Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние изученности вопроса 9
1.1 Характеристика однолетних трав 12
1.2 Эффективность и преимущества смешанных посевов. влияние норм высева и минеральных удобрений на продуктивность смешанных агрофитоценозов 29
2 Условия и методика проведения исследований 49
2.1 Место и условия проведения исследований 49
2.2 Погодные условия в годы проведения исследований 49
2.3 Материал и методика исследований 52
2.4 Агротехника возделывания однолетних кормовых культур и смесей 55
3 Влияние фона минерального питания на продуктивность одновидовых агроценозов 56
3.1 Формирование агроценозов однолетних кормовых культур 56
3.2 Фотосинтетическая деятельность посевов 59
3.3 Продуктивность однолетних кормовых ценозов 63
3.4 Химический состав и питательность однолетних кормовых ценозов 71
4 Влияние состава и норм высева компонентов в смеси, фона минерального питания на продуктивность однолетних смешанных агрофитоценозов 78
4.1 Формирование смешанных агрофитоценозов 78
4.2 Фотосинтетическая деятельность смешанных агрофитоценозов 84
4.3 Урожайность однолетних смесей 89
4.4 Химический состав, питательность и продуктивность однолетних смесей 95
4.5 Ценотическая активность компонентов в смесях 106
4.6 Конкурентная способность растений и биологическая эффективность агроценозов 109
5 Энергетическая и экономическая эффективность возделывания однолетних агрофитоценозов 117
Заключение 125
Предложения производству 129
Список использованных источников 130
Приложения 153
- Эффективность и преимущества смешанных посевов. влияние норм высева и минеральных удобрений на продуктивность смешанных агрофитоценозов
- Фотосинтетическая деятельность посевов
- Формирование смешанных агрофитоценозов
- Конкурентная способность растений и биологическая эффективность агроценозов
Эффективность и преимущества смешанных посевов. влияние норм высева и минеральных удобрений на продуктивность смешанных агрофитоценозов
Особое место в биологизации интенсификационных процессов занимает конструирование агроценозов, обладающих высоким адаптивным потенциалом, т.е. сочетающих способность эффективно утилизировать естественные и антропогенные ресурсы внешней среды с устойчивостью к абиотическим и биотическим стрессам. Важнейшим условием формирования высокого адаптивного потенциала агроэкосистем является их гетерогенность. Причем целесообразность конструирования многовидовых агроэкосистем обусловлена целым рядом преимуществ: возможностью более эффективного использования солнечной энергии и других естественных и антропогенных ресурсов окружающей среды, поддержанием экологического равновесия за счет реализации механизмов и структур саморегуляции в агробиоценозах, защитой почвы от эрозии и повышением ее плодородия, обеспечением надежности продукционного процесса и др. Именно благодаря гетерогенности агроэкосистем и агроландшафтов можно реализовать возможности их биоклиматической взаимокомпенсации, сущность которой заключается в практическом использовании разнонаправленности адаптивных реакций культивируемых растений на складывающиеся агрометеорологические условия путем подбора культур и сортов с разными, причем взаимокомпенсиру-ющими биологическими ритмами роста и развития. Считается, что компенсационная способность сельскохозяйственных культур тем выше, чем слабее ежегодная агроэкологическая корреляция между их урожайностью.
Агроэкологическая взаимокомпенсация может быть обеспечена на уровне почвенно-климатических зон (географическая взаимокомпенсация), агроэкоси-стем и агроландшафтов (за счет специального подбора культур и сортов в севооборотах). При этом более гетерогенные агроэкосистемы, включающие поликультуры (подбор взаимодополняющих видов растений для совместного выра щивания), компоненты которых различаются по темпам роста и развития, циклам максимальной фотосинтетической продуктивности, способности использовать разные питательные вещества почвы, обладают большим адаптивным потенциалом и лучшей устойчивостью к погодным флуктуациям.
Как известно, в пределах растительных сообществ выделены не только конкурирующие, но и взаимодополняющие группы видов растений. Задача конструирования высокопродуктивных и экологически устойчивых агроэкосистем как раз и состоит в подборе таких видов для совместного выращивания.
В настоящее время все большее внимание исследователей и практиков привлекает возможность использования смешанных (многовидовых) агрофито-ценозов, в основу конструирования которых положен принцип комплементарно-сти, т.е. способности разных видов, по крайней мере, избегать агрессивной конкуренции или же (бобово-злаковые смеси) дополнять друг друга. Такие взаимоотношения в смешанных посевах могут быть обусловлены расположением корневых систем в разных слоях почвы, различной устойчивостью растений к абиотическим и биотическим стрессорам, неодинаковым их габитусом (характером и степенью облиственности, расположением побегов, листьев) и фенологией, в том числе сроками наступления «критических» периодов онтогенеза и др. Установлено, например, что повышение урожайности в смешанных посевах злаковых культур связано с их лучшей по сравнению с одновидовыми посевами способностью поглощать труднодоступный фосфор из более глубоких слоев почвы. Эда-фическая комплементарность характерна для злаково-бобовых смесей, урожайность которых по сравнению с одновидовыми посевами, как правило, выше. Тип взаимодействия каждой группы видов изменяется в зависимости от условий внешней среды, технологии возделывания и других факторов.
Взаимоотношения растений в смешанных посевах могут быть самые разнообразные: от резкой конкуренции до взаимопомощи, что определяется биологической природой разных видов растений и условиями внешней среды. По мнению В.Н. Сукачева, между растениями в смешанных посевах могут быть и взаимовыгодные отношения, обеспечивающие улучшение физических и химических свойств почвы, создание лучшего микрофитоклимата, защиту от болезней и вредителей, привлечение полезной энтофауны (Сукачев В.Н., 1928). Поэтому большое значение имеют правильный видовой подбор растений и создание наиболее благоприятных условий их произрастания.
К настоящему времени имеются многочисленные примеры высокой эффективности гетерогенных агроценозов (Исаев А.П., 1978; Увеличение производства растительного белка, 1984; Бенц В.А., 1996, 2001; Беляк В.Б., 1998, 2008, 2009; Харьков Г.Д., 2000; Шпаков А.С. и др., 2002; Жученко А.А., 2004; Хамидуллин М.М., 2003; Епифанов В. С., 2004; Первеева Н.И., 2004; Полищук А.А., 2004; Кшникаткина А.Н. и др., 2008, 2015; Фадеев С.В., 2007; Варламов В.А., 2008; Троц В.Б., Троц Н.М., 2008, 2010; Тимошкин О.А., Потехин С.А., 2009, 2011; ). К числу их относятся смеси зерновых на корм (озимая пшеница, рожь, тритикале, вика с овсом, ячмень с горохом и др.), травяные смеси (озимая вика с озимой рожью, овес с горохом и др.), сочетания подсолнечника с суданской травой и кукурузы с подсолнечником для использования на силос. Всё более широкое применение находят смеси кормовых с зерновыми, яровой пшеницы с овсом, овса с ячменем, пшеницы с овсом и ячменем, смеси злаковых и бобовых культур (Лупашку М.Ф., 1965; Надежкин С.Н., 1999; Ельчанинова Н.Н. и др., 2000; Жученко А.А., 2004; Бейч А.В., 2006; Косолапов В.М., 2008, 2009; Маркова В.Е., Ушакова Е.Ю., 2008 а, б; Варламов В.А., 2010; Дридигер В.К., 2010; Нафиков М. М., Хафизова А. Р., 2010; Тимошкин О.А., 2011; Дмитриев В.И., Шмидт А.Г., 2012; Мушинский А.А. 2011; Кашеваров Н.И., 2013; Ершов С.Ю., Васин В.Г., Васин А.В., 2017).
Видовые смеси целесообразны особенно в тех случаях, когда фенотипиче-ская однородность агроценоза не является решающим показателем при оценке качества товарного урожая. Синергетический эффект в смешанных посевах обеспечивается за счет лучшего использования пространства, света, запасов воды и питательных веществ, снижении эрозии почвы, уменьшения численности популяций вредителей и скорости распространения фитопатогенных вирусов, лучшего опыления (Бенц В.А., 199, 2001; Жученко А.А., 2004; Возделывание кормовых бобов, 2005; Варламов В. А., 2008; Тимошкин О.А., 2011; Еськов И.Д., Николайченко Н.В., Худенко М.Н. и др., 2016).
Согласно обобщенным данным, за счет выращивания поликультур удается повысить как урожайность (в 1,2-3,2 раза), так и прибыль (на 42-149%). Конструирование смешанных посевов играет важную роль и в улучшении микрофи-токлимата агроценозов, поскольку большая устойчивость к неблагоприятным факторам среды на определенных этапах онтогенеза одного из компонентов (вида или сорта) может способствовать нормальному росту растений другого, приспособленность которого будет выше уже на следующем этапе вегетации и в иных условиях (Гончаров П.Л., 1992; Васин В.Г. и др., 2003; Жученко А.А., 2008; Воскобулова Н.И., 2011; Кашеваров Н. И., Бакшаев Д. Ю., Садохина Т. А., 2015).
Растения отличаются темпами роста и развития, характером формирования и размножения надземной и корневой системы, потребностям в свете, воде и других элементах питания. При создании смешанных посевов необходимо высевать и подбирать сорта и культуры, наиболее полно использующие площади совместного обитания и вегетационное время.
Морфологическая совместимость один из основных принципов подбора компонентов смесей. Смешанные посевы, как правило, имеют два-три яруса: в первом ярусе расположены наиболее высокие растения (кукуруза, сорго), во втором – подсолнечник, в третьем – соя и др. Такие травосмеси полнее используют солнечную энергию за счет большей общей облиственности травостоя и более равномерного расположения листьев по его ярусам.
Корневые системы компонентов таких смешанных посевов располагаются в разных слоях почвы. Это позволяет полнее использовать почвенные ресурсы и свести к минимуму отрицательное воздействие органических выделений одного вида растений на другой. Труднорастворимые фосфорные соединения из более глубоких слоев почвы корнями бобовых растений переносятся в верхние горизонты почвы и превращаются в более доступные для других растений формы. Клубеньковые бактерии, расположенные на корнях бобовых растений, усваивают свободный азот из воздуха, который частично также используется корнями других растений, посеянных в смеси с бобовыми культурами.
Необходимо учитывать аллелопатическое взаимодействие (химическое взаимодействие) и конкурентоспособность. Чаще всего в качестве бобовых компонентов однолетних смешанных посевов на зеленую массу включает вику посевную и горох полевой как высокобелковые культуры. Однако эти растения имеют полегающий стебель, поэтому другой компонент смеси должен быть с прямостоящим неполегающим стеблем.
При подборе компонентов смеси следует учитывать и фотопериодизм культур. Культуры различного фотопериодизма не совместимы. Совместные посевы культур с одинаковыми фотопериодизмом дают высокие урожаи зеленой массы хорошего качества.
Для смешанных посевов нельзя брать культуры с различными темпами роста надземной массы в первые фазы развития. Необходимо благоприятное сочетание темпов роста компонентов, то есть, чтобы не было угнетения одних растений другими. К уборке компоненты должны достигнуть укосной спелости и обеспечить максимальный сбор высококачественного сырья.
Фотосинтетическая деятельность посевов
Пространственно-временная организация агробиоценоза играет важную роль в формировании не только его почвенного и частично атмосферного микроклимата, но и фотосинтетической поверхности. Причем в антропогенных фи-тоценозах интенсивность истинной ассимиляции в течение вегетации как бы «следует» за изменением погодных условий. Поэтому синхронизация этапов формирования и функционирования максимальной листовой поверхности аг-рофитоценоза с наиболее благоприятными для фотосинтеза данной культуры условиями внешней среды является решающим фактором повышения величины и качества урожая (Жученко А.А., 2004).
Главная задача при конструировании адаптивных агрофитоценозов состоит в обеспечении наиболее эффективного усвоения энергии потоков фото-синтетически активной радиации, на долю которой приходится свыше 90% аккумулированной биомассы растений. Техногенные факторы (нормы высева, применение минеральных удобрений, создание сложных агрофитоценозов и др.) выполняют при этом регуляторные функции, позволяя уменьшить затраты ассимилятов на защитно-компенсаторные реакции и направить основную их часть на увеличение индекса урожая, т.е. доли используемой части биомассы к ее общему количеству. Вот почему агрофитоценоз, как сложная комплексная фотосинтезирующая система, отвечающая требованиям высокой фотосинтетической производительности, должен обладать оптимальными показателями оптической и диффузной плотности, высокой фотосинтетической активностью в течение всей вегетации, определенными размерами и числом рабочих функций фотосинтезирующих систем разных уровней организации (хлоропластов, суммарной поверхности фотосинтезирующих и других питающих органов) и т.д. (Ничипорович, 1961; Жученко А.А., 2008).
Изучение фотосинтетической деятельности кормовых культур в разные по метеорологическим условиям годы показало их реакцию на складывающиеся в течение вегетации погодные условия, а также на применение минеральных удобре ний. Так, в условиях достатка осадков (74,1 мм в июне, 127,9 мм в июле 2015 г.) и среднесуточных температурах, превышающих на 2,0-4,40С многолетние данные, в агроценозах кормовых культур сформировалась максимальная площадь листьев за годы исследований – 28,0-92,1 тыс. м2/га. В условиях 2016 г. при избытке осадков в период вегетации кормовых культур (63,4 мм в мае, 69,1 мм в июне, 63,3 мм в июле, 78,6 мм в августе) и среднесуточных температурах выше среднемноголетних данных (превышение 1,6-2,40С, в августе ниже среднемноголетних на 5,40С) площадь листьев была существенно ниже (кроме донника) – 31,4-68,4 тыс. м2/га. В условиях 2017 г. при дефиците эффективных температур в мае и июне, осадков – в июне и августе площадь листьев была минимальной за годы исследований – 21,5-56,4 тыс. м2/га (приложения 4-6).
В среднем за три года по вариантам площадь листьев составила 31,3-69,5 тыс. м2/га (таблица 5). Максимальную площадь листьев формировали посевы пайзы – 51,7-69,5 тыс. м2/га, близкие показатели (51,6-59,9 и 45,0-60,8 тыс. м2/га) получили в агроценозах амаранта и могара соответственно. Несколько ниже площадь листьев была в агроценозах кукурузы и африканского проса – 41,6-51,8 и 42,3-52,5 тыс. м2/га соответственно. Минимальная площадь листьев в среднем за три года формировалась в агроценозах донника и суданской травы – 35,3-43,5 и 31,3-43,1 тыс. м2/га соответственно.
Внесение минеральных удобрений способствовало увеличению показателей площади листьев на 7,8-20,2 % при применении N45Р45К45 и на 16,1-37,7 % на фоне N60P60K60. Более высокие прибавки обеспечили могар и суданская трава – 20,2 и 15,3%на фоне 1, 35,1 и 37,7% на фоне 2.
Фотосинтетический потенциал является производной площади листьев на время их функционирования. Однако, учитывая разную динамику роста листовой поверхности у изучаемых культур в процессе онтогенеза, можно отметить не полное совпадение тенденции изменения максимальной площади листьев, приведенной в таблице, и фотосинтетического потенциала. Тем не менее, наиболее высоким ФП отличались культуры с высокой площадью листьев – пайза, амарант, могар.
Улучшение фона питания вызвало увеличение показателей ФП – на 7,6-19,9 % на фоне 1 и на 15,7-37,5 % на фоне 2. Более отзывчивыми культурами на применение минеральных удобрений были могар и суданская трава. Минимальной реакцией на внесение минеральных удобрений отличался амарант – прибавка составила 7,6% на фоне 1 и 15,7% на фоне 2. Чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) – масса сухого вещества, образуемого листовой поверхностью площадью 1 м2 в сутки. Чистая продуктивность фотосинтеза увеличивается с увеличением фотосинтетического потенциала до определенной величины, а затем начинает снижаться, что связано с меньшим использованием солнечной радиации в загущенных посевах, когда до среднего и нижнего ярусов света доходит мало.
Рубин (1979) считает, что если урожайность растений почти всегда коррелирует с площадью листовой поверхности, то с интенсивностью фотосинтеза эта связь выражена слабее (Жученко А.А., 2008).
В наших исследованиях в среднем за три года максимальным показателем ЧПФ обладали агроценозы суданской травы – 8,95-9,73 г/м2 сут., при том, что у этой культуры были наименьшие значения ФП – 1102-1515 тыс. м2 сут./га. То есть это говорит о том, что плотность травостоя растений суданской травы находится на оптимальном уровне в данных агроклиматических условиях и позволяет листовой поверхности работать наиболее интенсивно среди остальных изучаемых культур. Несколько ниже были показатели ЧПФ у кукурузы – 8,51-8,82 г/м2 сут. Однако в отличие от суданской травы ФП кукурузы был значительно выше – 1462-1814 тыс. м2 сут./га. Учитывая, что с улучшением условий питания отмечается рост ЧПФ у кукурузы и увеличение плотности травостоя, можно предположить, что для повышения ЧПФ кукурузы сорта Катерина СВ можно применять более загущенные нормы высева, чем рекомендуется в настоящее время. Увеличение показателя ФП при внесении минеральных удобрений на кукурузе, в отличие от всех остальных культур, можно объяснить увеличением интенсивности фотосинтеза за счет обертки початков и стебля, в то время как у остальных изучаемых культур такого не наблюдается.
На уровне с кукурузой по интенсивности фотосинтеза и ФП находились агроценозы африканского проса – 7,57-8,35 г/м2 сут. и 1488-1842 тыс. м2 сут./га. Могар и пайза имели схожие показатели ЧПФ – 6,41-7,37 и 6,88-7,55 г/м2 сут. соответственно, при очень высоких показателях ФП – 1582-2129 и 1814-2432 тыс. м2 сут./га.
Минимальные показатели продуктивности фотосинтеза имели донник и амарант – 4,34-4,82 и 4,18-4,42 г/м2 сут. При этом у донника показатель ФП также был на низком уровне (1138-1401 тыс. м2 сут./га), а у амаранта – на высоком уровне (1817-2103 г/м2 сут.).
В среднем за три года применение минеральных удобрений в большинстве вариантов приводило к снижению ЧПФ. Например, у донника ЧПФ по сравнению с контролем снизилась на фоне 1 на 4,6%, на фоне 2 – 11,1%; у суданской травы – на 4,1 и 8,7%; у могара – на 10,5 и 15,0%; у пайзы – на 3,3 и 9,7%; у африканского проса – на 5,6 и 10,3% соответственно. У кукурузы и амаранта внесение минеральных удобрений, наоборот, повлекло увеличение показателя ЧПФ на 1,8% (на фоне 1) и на 3,6% (на фоне 2), на 4,1% (на фоне 1) и 5,7% (на фоне 2) соответственно. В то же время стоит отметить, что в условиях прохладного периода май-июнь 2017 г. и слабого развития листовой поверхности у амаранта и кукурузы динамика изменения ЧПФ при внесении минеральных удобрений была как у остальных культур, т.е. ЧПФ снижался при улучшении фона минерального питания (приложение 6).
Формирование смешанных агрофитоценозов
При существующей в настоящее время высокой экологической зависимости растениеводства особого внимания заслуживает влияние погодных и климатических флуктуаций на вариабельность величины урожая, его качества, сроков поступления и, в конечном счете, на рентабельность и конкурентоспособность отрасли в целом. Важнейшим условием повышения экологической надежности является конструирование высокопродуктивных и экологически устойчивых агроэкосистем и агроландшафтов на основе использования большего биологического разнообразия культивируемых видов и сортов, подбора культур и сортов-взаимострахователей, сохранения и создания механизмов и структур биоценотической саморегуляции, повышения не только продукционных, но и средоулучшающих, в т.ч. почвозащитных, фитосанитарных и других функций биологических компонентов соответствующих агробиогеоценозов (Жученко А.А., 2008).
Исследованиями установлено, что на формирование смешанных агрофито-ценозов оказывали влияние метеорологические условия периода вегетации, компоненты, входящие в смеси, нормы высева компонентов и фон минерального питания.
Наименьшую всхожесть за годы исследований получили в 2015 г. – по вариантам 23,5-28,6% у донника и 38,6-89,4% у сопутствующего компонента, в 2016 г. она составила 71,3-84,5% у донника и 46,4-93,2% у сопутствующего компонента, в 2017 г. – 37,8-45,6% у донника и 40,1-90,5% у сопутствующего компонента (приложения 9-11). Низкая всхожесть донника в 2015 г. (23,5-28,6%) объясняется высокими среднесуточными температурами при остром дефиците осадков в период «посев-всходы». Семена всходили неравномерно и погибали от недостатка доступной влаги в посевном слое почвы. Амарант во все годы исследований показы вал низкую всхожесть – 47,3% в 2015 г., 46,4% в 2016 г., 40,1% в 2017 г. Также низкой полевой всхожестью отличалась суданская трава: по годам исследований – 38,6; 49,8 и 48,6%, что объясняется ее биологическими особенностями. Высокой всхожестью во все годы исследований отличалась кукуруза (независимо от остальных изучаемых факторов) – 89,4% в 2015 г., 93,2% в 2016 г., 90,5% в 2017 г. Это объясняется высокими посевными качествами гибрида Катерина СВ, глубиной заделки семян (6-8 см), при которой семена располагаются во влажном слое почвы, а также оптимальным сроком посева.
В среднем за три года минимальной всхожестью среди изучаемых культур, независимо от других факторов, характеризовались донник (44,2-52,9%), суданская трава (45,7%) и амарант (44,6%), у могара и пайзы всхожесть была на одинаковом уровне – 64,6-65,1%, максимальных значений всхожесть достигла у кукурузы – 91,0% (таблица 10).
Изменение норм высева донника с 70% до 40% от нормы высева в чистом виде закономерно снижало его всхожесть с 51,8% до 46,3% (независимо от других факторов), увеличение же нормы высева сопутствующего компонента в смеси с 40 до 70% вызывало повышение его полевой всхожести с 60,3% до 64,2%.
Среди сопутствующих компонентов донника в смесях полевая всхожесть суданской травы изменялась в среднем за три года от 41,5-43,9% (в зависимости от фона минерального питания) при норме высева 40% от полной, до 44,8-46,9% при норме высева 55% и до 47,1-49,5% при норме высева 70%. Близкие показатели имел амарант – 40,4-44,5% при норме высева 40%, 42,4-46,0% – при норме высева 55%, 44,5-48,1% – при норме высева 70%. Полевая всхожесть могара и пайзы была близкой по значению и колебалась от 60,9-64,1% при норме высева 40%, до 62,8-66,3% при норме высева 55% и 64,9-68,4% при норме высева 70%. Кукуруза, как и остальные сопутствующие культуры смесей, реагировала увеличением полевой всхожести при увеличении ее нормы высева – с 88,0-91,7% при норме высева 40%, до 88,7-92,4% при норме высева 55% и до 89,5-93,7% при норме высева 70% от полной.
Внесение минеральных удобрений в дозе N45Р45К45 в среднем за годы исследований оказало незначительное негативное влияние на полевую всхожесть изучаемых культур. Так, полевая всхожесть донника снизилась с 50,6% в контроле (независимо от других факторов) до 49,4%, сопутствующего компонента – с 63,6% до 62,7%. Более высокая доза удобрений (N60P60K60) снизила всхожесть донника с 50,6% до 47,3%, сопутствующего компонента – с 63,6 до 60,4%.
По годам исследований тенденция влияния минеральных удобрений на полевую всхожесть выглядела следующим образом (приложения 12-14). В 2015 г. внесение N45Р45К45 практически не оказало влияние на полевую всхожесть культур в смесях: 27,4% в контроле у донника и 26,6% при внесении удобрений, у сопутствующего компонента – 52,6% и 54,0% соответственно. Внесение N60P60K60 снизило всхожесть донника до 25,0%, сопутствующего компонента увеличило до 56,2%. В 2016 г. негативное влияние доз удобрений проявилось наиболее выра-женно: у донника в контроле полевая всхожесть составила 84,1%, на фоне 1 – 79,0%, на фоне 2 – 73,5% (на 10,6% ниже). У сопутствующего компонента – 70,4% в контроле, на фоне 1 – 72,9% и на фоне 2 – 75,0% (на 4,6% ниже). В 2017 г. ингибирующее влияние удобрений было менее сильным, чем в 2016 г. Полевая всхожесть у донника в контроле была 43,8%, на фоне 1 – 42,4%, на фоне 2 – 40,2%. Всхожесть сопутствующего компонента в контроле была 58,0%, на фоне 1 – 59,5% и на фоне 2 – 61,3%.
Как было сказано выше, в смешанных посевах сильнее проявляется межвидовая конкуренция между растениями, что сказывается на выживаемости растений к периоду уборки. Поэтому подбор растений для создания смесей должен проводиться с учетом взаимного дополнения, а не угнетения растений в смеси.
Исследованиями установлено, что в среднем за три года донник имел низкую сохранность к концу вегетации (46,1-65,9%) по сравнению с сопутствующими компонентами (63,5-85,0%), что объясняется достаточно высокой нормой его высева, межвидовой и внутривидовой конкуренцией в агрофитоценозах (таблица 11). Минимальные показатели сохранности донника в среднем за три года получили в смеси с суданской травой, отличающейся высокой нормой высева, мощным фотосинтетическим аппаратом и высотой растений – 46,1% (независимо от других факторов). В смеси с пайзой сохранность донника также была низкой – 47,7%, что объясняется формированием густого травостоя пайзы, сильно угнетающего растения донника. Несколько выше была сохранность донника в агроцено-зах с амарантом – 49,2%, причем стоит отметить, что затенение растений донника амарантом происходило на поздних фазах развития (середина-конец июля). Могар отличался менее развитой листовой поверхностью, что отражалось в более высоких процентах сохранности растений донника к уборке – 56,2% (независимо от других факторов). Минимальное угнетающее влияние на донник оказывала кукуруза, в совместных посевах с которой сохранность донника была максимальной среди остальных вариантов и составила 65,9%. Это объясняется низкой нормой высева кукурузы, поздним началом интенсивного образования ее листовой поверхности (середина июля) и широкорядным способом посева.
Среди сопутствующих компонентов минимальные показатели сохранности в среднем за три года имели могар, суданская трава и пайза – 60,0%, 63,5%, 66,7%. Амарант отличался незначительной внутривидовой конкуренцией (в силу низкой нормы высева и низкой всхожести), что обеспечивало высокие показатели сохранности – 73,7% в среднем за три года. Максимальные показатели сохранности в среднем за три года имела кукуруза – 85,0% (независимо от других факторов).
Снижение нормы высева донника привело к снижению его сохранности в травостое к периоду уборки, что объясняется увеличением густоты стояния сопутствующего компонента и увеличением межвидовой конкуренции. Так, при норме высева 70% от полной сохранность донника в среднем за три года составила 59,5% (независимо от других факторов), при норме высева 55% – 52,1%, при норме высева 40% – 44,8%. Сохранность сопутствующего компонента при увеличении нормы высева с 40% до 70% снижалась с 73,1% до 69,4% и 64,6%.
Выявлено незначительное влияние применения минеральных удобрений на сохранность растений донника. В среднем за три года независимо от других факторов сохранность донника в контроле составила 51,5%, на фоне 1 – 51,9%, на фоне 2 – 52,9%. На сопутствующий компонент действие минеральных удобрений было более существенным – в контроле сохранность составила 67,4% (независимо от других факторов), на фоне 1 – 69,0% или на 1,6% выше, на фоне 2 – 70,8% или на 3,4% выше.
Таким образом, изучение факторов, оказывающих влияние на формирование смешанных агроценозов, показало, что на всхожесть донника наиболее благоприятное действие оказывает кукуруза, негативное – пайза. Снижение нормы высева донника приводит к снижению его полевой всхожести. Применение минеральных удобрений (N60P60K60) снижало полевую всхожесть донника и сопутствующих компонентов. Наиболее благоприятное действие на показатель сохранности донника оказывают кукуруза и могар, остальные культуры приводят к значительному снижению сохранности растений донника в смешанных посевах. Снижение нормы высева донника в смесях снижало его сохранность к уборке. Применение минеральных удобрений оказало незначительное влияние на сохранность донника в смесях и повысило сохранность сопутствующих компонентов при внесении N60P60K60.
Конкурентная способность растений и биологическая эффективность агроценозов
Агрофитоценоз – целостная самонастраивающаяся фотосинтезирующая система, наибольшая продуктивность которой достигается благодаря оптимизации взаимоотношений между его компонентами. Основное содержание взаимовлияния компонентов составляет взаимосредообразование, заключающееся в том, что каждый компонент агрофитоценоза выступает по отношению к другому как внешний фактор. Изменяя соотношение компонентов при высеве, условия минерального питания и увлажнения и другие факторы, можно управлять их взаимодействием в целях повышения урожая и его качества, устойчивости растений к неблагоприятным абиотическим и биотическим факторам.
В смешанных посевах основным типом взаимоотношений отдельных растений является конкурентная борьба за условия жизни. При этом одни виды оказываются более конкурентоспособными по сравнению с другими компонентами агрофитоценоза, а взаимоотношения между растениями разных видов являются либо разновеликим взаимотрицательным, либо односторонне отрицательным или положительным (Образцов А.С., 2001).
Недостаточная изученность новых культур в регионе делает проблематичным формирование высокопродуктивных смешанных агрофитоценозов без изучения конкуренции видов между собой, зависимости одних видов от других, наличия комплементарных видов (Куркин, 1984; Мартемьянова А.А., 2009). Взаимоотношения растений в смешанных посевах могут быть самые разнообразные: от резкой конкуренции до взаимопомощи. Это зависит от биологической природы разных видов растений и от условий внешней среды. С учетом этих параметров можно выявить и подобрать культуры, наиболее полно использующие площади совместного обитания. В таких агрофитоценозах растения образуют несколько ярусов, листья их находятся в наиболее выгодном положении, что способствует эффективному использованию солнечной энергии для формирования урожая.
При формировании урожая агрофитоценоза важная роль принадлежит конкурентным взаимоотношениям растений. Фитоценотическая конкуренция – это режим дефицита вещественно – энергетических ресурсов, создаваемый поглощением их всей совокупностью включенных в фитоценоз особей, а также обратное воздействие, которое этот режим дефицита на них оказывает (Куркин К.А., 1984). Наиболее удобным критерием оценки напряженности конкурентных отношений является степень изменения продуктивности отдельных растений или их популяций.
Уиллли (Willey, 1979) рассмотрел три возможные ситуации конкурентных взаимоотношений компонентов смесей:
1. Действительная урожайность каждого вида в смеси меньше ожидаемой – взаимное угнетение.
2. Урожайность каждого компонента смеси больше ожидаемой – взаимная кооперация.
3. Один вид имеет большую урожайность, а второй меньшую, чем ожидаемая – компенсация.
Для оценки критерия конкурентной способности нами использовался показатель коэффициент конкурентоспособности (Competitive ratio, CR), который был предложен Willey, Rao (1980). где CRАВ – коэффициент конкурентоспособности культуры А в смеси с культурой В; YАВ – урожайность культуры А в смешанном посеве с культурой В, т/га; YВА – урожайность культуры В в смешанном посеве с культурой А, т/га; YАА и YВВ – урожайность культуры А и В в чистом посеве, т/га; ZАВ и ZВА – соотношение культуры А и В в смеси, %.
Установлено, что коэффициент конкурентоспособности компонентов смесей зависел от биологических особенностей растений, нормы высева компонентов в смеси и фона минерального питания. У донника более высокий показатель CR в среднем за три года отмечен в смеси с кукурузой при соотношении 70+40% – 2,21 ед., в смеси с могаром – 1,31 ед. (на фоне без внесения удобрений) (таблица 21). Высокие показатели конкурентоспособности донника в смеси с кукурузой и могаром свидетельствуют о слабой конкуренции между этими растениями и целесообразности их совместных посевов. Внесение минеральных удобрений снизило показатель CR донника на фоне 1 до 1,77 и 1,02 ед. и на фоне 2 до 1,25 и 0,62 ед. соответственно.
Из сопутствующих культур высокими показателями конкурентоспособности на фоне без внесения удобрений отличались суданская трава и пайза в смеси с донником при норме высева 40+70% – 9,75 и 9,46 ед., что объясняется их мощно развитой листовой поверхностью и, как следствие, сильным затенением и угнетением донника. Применение удобрений значительно увеличило долю суданской травы и пайзы в урожае смесей с донником, что повлекло увеличение CR этих культур до 14,40 и 12,74 на фоне 1 (при норме высева 40+70%), 21,33 и 16,43 на фоне 2 (при этой же норме высева) соответственно.
Выявлено, что уменьшение нормы высева донника в смеси с 70% до 40% способствует снижению его конкурентоспособности в 6,7-10,0 раза, при одновременном повышении CR сопутствующего компонента в 6,8-9,7 раза.
В среднем по изучаемым факторам (независимо друг от друга) выявлено, что наименее конкурентоспособны по отношению друг к другу донник и кукуруза, CR которых составил 0,86 и 2,40 соответственно (рисунок 3).
Этот факт объясняется одинаковым фотопериодизмом и темпами роста надземной массы в различные фазы развития этих культур. Далее, по мере нарастания напряженности конкурентных отношений, располагаются смеси – донник + могар (CR 0,50 и 4,07), донник + амарант (CR 0,35 и 5,26), донник + пайза (CR 0,30 и 6,39) и донник + суданская трава (CR 0,36 и 6,86) соответственно. Нарастание значения CR сопутствующих культур связано с интенсивным увеличением их площади листьев (особенно суданской травы и пайзы), начиная с фазы трубкования, и затенением растений донника.
Существенное влияние на коэффициент конкурентоспособности культур в смешанных агрофитоценозах оказали нормы высева компонентов. При высокой норме высева бобового компонента (70+40%) отмечена минимальная напряженность конкурентных отношений – 0,95 (донник) и 1,29 (сопутствующий компонент), что объясняется достаточно высокой густотой стеблестоя растений донника и незначительным влиянием сопутствующих компонентов на него при данной норме высева. При равных нормах высева (55+55%) существенно увеличивается конкурентная активность сопутствующего компонента до 3,37, в то время как CR донника снизилась до 0,35. Максимальных значений CR сопутствующего компонента – 10,33 достигает при минимальной норме высева донника – 40+70%, CR донника при этом составила всего 0,12.
Применение минеральных удобрений существенно влияло на продуктивность изучаемых смесей и в первую очередь на сопутствующие компоненты (мятликовые кормовые культуры и амарант). Поэтому с увеличением доз внесения удобрений отмечено снижение CR донника с 0,61 в контрольном варианте, до 0,48 при внесении N45Р45К45 и до 0,34 при внесении N60Р60К60 при одновременном увеличении значений CR сопутствующего компонента с 3,59 до 4,73 и 6,66 соответственно. Это вызвано лучшей реакцией мятликовых кормовых культур на внесенный минеральный азот, значительно увеличилась листовая поверхность, высота растений. При этом достоверных биометрических изменений у растений донника при внесении удобрений не выявлено.
Для оценки критерия биологической эффективности смешанных посевов использовали показатель отношения земельных эквивалентов (Land Equivalent Ratio, LER). С его помощью проводится расчет единицы земельной площади, необходимой для получения в монопосеве того количества каждой культуры, которое сформировалось на единице площади смешанного посева.