Научные основы комплексной фитозоологической оценки состояния зернового агроценоза в почвозащитном земледелии приобской лесостепи Западной Сибири (стр. 2 )

В результате дополнительной статистической обработки получили образование сорных растений из шести групп.

Так, типичными представителями первой группы оказались Artemisia vulgaris L., Linaria vulgaris Mill. и др. Типичными представителями второй группы оказались Artemisia campestris L., Centaurea scabiosa L.. Типичными представителями третьей группы оказались Cirsium vulgare (Savi) Ten., Cirsium setosum (Willd.) Bess. и др. В четвертую группу вошли растения, подобные Stellaria media (L.) Vill., Lappula squarrosa (Retz.) Dum. В пятую группу вошли растения мощные растения первого-второго ярусов Sonchus arvensis L., Cannabis sativa L. и др. В шестую группу вошли мелкие растения нижних ярусов агрофитоценоза, которые лишь благодаря исключительной выносливости и мощным механизмам возобновления побегообразования представляют постоянный компонент насаждения: .Berteroa incana (L.) DC, Lepidium ruderale L., Stellaria longifolia Muehl. ex. Willd. и др.

Поскольку проекции объектов шести групп составляют компактные непересекающиеся множества, неоднородность популяции сорняков по габитусу растений очевидна. Объединение параметров внутри групп позволило рассчитать среднюю массу растения в группе. Сопоставление ее со средним увлажнением годов позволило идентифицировать эмпирические и регрессионные зависимости массы одного сорного растения от степени увлажнения (рис. 3).

Рис. 3- Зависимость групп сорных растений (по средней массе одного растения) от степени увлажнения

Установлено, что максимальные антропогенные нагрузки в виде вспашки и комплексного применения химических средств защиты основной культуры пока справляются с массовым заселением зернового агрофитоценоза сообществом сорных растений. Но в то же время, применяемые гербициды явно не справляются с вьюнком полевым, льнянкой, молочаем, полынями и другими сорными растениями, усиливая тем самым дифференциацию сообщества сорняков в агрофитоценозе.

Для предварительной оценки и прогноза, общую фитомассу сорняков по имеющимся материалам приблизительно установили перемножением встречаемости данного вида на среднюю массу одного растения.

Проведена оценка зависимости массы сорняков от предшествующей засоренности и увлажнения текущего года. Таких экспериментальных случаев оказалось 23240. По ним были произведены регрессионные расчеты, отраженные на рисунке 4

Рис. 4– Тренд нарастания общей фитомассы сорняков за гг.

Вычисления отразили в формуле прогноза:

My=3.92×mt+0.501×w; R=0.96; (4.3.1)

где, Му - общая фитомасса сорных растений;

m – средняя масса одного сорного растения;

t – время;

w – уровень антропогенных нагрузок.

Так, в среднем за восемь лет изучения в среднем, сохранение режима использования, сложившегося в севообороте в течение года приводит к учетверению (3,92) массы сорняков.

Таким образом, доказано, что разные типы увлажнения оказывают достоверное влияние на сообщество сорных растений. Типы увлажнения в основном определяют преимущество той или иной группировки сорных растений перед другими. С учетом предшествующей засоренности и увлажнения текущего года, сохранение антропогенной нагрузки на прежнем уровне приводит к учетверению (3,92) фитомассы сорных растений.

5. Адаптации сорных растений к антропогенным нагрузкам

5.1 Эдафо-климатические приспособления

Для исследования устойчивости видов сорных растений использовали прямой градиентный анализ, разработанный школой уфимских фитоценологов под руководством (1989). В системе основной обработки почвы (СООП) последовательно происходит падение интенсивности её обработки до полного отсутствия (нулевая зяблевая обработка почвы). В градиенте химической нагрузки постепенно происходит увеличение числа применяемых средств защиты растений до полного комплекса (инсектициды, гербициды, фунгициды, ретарданты, минеральные удобрения). Введены четыре класса, отражающие тенденцию более частой встречаемости тех или иных видов сорной растительности на вспашке, безотвальной, минимальной и нулевой обработках. Подгруппы характеризовали относительную устойчивость сорных видов растений к градиенте химической нагрузки. Схема классификации видов показана в таблице 2.

Таблица 2 - Схема классификации сорных растений по их отношению к системе основной обработки почвы (СООП) и уровню химической нагрузки

СООП	Устойчивость к химической нагрузке
без химической нагрузки (a)	гербициды (b)	удобрения +фунгициды (c)	удобрения+гербициды+фунгициды (d)
Вспашка (I)	Ia	Ib	Ic	Id
Безотвальная (II)	IIa	IIb	IIc	IId
Минимальная (III)	IIIa	IIIb	IIIc	IIId
Нулевая (IV)	IVa	IVb	IVc	IVd

Обнаружено, что при увеличении механического воздействия на почву увеличивается число и постоянство видов, имеющих относительную устойчивость к химическим обработкам.

5.2 Морфологические приспособления

Установлено, что минимальные зяблевые обработки почвы способствуют развитию в большей степени сорные растения с розеточным типом побегообразования. Они занимают 36.0 % от общего числа сорных растений. Второе место занимают безрозеточные (33.7 %), третье – полурозеточные растения (30.3 %), что хорошо согласуется с установленными закономерностями развития безрозеточных и розеточных растений и их тесной взаимосвязи с экологическими условиями среды. Более прогрессивный, с точки зрения растения, розеточный тип побегообразования может противостоять наиболее неблагоприятным условиям в агрофитоценозе. Подавляющее большинство видов являются симподиальными, на долю моноподиальных сорняков приходится только 4.5 % от всего видового разнообразия.

Выяснилось, что по характеру перезимовки при почвозащитном земледелии летнезеленые сорные растения составляют 64.1 %, зимнезеленые – 27%, вечнозеленые – 8.9 %. Количество летнезеленых сорных растений уменьшается по мере минимизации обработок почвы, что связано с большими конкурентными способностями зимнезеленых и вечнозеленых сорняков. Вечнозеленые растения чаще всего укоренялись на вариантах с нулевой зяблевой обработкой и полностью отсутствовали на минимальной обработке.

Установлено также, что к моменту созревания яровой пшеницы (25 декада от начала года), основная масса сорных растений ещё не закончила формирования генеративных побегов, а их отмирание происходит значительно позже. Это очень важный факт, который необходимо учитывать в почвозащитном земледелии, так как семена сорных растений будут сосредотачиваться на поверхности почвы, либо заделываться неглубоко.

5.3 Ритмофенотипические приспособления

В составе сорного сообщества зернового агрофитоценоза обнаружено 20 групп растений с различными ритмами цветения. Наибольшее число сорных растений в зерновом агрофитоценозе лесостепи Приобья цветет в три срока: ранне-среднелетний (16,4%) период, летний (13,5%) и среднепозднелетний (13,5%) период. Общий срок цветения 43.4% сорных растений агрофитоценоза растягивается на три летних месяца. Оставшиеся 52,6% занимают сорные растения с летне-осенним фенотипом цветения. Эта группа сорных растений характерна для почвозащитных приемов обработки почвы. А если учесть широкое распространение вторичного цветения, приходящегося на вторую половину вегетационного периода, то говорить о фенологической насыщенности агрофитоценоза не приходится. Нельзя судить о степени фенологической насыщенности также на основании только распределения во времени цветения. Во вторую половину лета совершаются важнейшие в биологическом отношении процессы созревания плодов и семян, которые также являются элементами фенологического развития сорных растений.

Рассматривая динамику отмирания генеративных побегов, установлено, что в течение июня генеративные побеги отмирают у небольшого сорных растений (18 декада) (рис. 5).

Рис. 5 – Динамика отмирания генеративных побегов сорных растений в зерновом агрофитоценозе, гг.

Но уже с первой декады июля и вплоть до конца октября ежедекадно генеративные побеги отмирают у значительного числа видов. В третьей декаде октября происходит отмирание побегов у наибольшего числа видов (17.9%). Для сравнения, в естественных экосистемах лесостепи, максимальное значение этого показателя приходится на 27 декаду, т. е. на месяц раньше, что вызвано, вероятно, вторичными процессами цветения в агрофитоценозе, стимулированными антропогенными нагрузками.

Таким образом, к моменту созревания яровой пшеницы (25 декада), основная масса сорных растений ещё не закончила формирования генеративных побегов, а их отмирание происходит значительно позже. Это очень важный факт, который необходимо учитывать в адаптивно-ландшафтном земледелии, так как семена сорных растений будут сосредотачиваться на поверхности почвы, либо заделываться неглубоко.

6. Основные ассоциации сообщества сорных растений

в зерновом агрофитоценозе

6.1 Классификация сообществ сорных растений

Для анализа сорной растительности в зерновом агроценозе, мы воспользовались наиболее приемлемой для наших исследований классификацией с соавторами (1985). На основании диагностических комбинаций высших единиц сегетальной растительности, были выбраны диагностические виды, характерные для агрофитоценозов лесостепи Приобья. Основную диагностическую роль несут геофиты, которые в меньшей степени подвержены влиянию основной культуры, а постоянство терофитов изменяется в больших пределах, они по этой причине были повторно использованы при различении ассоциаций и субассоциаций.

Поскольку почвенно-климатические условия на полевом стационаре из года в год сходные, то на формирование ассоциаций сегетальных сообществ основное влияние оказывал долговременный (в течение 18 лет) неизменный агроценотический фактор. Число ассоциаций по этой причине невелико – 8. Ассоциации разделены на субассоциации также по видам-индикаторам изменения уровня агроценотических нагрузок и отражают систему основных обработок почвы и систему химической защиты основной культуры.

Ассоциация Lactucetum tataricae имеет преимущественное постоянство в годы с острозасушливым типом увлажнения, когда сумма положительных температур вегетационного периода ∑t > 10°С находится в пределах 2°С, а коэффициент увлажнения Ку соответствует значению < 0.58. Видовая насыщенность и проективное покрытие во всех полях севооборота низкие и варьируют от 3-х видов и 7 % в механическом пару до 13 видов и 27 % в посевах бессменной пшеницы почти на всех вариантах основной обработки почвы и химической защиты основной культуры

Ассоциация Lathyro-Lactucetum tataricae характеризует сообщество, наиболее распространенное на парах и на поле с бессменной пшеницей. Видовая насыщенность гораздо выше, чем в предыдущей ассоциации. Преимущественное постоянство имеет в годы с коэффициентом увлажнения Ку в пределах от 1.0 до 1.27. Отмечено в разные годы от 24 до 42 видов сорных растений, принадлежащих к данной ассоциации. Проективное покрытие также колеблется от 4 – 10 % на парах в севообороте до 50 % на вариантах с нулевой обработкой в поле с бессменной пшеницей.

Ассоциация Cannabio-Sinapetum. Ассоциация входит в союз Galeopsion bifida. Это самый богатый в видовом отношении союз. Представители союза имеют преимущество в прохладные и умеренно-влажные годы, когда сумма положительных температур ∑t > 10°С находится в пределах < 1630. Проективное покрытие сорных видов сообществ ассоциации варьирует от 4 – 9 % в посевах озимой ржи и на парах до 35 – 48 % в посевах яровой пшеницы севооборота и на бессменной пшенице. Видовая насыщенностьвида.

Ассоциация Galeopsetum bifidae. Ассоциация входит также как и предыдущая в союз Galeopsion bifida. Преимущество имеет в годы, когда сумма положительных температур ∑t > 10°С за вегетационный период колеблется в пределах от 1630 до 1770 °С. Представители этой ассоциации имеют большую моду постоянства на озимой ржи и на яровой пшенице в системе севооборота и вне её, причем одинаково хорошо переносят как вспашку так и мелкое плоскорезное рыхление. Ассоциация в целом, менее устойчива к химическим обработкам в сравнении с Cannabio-Sinapetum. Проективное покрытие сорных видов от 3 – 17 % на озимой ржи до 7 – 56 % на яровой пшенице.

Ассоциация Lactuco-Artemisietum имеет преимущественное постоянство в годы с умеренно-дефицитным типом увлажнения, когда сумма положительных температур ∑t > 10°С находится в пределах °С, а коэффициент увлажнения Ку соответствует значениям 0Проективное покрытие %, видовая насыщенность видов.

Ассоциация Lactuco-Carduetum имеет высокое постоянство на нулевых обработках почвы в посевах пшеницы второй и третьей культуры после пара и на полях с бессменной пшеницей в дефицитные по типу увлажнения годы, когда сумма положительных температур ∑t > 10°С находится в пределах °С, а коэффициент увлажнения Ку соответствует значениям 0Видовая насыщенность ассоциации Lactuco-Carduetum высокаявидов, проективное покрытие достигает 45 %.

Сорные растения ассоциации Cirsio-Potentilletum, не имеют четко выраженной приуроченности к определенному типу увлажнения вегетационного периода. Сорные растения этой ассоциации способны развиваться в посевах озимой ржи и яровой пшеницы в системе севооборота и вне её в годы, когда сумма положительных температур ∑t > 10°С находится в пределах от 1630 до 1860 °С. Связано это отчасти с многочисленными доминантными видами, представляющими ассоциацию. Видовая насыщенность сегетальных сообществ ассоциации высокая –вида, что связано с резким увеличением числа гемикриптофитов на минимальной и нулевой зяблевыми обработками и относительно неустойчивыми к гербицидным обработкам. Проективное покрытие также высокое –%.

Ассоциация Matricario-Taraxacetum officinalis имеет высокое постоянство на нулевых обработках почвы в посевах яровой пшеницы в системе севооборота и вне его в умеренно переувлажненные годы, когда сумма положительных температур ∑t > 10°С находится в пределах < 1630°С, а коэффициент увлажнения Ку соответствует значению > 1.27. Видовая насыщенностьвидов, что связано с тем, что в условиях достаточного увлажнения создаются оптимальные экологические условия для благоприятного развития основной культуры, которая успешно конкурирует с засорителями. Проективное покрытие сорных видов колеблется от 4 – 6 % в посевах пшеницы – второй культуры после пара, до 33 % в пшенице – бессменной культуре

Таким образом, выделенные ассоциации дифференцированы в основном по гемикриптофитам и гемитерофитам, наиболее адаптированным к условиям почвозащитных обработок почвы и учитывая современную тенденцию к минимизации, вплоть до полного отказа от основной обработки почвы в земледелии Приобья, при возделывании зерновых культур на выщелоченных черноземах, все большее значение станут приобретать сорные растения, вышеназванных ассоциаций. Они являются также относительно устойчивыми к различной степени химической нагрузки, вплоть до использования полного комплекса защиты растений.

7. Особенности сукцессии сообществ сорных растений агрофитоценозе

Мы имеем дело с вторичными автогенными сукцессиями, происходящими в зернопаровом пятипольном севообороте 1гг. исследований и четырёхпольном с пятым полем бессменной пшеницы - в гг. четырехпольном зернопаровом севообороте и на бессменной пшенице.

В своих рассуждениях исходим из представления об обусловленности смены видов сорной растительности наличием полного набора почвенного банка семян и считаем, что варианты с минимальной и нулевой зяблевыми обработками почвы с полным комплексом химической нагрузки при возделывании зерновых культур являются эталонными. Результаты анализа факторов, влияющих на характер сукцессии на сорное сообщество в зернопаровом севообороте и на бессменной пшенице показаны в табл. 3.

Таблица 3 - Результаты дисперсионного анализа влияния факторов сукцессии сорного сообщества в зернопаровом севообороте и на бессменной пшенице

Показатели	Доли дисперсии факторов
А	В	С	АВ	ВС	АС
Число видов	0.12	0.15	0.70	0.05	0.03*	0.05
Фитомасса	0.09	0.11	0.25	0.26	0.33	0.19
Общее проективное покрытие	0.10	0.19	0.33	0.12	0.01*	0.05
Плотность	0.15	0.14	0.38	0.07	0.04*	0.06
Примечание – А - система основной обработки почвы, В-уровни химической нагрузки, С-сукцессионное время * - cила влияния фактора недостоверна на Р<0.95

Установлено, что изучаемые факторы - система основной обработки почвы и уровни химической нагрузки посевов существенно влияли на характер сукцессии, вклад в вариацию признаков сорного сообщества был также достоверным. На основании сравнения четырех ротаций зернопарового севооборота убедительно показано, что главным фактором, определяющим видовой состав сорного сообщества растений является фактор сукцессионного времени. Система зяблевой обработки почвы и полный комплекс химической нагрузки оказывали достоверное статистическое влияние в формировании видового состава сорной флоры.

Сукцессии сообщества сорных растений в почвозащитном земледелии протекают в соответствии с моделью толерантности, когда за счет повышения общего уровня конкуренции и дифференциации ниш виды сегетальной ориентации постепенно вытесняются видами естественных сообществ гемикриптофитами и гемитерофитами. Сукцессионные процессы в зернопаровом севообороте проследили на примере ассоциации Lactucetum-tataricae. Это типичное сообщество сорных растений на эталонных вариантах без зяблевой обработки почвы и полным комплексом химической нагрузки посевов занимает в ротацию () 51% от общего обилия видов, с большим перевесом геофитов и терофитов в своем составе (до 67%). В ротацию за годы продолжается постепенное снижение доли ассоциации Lactucetum-tataricae в засорении рассматриваемых эталонных вариантов и наблюдается перераспределение экологических ниш. К концу ротации годов уже не отмечалось явного преобладания ни у одной растительной ассоциации, в то время как доля гемикриптофитов по отношению к остальным группам сорняков составила 71% (рис.6).

Рис.6 – Долевое участие ассоциаций сорного сообщества зернопарового севооборота и бессменной пшеницы в ходе сукцессии на вариантах без зяблевой обработки почвы при полном комплексе химической нагрузки посевов:1 - Lactucetum-tataricae; 2 - Lathyro-Lactucetum tataricae; 3 - Cannabio-Sinapetum; 4 - Galeopsetum bifidae; 5 - Lactuco-Artemisietum austriacae; 6 - Cirsio-Potentilletum impolitae; 7 - Lactuco-Carduetum crispi; 8 - Matricario-Taraxacetum officinalis.

Закономерности рассматриваемого сукцессионного процесса характерны и для вариантов со вспашкой и безотвальной обработкой почвы при используемых химических нагрузках, но интенсивность данного процесса значительно ниже чем при почвозащитных зяблевых обработках.

8. Модифицирующее влияние антропогенного фактора на сорную растительность и почвенную биоту

8.1 Критерии формирования почвенной среды в зерновых агрофитоценозах

На основании семилетних исследований ( гг.) на центральном опытном поле ГНУ СибНИИЗХим подтвердили установленную ранее закономерность о выравнивающем эффекте изучаемых зяблевых обработок почвы в результате применения комплекса химических средств интенсификации. Например, урожайность яровой пшеницы – третьей культуры после пара на фоне комплексной химизации по зяблевой вспашке, составила 3,0 т/га, по безотвальной – 3,4 по минимальной – 3,1, при отсутствии зяблевой обработки – 3,0 т/га. Однако, на фоне без химических средств интенсификации урожайность пшеницы – 3-ей культуры после пара на вариантах опыта с почвозащитной обработкой существенно уступала ежегодной зяблевой вспашке. Так в среднем за 1годы исследований урожайность данной культуры по вспашке составила 1,5 т/га против 1,3 и 1,2 т/га соответственно при мелкой плоскорезной и нулевой зяблевым обработкам.

Сформулированы критерии минимизации обработки почвы, которые определяются короткоротационными севооборотами, гидротермическими особенностями зоны, уровнем технического обеспечения, плодородия, эродированности и интенсивности земледелия.

Для более эффективного освоения почвозащитного земледелия необходимо увязать критерии минимизации обработки почвы с процессами разуплотнения и уплотнения чернозёма и соотношением твердой, жидкой, газообразной фазами почвы, которые, безусловно, повлекут за собой и соответствующие изменения в структуре сорного сообщества и связанных с ними комплекса беспозвоночных животных, особенно, наземных и почвенных (Власенко, Слесарев, Синещеков, Красноперов, 2004).

8.2 Ведущие факторы формирования урожайности зерновых культур

Установлено, что ведущими факторами в формировании урожая зерновых культур являлись предшественники в зернопаровом севообороте, погодные условия и их взаимодействие с фонами химизации. В изучаемом полевом севообороте урожайность зерновых на контроле (без средств химизации) по зяблевой вспашке было около 20 ц/га. На этом же уровне урожайность держалась на следующих вариантах обработки почвы: 1) чередования вспашки с минимальной и нулевой, 2) безотвальной и 3) безотвальной комбинированной. По ежегодной минимальной и нулевой зяблевой обработке урожайность зерновых в среднем по севообороту существенно снижалась в сравнении со вспашкой. Отмеченное уменьшение урожая по двум последним вариантам обработки, на наш взгляд, вызвано повышенной засоренностью посевов, а также более резко выраженным дефицитом почвенного азота. Усиление засоренности посевов на этих двух вариантах опыта связано с закономерным внедрением видов сорной растительности - выходцев из местной флоры, ранее не отмечавшихся в данном агрофитоценозе. Они представлены несколькими жизненными формами (по К. Раункиеру), входящими в различные растительные ассоциации порядка Achilletalia millefolii класса Secalietea. Среди них можно выделить терофиты (Capsella bursa-pastoris и др.), гемитерофиты (Berteroa incana и др.), гемикриптофиты (Pastinaca sativa и др.) и геофиты (Equisetum pretense и др.).