Агроэкологические и экономико-энергетические основы оптимизации полевых севооборотов в среднем Заволжье (стр. 1 )

На правах рукописи

ТЕРЕНТЬЕВ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПОЛЕВЫХ СЕВООБОРОТОВ В СРЕДНЕМ ЗАВОЛЖЬЕ

Специальность 06.01.01. - общее земледелие

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

КИНЕЛЬ-2007

Работа выполнена в ГНУ Самарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства им. Тулайкова в гг.

Научный консультант:	Заслуженный деятель науки РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Официальные оппоненты:	доктор сельскохозяйственных наук, профессор, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заслуженный агроном РФ доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Ведущая организация:	ГНУ Ульяновский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Защита диссертации состоится «29» мая 2007 года в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д. 220.058.01 при ФГОУ ВПО Самарской государственной сельскохозяйственной академии

Адрес: Самарская область, г. Кинель, пгт. Усть-Кинельский, ФГОУ ВПО Самарская ГСХА, диссертационный совет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Самарской государственной сельскохозяйственной академии

Автореферат разослан «_29_» ___марта_______ 2007 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В степных засушливых районах Среднего Заволжья проблема повышения устойчивости производства зерна имеет особо большое значение. Эта зона в растениеводстве специализируется на выращивании высококачественного продовольственного зерна пшеницы и других культур.
Одним из основных средств для увеличения производства зерна является использование специализированных севооборотов, которые в настоящее время, в связи с коренным изменением основ земледелия и переходом его на рыночные условия, нуждаются в оптимизации по агроэкологическим и экономико-энергетическим принципам. В изменившихся условиях сельскохозяйственного производства необходимы новые модели построения севооборотов и связанных с ними технологий возделывания культур.

Поэтому настоящая работа имеет большое научное и практическое значение. Экспериментальная часть работы выполнялась в Самарском НИИСХ в гг. в соответствии с государственными заданиями по земледелию и являлась составной частью тематических планов института.

Цель и задачи исследований. Целью исследований являлась теоретическая и практическая разработка основ оптимизации севооборотов в Среднем Заволжье для повышения их продуктивности, рентабельности и плодородия почвы.

В задачи исследований входило:

- изучить влияние климатических и антропогенных факторов на урожайность сельскохозяйственных культур в Среднем Заволжье;

- определить влияние разных видов севооборотов на засоренность посевов, водный и пищевой режимы почвы, баланс органического вещества, урожайность сельскохозяйственных культур, продуктивность севооборотов, устойчивость производства зерна и его качества;

- дать энергетическую и экономическую оценку севооборотов;

- изучить влияние средств и уровней интенсификации в разных звеньях севооборотов на засоренность посевов, пищевой режим, агрохимические свойства почвы и показатели почвенного плодородия;

- определить влияние уровней и средств интенсификации на урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность севооборотов;

- дать энергетическую и экономическую оценку разных технологий возделывания сельскохозяйственных культур в севооборотах;

- построить модели оптимизации производства зерна в севооборотах Среднего Заволжья.

Выносимые на защиту положения:

- эффективность зернопаровых и зернопаропропашных севооборотов с 20-25 % чистого пара в условиях Среднего Заволжья, как средства обеспечивающего выход зерна на уровне 20-30 ц с 1 га пашни с высоким коэффициентом устойчивости 0,75, уровнем рентабельности 60-70%, окупаемостью энергетических затрат в 2 раза и высокое качество продовольственного зерна пшеницы с содержанием сырой клейковины 30-35% и натуры зерна 770-790 г/л;

- модели оптимальных уровней интенсификации зернопаровых, зернопропашных и зерновых звеньев севооборотов с использованием менее энергоемких обработок почвы, средних доз удобрений и минимального количества гербицидов со сниженинм себестоимости продукции на 30 % по сравнению с традиционными технологиями;

- модели оптимизации плодородия почвы в специализированных на производстве зерна севооборотах с использованием органической массы соломы зерновых культур и ресурсосберегающих систем обработки почвы, снижающих минерализацию гумуса до 40 %.

Научная новизна. Впервые для зоны Среднего Заволжья определено статистически-вероятностное влияние осадков, температуры воздуха и систем земледелия на урожайность сельскохозяйственных культур, проведена классификация типов лет с различными сочетаниями режимов увлажнения и тепла. Проведена широкая оценка севооборотов и уровней интенсификации в них по агроэкологическим и экономико-энергетическим показателям, в том числе по почвенному плодородию, балансу гумуса и его фракционному составу, определена производительность агроэкосистем на единицу совокупных энергетических, денежных и трудовых затрат. Получены на основе комплексных оценок оптимизационные модели производства зерна в специализированных севооборотах Среднего Заволжья по показателям устойчивости производства зерна, выхода продукции, воспроизводства почвенного плодородия, уровней интенсификации использования пашни и технологий возделывания, экономической эффективности.

Практическая ценность. В результате проведенной научной работы и создания оптимизационных моделей производства зерна были разработаны основы эффективных систем земледелия для засушливой зоны Среднего Заволжья, включающие зернопаровые и зернопаропропашные севообороты с удельным весом чистых паров 20-25%, средние по интенсивности уровни применения удобрений и гербицидов, ресурсосберегающие системы основной обработки почвы и приемы воспроизводства почвенного плодородия.

Результаты исследований были использованы при разработках федеральных и региональных программ «Зерно» в 80-90-тые годы, составлении систем ведения сельского хозяйства и «Систем земледелия» в Самарской области, рекомендаций для производства при внедрении влаго - и ресурсосберегающих технологий на площади 1,2 млн. га.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всесоюзных совещаниях Координационного совета по севооборотам и борьбе с сорняками (Москва, 1986,1987,1988), ВДНХ СССР (Москва, 1987,1988), научно-практической конференции, посвященной 90-летию Самарского НИИСХ (Безенчук, 1993), научно-практической конференции, посвященной 85-летию НИИСХ Юго-Востока (Саратов, 1995), 44 научной конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов Самарской ГСХА (Кинель, 1997), Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию Самарского НИИСХ и 70-летию Поволжского НИИСС (Самара, 2003).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 43 научные работы, в том числе 6 – в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Работа изложена на 254 страницах, состоит из введения, 7 глав, выводов и рекомендаций производству, содержит 106 таблиц, 27 рисунков, 44 приложения. Список использованной литературы включает 423 источника, в том числе 49 на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Совершенствование севооборотов как основы современных

систем земледелия (обзор литературы)

В первой главе изложены современные теоретические проблемы совершенствования севооборотов, связанные, прежде всего, с развитием научных знаний о них как об агроэкосистемах, способных включать процессы и механизмы саморегуляции и устойчиво формировать максимальную сельскохозяйственную продукцию.

Важными направлениями совершенствования севооборотов являются:

- оптимизация севооборотов по насыщению их ведущими культурами;

- биологизация и повышение роли севооборотов в сохранении плодородия почвы;

- разработка севооборотов и систем земледелия, обеспечивающих устойчивое производство сельскохозяйственной продукции;

- установление оптимальных параметров интенсификации пашни в севооборотах;

- повышение энергетической и экономической эффективности севооборотов и технологий возделывания сельскохозяйственных культур.

Основной вывод по обзору литературы - в настоящее время возникает необходимость во всесторонней агроэкологической и экономико-энергетической оценке специализированных на производстве зерна севооборотов при различных уровнях интенсификации использования пашни и создания на этой основе оптимизационных моделей производства зерна и повышения плодородия почвы для условий степных районов Среднего Заволжья.

Глава II. Краткая характеристика климатических и почвенных

условий степных районов Среднего Заволжья

Во второй главе даются характеристики климата, почвы, биоклиматического потенциала продуктивности пашни района исследований и метеорологические условия в годы исследований.

Исследования проводились на опытном поле отдела земледелия Самарского НИИСХ, находящегося на территории Безенчукского района Самарской области. Район исследований относится к левобережной степной зоне, которая занимает 31% территории Самарской области.

Степное Заволжье характеризуется резко континентальным климатом с низкими зимними и высокими летними температурами, значительным непостоянством осадков и температуры по годам и месяцам, быстрыми переходами от весны к лету, недостаточной влагообеспеченностью посевов, частыми проявлениями засух и суховеев.

Амплитуда колебаний температур между абсолютным минимумом и максимумом годовой температуры составляет 70-83,20С, а колебаний годовых осадков - 208-688 мм при среднегодовом количестве – 430 мм. Гидрометрический коэффициент вегетационного периода (ГТК) в черноземной степи составляет 0,7.

В зоне исследований довольно значительный энергетический резерв для выращивания высоких урожаев, ресурсов тепла достаточно для созревания основных сельскохозяйственных культур. Урожайность сельскохозяйственных культур находится в большой зависимости от количества осадков, выпадающих за время наиболее интенсивного роста и в критические периоды развития растений. Её можно значительно повысить, используя влагосберегающие технологии.

Район исследований по геоморфологическому районированию относится к Низменному Степному Заволжью (Заволжская Провинция), расположенному на трех древних волжских террасах, представленных плоскими, широковолнистыми, слабо расчлененными равнинами. Фон почвенного покрова составляют террасовые черноземы.

Опытные поля Самарского НИИСХ расположены в западной части засушливой черноземной степи на двух террасах реки Волги: миндельской (южная часть) и рисской, занимающей большую часть территории.

Преобладающие почвы опытного поля – чернозем террасовый обыкновенный, малогумусный, среднемощный, средне - и тяжелосуглинистый. Содержание гумуса в горизонте А – 3,94-4,08%, В1 – 2,16 -2,96%. Почвы опытных полей сравнительно бедны общим азотом и фосфором, характеризуются средним содержанием легкогидролизуемого азота и подвижного фосфора и высоким содержанием обменного калия.

Метеорологические условия в годы исследований были типичными для климатической зоны.

Из 18 лет исследований, 12 (или 67%) имели сравнительно благоприятными погодными условиями для развития сельскохозяйственных культур. Это – 1980, , 1993 и 1997 годы. В эти годы количество осадков за сельскохозяйственный год и вегетационный период находилось на уровне или выше многолетней нормы.

Остальные годы (6 лет или 33%) отличались засушливой погодой с минимальным количеством осадков в вегетационный период, средней температурой воздуха выше многолетней нормы и низкими ГТК. Это – 1981, 1988, 1992, 1994, 1995 и 1996 годы.

Многообразие и типичность погодных условий лет исследований позволило получить репрезентативный ряд опытных данных.

Глава III. Методика проведения работы

Исследования проводились в течение гг. в двух многолетних полевых стационарных опытах.

В первом стационаре изучались разные виды специализированных на производстве зерна девятипольных севооборотов, развернутых во времени и пространстве: зернопаропропашной с двумя полями чистого пара (22 %); зернопаропропашной с одним полем чистого пара (11 %); зернопропашной с двумя полями занятого пара (22 %); зернопаротравянопропашной с одним полем чистого пара (табл. 1).

С 1991 года в схему опыта были внесены изменения. На основе существующих севооборотов методом расщепления делянок было развернуто изучение приемов обеспечения бездефицитного баланса гумуса. Органическое вещество пополнялось за счет навоза, соломы озимых и сидератов.

Во всех севооборотах за ротацию проводились три глубокие обработки почвы на 28-30 см: при вспашке паров под озимые и зяби под парозанимающие культуры. В зернопаротравянопропашном севообороте одна из глубоких обработок проводилась под яровую пшеницу с подсевом люцерны.

Дозы минеральных удобрений рассчитывались на планируемый урожай сельскохозяйственных культур с учетом выноса питательных веществ растениями. В сумме за ротацию вносилось по N550P260K240 кг действующего вещества, дозы навоза составляли от 1,5 до 2,5 т на 1 га севооборотной площади в зависимости от вида севооборотов (с учетом использования соломы озимых и сидератов).

Расположение вариантов в опыте систематическое последовательное, повторность трехкратная, учетная площадь делянки 1080 м2 (10,8 х 100 м), с 1991года - 550м2 (5,5 х 100 м).

Во втором стационаре в течение годах проводились исследования по изучению средств и уровней интенсификации в севооборотах. В многофакторном полевом опыте изучалось действие и взаимодействие трех фонов питания, шести систем обработки почвы и двух вариантов средств борьбы с сорняками.

Первый фон питания представлял неудобренный вариант, второй - средний уровень удобрений (использование среднезональных доз – 75 кг д. в. NРК на 1 га пашни), а третий - интенсивный уровень (по расчётам на программируемый урожай – 120 кг д. в. NРК на 1 га пашни).

Таблица 1

Схемы опытных девятипольных севооборотов (закладка опыта в 1968 г.)

№ поля севооборота	Вид севооборота, чередование культур
I (зернопаропропашной)	II (зернопаропропашной)	III (зернопропашной)	IV (зернопаротравянопропашной)
1	Черный пар	Черный пар	Горох на зерно (на зеленый корм)	Черный пар
2	Озимая рожь	Озимая рожь	Озимая рожь	Озимая рожь
3	Яровая пшеница	Яровая пшеница	Яровая пшеница	Яровая пшеница с подсевом люцерны
4	Кукуруза на силос	Кукуруза на силос	Кукуруза на силос	Люцерна 1-го года на сено
5	Яровая пшеница	Яровая пшеница	Яровая пшеница	Люцерна 2-го года на сено
6	Черный пар	Вико (горох)-овес на сено	Вико (горох)-овес на сено	Яровая пшеница
7	Озимая рожь	Озимая рожь	Озимая рожь	Яровая пшеница
8	Яровая пшеница	Яровая пшеница	Яровая пшеница	Кукуруза на силос
9	Ячмень	Ячмень	Ячмень	Ячмень

Варианты обработки почвы включали отвальную, безотвальную, мелкую безотвальную, комбинированную, комбинированную с элементами минимализации и минимальную системы. Изучались агротехнические и химические методы борьбы с сорняками.

Исследования проходили в трех звеньях севооборотов, развернутых во времени: паровое звено: черный пар - озимая рожь (пшеница) - яровая пше - ница – ячмень; пропашное звено: кукуруза - яровая пшеница – ячмень и зерновое звено: просо - яровая пшеница - ячмень.

Опыт закладывался по методу расщепленных делянок, размещение вариантов последовательное, повторность трехкратная, площадь делянок 0,11 га (11 х 100 м).

Агротехника опытов (в соответствии со схемами опытов) включала основную обработку почвы, обработку паров, предпосевную обработку, посев и уход за посевами озимых, яровых культур и многолетних трав.

Высевались следующие сорта: озимой ржи - Безенчукская-3, Саратовская-5; озимой пшеницы – Мироновская 808 и Безенчукская г.); яровой пшеницы - Саратовская 46, Жигулевская; ячменя – Донецкий 8; гороха - Воронежский, Неосыпающийся 1 и Куйбышевский; проса - Саратовское 6; кукурузы – раннеспелые гибриды Коллективный 210, 172 и 160.

Из повсходовых гербицидов на яровых зерновых, просе и кукурузе применялись: аминная соль 2,4 Д (0,8 кг д. в. на 1 га), аминная соль 2,4 Д + лонтрел (0,8 + 0,09 кг) и кросс (0,3 кг). Перед посевом кукурузы вносился почвенный гербицид эрадикан (7 л на га по препарату).

Учет урожая зерна озимых и яровых зерновых культур проводился комбайном "Сампо-500", зеленой массы и сена вико - овса, люцерны и кукурузы (зеленой массы) – вручную.

В опытах проводились следующие наблюдения и учеты: динамика физико-химических свойств почвы (гумус, кислотность, сумма поглощенных оснований, валовое содержание азота, фосфора и калия, подвижные формы азота, фосфора и калия); влажность почвы; динамика пищевого режима; наблюдения за прохождением основных фаз роста и развития растений; учет густоты стояния растений; биометрические наблюдения; засоренность посевов; структура урожая; учет урожая и качества зерна.

Математическая обработка опытных данных проводилась методом дисперсионного анализа по , вариационной статистики и корреляционно-регрессионного анализа.

Экономическая эффективность определялась по общепринятой методике, биоэнергетическая эффективность рассчитывалась по "Методике оценки эффективности систем земледелия на энергетической основе" (1989г.).

9

Глава IV. Влияние погодно-климатических и антропогенных

факторов на урожайность сельскохозяйственных

культур в Среднем Заволжье

В четвёртой главе представлены результаты определения статистически-вероятностного влияния осадков, температуры воздуха и систем земледелия на урожайность сельскохозяйственных культур, проведена классификация типов лет с различными сочетаниями режимов увлажнения и тепла.

Были исследованы продолжительные ряды многолетних наблюдений в Самарской губернии ( гг.) и Самарском НИИСХ ( гг.) за динамикой погодных факторов и урожайностью яровой пшеницы с использованием методов вариационной статистики, корреляционно-регрессионного анализа и теории вероятности.

Статистический анализ динамики урожайности яровой пшеницы с 1801 по 1995 годы показал ее рост с развитием уровня агротехники, несмотря на колебания, связанные с погодными условиями. Научно–технический прогресс способствовал получению возрастающей урожайности и появлению высоких урожаев чаще. В тоже время природно-климатические факторы также изменялись с начала ХІХ века и по настоящее время.

Исследование эволюции осадков за период с 1905 по 1995 гг. показало, что их количество за сельскохозяйственный год нарастало от начала до конца периода по уравнению полинома 5й-степени. Рост составил 151мм, скорость процесса - 3,36 мм в год. Была обнаружена сильная зависимость количества осадков и урожайности яровой пшеницы. Коэффициент регрессии связи количества осадков за сельскохозяйственный год и урожая составил 0,901, холодного периода – 0,888 и теплого периода – 0,685.

Эволюция урожайности, описанный уравнением регрессии за данный период, имела сходный характер с эволюцией осадков. Установлено, что до 50-х годов ХХ века на 1 ц яровой пшеницы в среднем расходовалось 31,3 мм осадков сельскохозяйственного года, а в 80-тые - 21,5 мм, то есть более рационально (на 31,3 %). Поэтому можно считать, что 31,3% прироста урожайности шло за счет антропогенных факторов, а 68,7% - за счет прироста количества осадков.

Кроме осадков значительное влияние на формирование урожаев оказывает температура воздуха за теплый период. Группировка показателей температур воздуха в Среднем Заволжье позволила установить, что температурный режим периода мая - август сильно коррелирует с урожайностью яровой пшеницы (УХ=0,741). Наибольшая урожайность её формируется при среднесуточной температуре этого периода в 17оС. Наиболее характерный уровень урожайности находится в пределах 8-20,0 ц/га при среднесуточных температурах воздуха за теплый сезон от 14 до 21оС. Количество таких лет составляет 54,8 %.

Изучение характера эволюции среднесуточной температуры воздуха за теплые месяцы (май-август) выявило тенденцию к ее понижению с 18,9 оС в начале ХХ века до 18,4 оС в его конце. Скорость процесса - 0,0054 оС в год.

По уравнению зависимости урожайности от среднесуточной температуры установлено, что прирост урожайности яровой пшеницы от снижения температуры составляет 9,6 %, остальная его часть связана с увлажнением и антропогенными факторами.

Для выявления характерных типов лет по сочетанию режимов увлажнения, тепла в теплый период и вероятности их проявлениями, проведена группировка периода май-август по количеству осадков и среднесуточной температуре воздуха. Установлено, что в условиях п. Безенчук (Самарский НИИСХ) из возможных 48 типов лет встречается 22 типа.

По итогам работы сделана классификация разных типов лета. Наиболее вероятны варианты теплого лета со средней температурой 19-20 оС и суммой осадков 136 мм (24 % лет), прохладного – 18-19 оС и 157 мм (23 % лет) и жаркого – 20-21 оС и 122 мм (14 % лет).

В зоне Среднего Заволжья наблюдаются засухи разной интенсивности и различных типов. Преобладающий тип засухи - весенне-летний проявляется в среднем 1 раз в 3 года (31,6% лет). Только весенняя засуха бывает редко (4,3%), летняя встречается чаще (7,6 % лет). Очень редко (1,1%) возможна продолжительная весенне-осенняя засуха (табл. 2)

Таблица 2

Вероятность засухи разного типа (% лет)

в Среднем Заволжье (по классификации за 92 года)

Тип засухи	Интенсивность засухи	Вероят-ность, % лет
очень сильная (ГТК <0,4)	сильная (ГТК= 0,4-0,5)	средняя (ГТК=0,5-0,6)	без засухи (ГТК >0,6)
Весенняя	0	0	4,3	0	4,3
Весенне-летняя	13,0	5,4	13,1	0	31,5
Летняя	0	5,4	2,2	0	7,6
Весенне-осенняя	1,1	0	0	0	1,1
Без засухи	0	0	0	0	55,4
Всего, % лет	14,1	10,9	19,6	55,4	100

Наиболее вредоносна очень сильная весенне-осенняя (сезонная) засуха. В такие годы урожаи яровой пшеницы составляют менее 2 ц/га.