами .91
3.2 Баланс азота по бобовым культурам и севооборотам 96
3.3 Изменения гумусного состояния каштановой и светло-каштановой почвы в севооборотах 100
3.4 Коэффициенты влияния бобовых растений и эффективность биологизированных севооборотов зерновой специализации всухостепном агроландшафте .107
3.5 Динамика структуры посевных площадей и агроландшафтные требования при проектировании севооборотов 111
3.6 Предложения по структуре использования пашни и посевных площадей 127
3.7 Критерии и нормативная база для оптимизации зерновых севооборотов 132
3.8 Рекомендуемые схемы зерновых севооборотов для различных агроэкологических групп земель и агроландшафтных районов Волгоградской области 141
3.9 Результаты расчета баланса органического вещества почвы в рекомендуемых севооборотах 149
Глава 4 Обработка почвы в севооборотах зерновой специализации в степной зоне Нижнего Поволжья 154
4.1 Обоснование выбора приёмов основной обработки почвы 154
4.2 Схема опытов и методика исследований .168
4.3 Агрометеорологические условия и характеристика почв опытного участка 176
4.4 Агрофизические свойства и водный режим почвы .180
4.5 Засорённость агроландшафта .195
4.6 Продуктивность культур, возделываемых в опыте 202
4.7 Биоэнергетическая и экономическая оценка 208
Глава 5 Обработка почвы в севооборотах зерновой специализации в сухостепной зоне Нижнего Поволжья .214
5.1 Схема опытов и методика исследований .214
5.2 Технология возделывания сельскохозяйственных культур в опыте .220
5.3 Агрометеорологические условия в годы исследований 222
5.4 Характеристика почв опытного участка .225
5.5 Агрофизические свойства и водный режим почвы 227
5.6 Развитие болезней и засорённости .253
5.7 Продуктивность сельскохозяйственных культур, возделываемых в опыт 258
5.8 Биоэнергетическая и экономическая оценка .262
Заключение 272
Рекомендации производству .278
Перспективы дальнейшей разработки 279
Список использованных источников 280
Приложения 313
- Биологизированные севообороты в степной и сухостепной зонах Нижнего Поволжья
- Изменения гумусного состояния каштановой и светло-каштановой почвы в севооборотах
- Засорённость агроландшафта
- Биоэнергетическая и экономическая оценка
Биологизированные севообороты в степной и сухостепной зонах Нижнего Поволжья
Новые, не простые условия, сложившиеся в земледелии России, требуют всестороннего анализа и научно обоснованных решений, в том числе и в вопросах севооборотов. В первую очередь, севообороты считаются главным агротехническим мероприятием при сохранении плодородия почвы и защиты её от водной эрозии и дефляции почвы, кроме этого севообороты имеют большое фитосанитарное значение. Только за счёт оптимального чередования культур севооборот позволяет повышать продуктивность гектара в 1,5 – 2 раза в сравнении с бессменным выращиванием монокультур.
Оптимальная система севооборотов также остаётся важным звеном современных систем земледелия, так как весь комплекс задач по рациональному использованию земли, воспроизводству плодородия почвы, её защиты от эрозии, может решаться лишь в рамках научно-обоснованной и хорошо адаптированной системы севооборотов. На неё накладываются и другие составные звенья системы – система обработки почвы, система удобрений, система мелиорации и защиты почвы от эрозии, система защиты сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорной растительности.
При сложившейся многоукладности сельскохозяйственного производства и высокой их дифференцированности – от мелкотоварных фермерских и индивидуальных предпринимателей до крупных аграрных комплексов и холдингов, для разработки и освоения разных схем севооборотов, адаптированных к конкретным почвенно-климатическим условиям необходимы самые разнообразные решения.
В условиях острого недостатка средств производства большое значение имеют приёмы биологизации земледелия, когда особое внимание уделяется использованию в севооборотах посевов бобовых культур, многолетних трав, промежуточных и сидеральных культур. Бобовые культуры ценны тем, что обеспечивают восстановление запасов азота в почве, заменяя до 4-5 ц/га дорогостоящей аммиачной селитры.
Кроме того, они обладают способностью своими корневыми выделениями растворять труднодоступные фосфаты почвы и переводить их в легкоусвояемые для растений формы. Корневые системы люпина, донника, люцерны и других бобовых культур глубоко, на несколько метров проникают в почву и используют влагу и питательные вещества подпахотных горизонтов почвы, вынося их оттуда в верхние горизонты.
По данным В.Г. Лошакова (2003) большого внимания заслуживают посевы бобовых многолетних трав – клевера, люцерны и их смесей – со злаковыми травами как лучшие предшественники многих культур в условиях достаточного увлажнения. В нечернозёмной зоне посевы многолетних трав занимают более 11 млн. га, или более 25 % площади пашни. Они являются высокоценным универсальным кормовым сырьём, пригодным для заготовки любых видов кормов, и одновременно основой плодосменных, зернотравяных, травяно-пропашных, травопольных севооборотов. Эти севообороты входят в состав системы севооборотов – ведущего звена систем земледелия Нечернозёмной зоны и других районов достаточного увлажнения [165].
Ценность многолетних трав в севооборотах определяется, прежде всего, тем, что их бобовые компоненты обогащают почву биологическим азотом, накапливая в год до 200 кг/га чистого азота. Замена азота дорогостоящих минеральных удобрений биологическим азотом многолетних бобовых трав эффективна не только в экономическом плане, но имеет и большое экологическое значение. Азот и другие питательные вещества растительных остатков не вымываются из почвы и не представляют опасности для окружающей среды.
Мощная дернина многолетних трав надёжно скрепляет верхний слой почвы, предохраняя её от эрозии и защищая окружающую среду от загрязнения. Поэтому посевы многолетних трав преобладают в структуре посевных площадей почвозащитных севооборотов. Экологическое значение многолетних трав усиливается тем, что их высокопродуктивные посевы с биологическим потенциалом 120-150 ц/га сухого вещества переводят в органическую форму большое количество питательных веществ удобрений и почвы, предохраняя их от вымывания, а окружающую среду – от загрязнения [164].
В современных условиях особое значение приобретает зелёное удобрение. Экономически особенно эффективны сидераты в виде промежуточных посевов – пожнивных, поукосных, озимых и подсевных. Однако их посевы возможны лишь там, где для этого имеются агроклиматические и хозяйственно-экономические условия. Классическим сидератом в нечернозёмной зоне считается люпин. В южных и восточных регионах России, на засолённых почвах ценным сидератом является донник, технология возделывания которого хорошо отработана земледельцами Поволжья, Южного Урала, Западной Сибири и других степных районов. В регионах с ограниченными агроклиматическими ресурсами в качестве пожнивных культур могут быть использованы белая горчица, рапс, масличная редька и другие крестоцветные культуры. Эти культуры устойчивы против раннеосенних заморозков, отличаются быстрым ростом и в условиях влажной осени способны за 1,5 -2 месяца сформировать урожай зелёной массы в 20-25 т/га высокой кормовой и удобрительной ценности и 6-8 т/га корневой массы.
По результатам длительных проведенных исследований В.В. Вьюрков, В.Г. Архипкин, Е.Н. Баймуканов, М.Б. Идрисова пришли к выводу, что в условиях сухостепной зоны Приуралья, после озимых культур в севообороте лучше всего размещать просо, превосходящее по своей продуктивности яровую пшеницу на 5,9-6,9 ц/га.
После озимых культур за 5 лет исследований в опытах В.В. Вьюрков, В.Г. Архипкин, Е.Н. Баймуканов, М.Б. Идрисова засоренность посевов проса не была высокой, что является гарантированным условием выращивания данной поздней яровой культуры. В среднем урожайность проса после озимых была на 1,7-2,0 ц/га выше, чем яровой пшеницы [51, 52, 53, 54].
По мнению Т.В. Цыцюры и др. редьку масличную следует рекомендовать в биологических системах технологий, направленных на возобновление плодородия нарушенных и деградированных земель, на обеспечение сидеральних систем удобрения в системе нулевого возделывания и как активного и эффективного фитосанитара поля с нормой высева в интервале 1,75 – 2,25 млн шт./га всхожих семян (при ширине междурядий – 15 – 30 см) с самым широким спектром сроков сева от ранневесеннего (первая декада апреля) до послежнивного (июль – сентябрь) [291].
И.Н. Листопадов считает, что севооборот как основная организационно агрономическая категория в земледелии совершенствуется в связи с корректировкой производственных задач сельскохозяйственных предприятий. Прогрессивными изменениями технологических приёмов, а также возможностью более полного использования техногенных и природных ресурсов [159].
Концепция совершенствования севооборотов ни в коей мере не предполагает отрицания основных положений их конструирования, и сам процесс их совершенствования может осуществляться: а) на основе оптимизации структуры посевных площадей, б) на основе стабилизации и повышения почвенного плодородия и в) как способ предотвращения эрозионных процессов и других экологических осложнений. В ландшафтном земледелии все три позиции носят системный характер и направлены на его интенсификацию [157].
Продуктивность севооборотов в значительной мере зависит от структуры посевных площадей. Структура посевов должна быть адаптивной конкретным почвенно-климатическим условиям, но это не исключает возможности специализации севооборотов, насыщения их ведущими культурами. Структура посевов в севооборотах должна совершенствоваться как за счёт расширения площади под приоритетными для региона культурами, так и за счёт создания благоприятных условий для их наибольшей продуктивности. Если нарушается соответствие структуры посевов природным условиям – производство становиться невозможным, если в севооборотах не возделываются ценные культуры – оно бессмысленно. Искомое, т.е. основные параметры севооборотов, находится там, где эти направления тесно сочетаются [19].
Изменения гумусного состояния каштановой и светло-каштановой почвы в севооборотах
В разных почвенно-климатических зонах процесс снижения гумуса происходит по-разному.
Главными критериями, по которым определяется потенциальное почвенное плодородие, является содержание в ней органического вещества.
Сельскохозяйственные культуры, возделываемые в севооборотах по разному влияют на процессы «минерализации новообразования» гумуса в почве.
Наибольшая минерализация гумуса, чаще всего наблюдается в чистых парах и также при возделывании пропашных культур (1,5-2,5 т/га), средняя минерализация гумуса происходит в посевах зерновых культур, а также в посевах однолетних злаковых трав (0,4-1 т/га).
При использовании бинарных посевов и бобвых многолетних трав при хорошей густотой стояния растений и при хорошем пищевом режиме минерализация гумуса происходит не так быстро, и по влиянию на почвенное плодородие бинарные посевы равняются с многолетними бобовыми травами.
При высокой и средней урожайности сена или сенажа многолетних бобовых трав (не менее 35-40 ц/га) падение содержания гумуса в почве не наблюдается, а наоборот отмечено повышение его запасов.
По мнению А.В. Дедова баланс гумуса, свободно регулируется структурой посевных площадей и процентным содержанием восстановителей плодородия почвы в севообороте [62].
Из многолетних опытов Зеленева А.В. и Жидкова В.М., проводивших исследования в ОПХ «Камышинское» следует, что количество органического вещества в почве определяется размерами поступления гумуса и процессами гумификации, протекающими в различных севооборотах по-разному [101, 105] .
В биологизированных севооборотах, насыщенных многолетними бобовыми травами процессы гумификации протекают в пахотном слое почвы значительно активнее по сравнению с обычными небиологизированными севооборотами.
Из таблицы 22 следует, что наибольший приход гумуса наблюдается в четырёхпольном зернопаровом севообороте пар чёрный– озимая рожь – просо – ячмень, при условии внесения в чёрном пару 40 т/га навоза. Баланс гумуса при этом на гектаре получается +0,35 тонн, при этом массой поступления органического вещества в почву является навоз и солома. Наибольшая потеря гумуса -0,70 т/га наблюдается в бессменном посеве кукурузы на зерно.
В отличие от отвальной обработки почвы при ресурсосберегающих способах основное количество растительных остатков поступает в поверхностный слой 0-0,1 м, что при снижении темпов минерализации приводит к существенному увеличению его гумусированности и структурообразующей способности (таблица 23).
Коэффициент структурности при мульчировании увеличивается, какправило, в 1,1-1,6 раза. При этом ещё значительно увеличивается водопрочность структурных агрегатов.
Из за большого дефицита навоза в настоящее время, большое значение в получении положительного баланса по гумусу могут иметь оптимальные структуры посевных площадей, введение большего количества многолетних бобовых трав и зернобобовых и сидеральных культур, а также увеличенное применение соломы и пожнивных остатков.
На светло-каштановой почве наибольшее содержание гумуса в биологизированных севооборотах отмечается на фоне безотвальной обработки почвы. В парозернотравяном севообороте коэффициент влияния безотвальной обработки на содержание гумуса составил 1,39, а в зернотравяном 1,18.
В таблице 24 представлено гумусное состояние светло-каштановой почвы в зависимости от структуры севооборота и приёмов обработки почвы в 2012 году при весеннем отрастании озимой пшеницы.
Наибольшее количество гумаса наблюдается в парозернотравяном севообороте: черный пар – озимая пшеница – эспарцет на сидерат в третьей ротации при мелкой обработке почвы – 2,24 %.
На этих же вариантах отмечается более высокое отношение гуминовых кислот к фульфокислотам, а также углерода гуминовых кислот к углероду фульфокислот. Отсюда коэффициент «выпаханности» почвы, на данных вариантах значительно ниже, чем при отвальной отработке почвы. Кроме того, в парозерновом севообороте на фоне ресурсосберегающей безотвальной обработки почвы установлен практически бездефицитный баланс гумуса (таблица 25). Изучение баланса гумуса в биологизированных севооборотах на каштановой почве показывает, что бездефицитный его баланс имеет место в шестипольном зернопаротравянопропашном севообороте, где в качестве азотфиксирующих культур высевают на одном поле горох, а на другом – донник на сидерат.
Засорённость агроландшафта
Одной из главных причин, по которым происходит уменьшение продуктивности севооборотов, является высокая засоренность полей, которая в свою очередь приводит к недостатку питательных веществ и влаги для культурных растений.
По данным ВНИИА, при среднем по стране уровне засоренности, ежегодно происходит отчуждение до 10 млн. питательных элементов[13].
Данные многолетних исследований Баздырева Г.И. по выносу азота, фосфора и калия сельскохозяйственными культурами и сорной растительностью показаны в таблице 62.
По данным Лобачёвой Е.Н. в зернопаропропашных севооборотах Нижнего Поволжья преобладающими видами являются двудольные многолетние сорные растения: бодяк, молокан, вьюнок, молочай лозный.
В видовом составе полевой сорной растительности данные сорняки составляют от 42 до 69,4 %. Из двудольных сорных малолетников преобладают марь белая, щирица запрокинутая (от 25,2 до 71,6 %), из однодольных сорняков преобладающими являются пырей, овсюг, щетинник сизый и зелёный, куриное просо (от 9,2 до 29,5 %) [161].
В наших исследованиях отмечалась очень высокая степень прямой корреляции засорённости посевов культурных растений со способами основной обработки почвы. Наблюдения велись в течение двух ротаций севооборота.
Определение засорённости велось в количественном и весовом подсчёте сорных растений. В таблицах 65, 66, 67, 68, 69 приводятся средние значения по вегетации количества сорняков, шт./ м2.
На рисунках 12, 13, 14, 15, 16 - средние значение воздушно-сырой массы, г/м2. А в приложениях значения количества сорняков и их воздушно-сырой массы, определяемые в мае, июне и июле. Следует также отметить, что многолетние и однолетние сорняки имеют различную воздушно-сырую массу, поэтому на общую воздушно-сырую массу сорняков влияло не только их количество, но и видовой состав.
В посевах нута наиболее распространёнными сорняками были марь белая (Chenodiumalbum), овсюг (Avenafatua), пырей ползучий (Elytrigia repens).
Засорённость посевов нута представлена в таблице 63 и на рисунке 12. В посевах кукурузы встречались амброзия полыннолистная, чертополох полевой (осот розовый), осот желтый, вьюнок полевой, горчица полевая, марь белая, щирица белая и согнутая, пырей ползучий.
Засорённость посевов кукурузы за две ротации севооборота представлена на рисунке 14 и в таблице 67
В наших опытах в посевах подсолнечника преобладали те же самые виды сорных растений, что и в посевах кукурузы. Отмечалось появление спутницы подсолнечника – заразихи (Orobanche cumana W.).
Засорённость посевов подсолнечника представлена в таблице 66 и на рисунке 15. В наших исследованиях было установлено, что, во-первых, число сорняков напрямую зависит от приёмов основной обработки, а во-вторых от культуры или её места в севообороте.
Применение в севообороте мелкой дисковой и “нулевой” обработок приводит к накоплению в поверхностном слое большого числа семян сорных растений, а высокая степень наполнения севооборотов зерновыми культурами увеличивает видовой состав злаковых сорняков [186]. В итоге, таким образом, увеличивается количество овсюга, зелёного и серого щетинников, куриного проса.
По данным Е. В. Орлова при традиционном для полевых севооборотов Ставропольского края виде сорного агробиоценоза, снижение урожайности озимой пшеницы на чёрном пару в среднем составляют 4,9 %, проса - 7,1 % и ярового ячменя - 14,2 %, при этом главные потери урожая происходили за счет дополнительной транспирации почвенной влаги сорными растениями [206].
Биоэнергетическая и экономическая оценка
При расчёте эффективности приёмов обработки почвы большую роль играют энергетические показатели, так как именно на основную обработку почвы приходится весомая часть энергетических затрат на выращивание сельскохозяйственных культур.
Как считают современные экологи, насыщая экологическую систему энергией порядка 14 Гдж/га, её коэффициент полезного действия стремиться к максимуму, однако при насыщении экологической системы энергией более 15 Гдж/га в ней создаётся стрессовая ситуация, которая может привести к деградации почвенного покрова [107, 108, 138, 139, 188, 313].
В последние 50 лет энергетические затраты на механическую обработку при возделывании полевых культур в расчёте на гектар пашни увеличились в одиннадцать раз. Кроме этого следует отметить, что смена энергетических ресурсов на механизированные технологии привела к повышению доли невосполнимых затрат с 20 до 95 % в общей структуре затрат.
Эта проблема может решаться, как за счёт снижения энергозатрат на единицу площади посева сельскохозяйственных культур при использовании ресурсосберегающих агротехнологий с минимальной обработкой почвы, так и уменьшения энергоёмкости получаемой продукции за счёт роста продуктивности выращиваемых культур.
Поэтому современные технологии в первую очередь должны включать в себя более экономичные машины и сельскохозяйственные орудия, которые отличаются высокой производительностью, хорошей надёжностью, малой металлоёмкостью и не снижающих урожайность по сравнению с машинами более затратной обработки.
С учётом этих обстоятельств особого внимания заслуживает замена традиционных почвообрабатывающих орудий отвального типа на безотвальные, потому что отвал создаёт значительную часть (около 30 %) сопротивления корпуса плуга [244, 246]. Кроме того, плуг крошит почву за счёт сжатия и раздавливания пласта о грудь отвала, в то время как безотвальные – за счёт менее энергоёмких деформаций изгиба и излома.
Так как урожайность сельскохозяйственных культур в наших исследованиях отличалась сравнительно незначительно, подсчитанная с её учётом биоэнергетическая эффективность определялась, прежде всего, затратностью обработки почвы.
Из пяти механических способов обработки, изучаемых в опыте, самой высокой она была при вспашке плугом ПН-4-35 на глубину 0,20-0,22 м и составляла 1371,6 МДж/га, при комбинированной обработке она была на 441,9 МДж/га меньше, при чизелевании на 0,27-0,30 м ещё на 174,1 МДж/га меньше, при плоскорезной обработке ещё на 74,6 173,8 МДж/га меньше. А наименьшие затраты общей по технологии энергии были при постоянной минимальной обработке БДТ-3 на глубину 0,10-0,12 м и составляли 521,5 МДж/га (таблица 106).
Наиболее высокая энергоотдача 1 кг зерна озимой пшеницы, ярового ячменя, 1 кг маслосемян горчицы на 1 МДж израсходованной на основную обработку энергии наблюдалась на делянках чизелевания на 0,27-0,30 м и комбинированных обработок.
На варианте комбинированной обработки при возделывании озимой пшеницы коэффициент энергетической эффективности составил 2,26, на варианте чизельной обработки на глубину 0,27-0,30 м – 2,12. Третьим вариантом по энергетической эффективности стал вариант вспашки отвальным плугом ПН-4-35 на глубину 0,20-0,22 м с коэффициентом 1,97. Далее вариант плоскорезной обработки – 1,86. А наихудшими вариантами по энергетической эффективности из-за малого прихода энергии с урожаем стали варианты нулевой и минимальной обработок (таблица 105). Лучшим по окупаемости энергетических затрат на основную обработку в наших исследованиях на светло-каштановых почвах оказались варианты чизелевания на 0,27-0,30 м - 2,96 кг/МДж, и минимальной дисковой обработки БДТ-3 на глубину 0,10-0,12 м – 2,95 кг/МДж.
Наименьшую окупаемость энергетических затрат на основную обработку из механических способов основной обработки почвы продемонстрировал вариант вспашки на глубину 0,10-0,12 м. Окупаемость данной обработки составила 1,59 кг/МДж.
При подсчёте биоэнергетической эффективности в посевах горчицы было установлено, во-первых, что в целом по данной культуре биоэнергетическая эффективность была ниже, чем по озимой пшенице.
Во-вторых, что наиболее эффективным, также как и в посевах озимой пшеницы, оказался вариант комбинированной обработки.
Коэффициент энергетической эффективности по этой технологии составил 1,99, на варианте чизелевания на 0,27-0,30 м – 1,82. Третьим вариантом по энергетической эффективности стал вариант плоскорезной обработки КПГ-250 на глубину 0,20-0,22 м с коэффициентом 1,70.
Коэффициент энергетической эффективности по технологии отвальной обработки на 0,20-0,22 м составил 1,69.
На варианте мелкой дисковой обработки коэффициент энергетической эффективности в среднем за 2005-2012 годы составил 1,49.
А наименьшим коэффициент энергетической эффективности был на варианте нулевой обработки 1,16.
Лучшим по окупаемости энергетических затрат на обработку почвы стал вариант дисковой обработки орудием БДТ-3 на глубину 0,10-0,12 м - 1,96 кг/МДж.
Наименьшую окупаемость энергетических затрат на обработку почвы из механических способов основной обработки в наших восьмилетних исследованиях продемонстрировал вариант вспашки ПН-4-35 на 0,20-0,22 м.
Окупаемость данной обработки составила менее 1 кг/МДж – 0,90 кг/МДж (таблица 106).