Бобовые фитоценозы в биологизации севооборотов и накоплении ресурсов растительного белка

На правах рукописи

Тойгильдин Александр Леонидович

БОБОВЫЕ ФИТОЦЕНОЗЫ В БИОЛОГИЗАЦИИ СЕВООБОРОТОВ И НАКОПЛЕНИИ РЕСУРСОВ РАСТИТЕЛЬНОГО БЕЛКА

06.01.01. – общее земледелие

06.01.09. – растениеводство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Кинель – 2007

Работа выполнена на кафедре земледелия, землеустройства и земельного кадастра ФГОУ ВПО Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Морозов Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

Заслуженный работник сельского хозяйства РФ,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Чуданов Иван Андреевич

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Ласкин Олег Дмитриевич

Ведущая организация:

Ульяновский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Защита состоится 24 апреля 2007 года в 1000 час. на заседании диссертационного совета Д.-220.058.01. при Самарской государственной сельскохозяйственной академии.

Адрес: 446442, Самарская область, г. Кинель, п. Усть-Кинельский, Самарская ГСХА, диссертационный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан « » марта 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук,

профессор Г.К. Марковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Реализация приоритетного национального проекта «Развитие животноводства» объективно ставит задачу по увеличению производства и улучшению качества кормов. В Средне-Волжском регионе пашня – основной источник накопления кормовых ресурсов.

Характерной особенностью в использовании пахотных земель региона является острый дефицит органического вещества для компенсации потерь гумуса. Практически прекращено внесение органических удобрений на поля. Не удовлетворяются потребности растениеводства в минеральных удобрениях. На полях преобладает зерновая монокультура, что неизбежно ведет к нарастанию риска экологической напряженности и потерям урожая из-за сорных растений, численность которых зачастую превышает экономические пороги вредоносности.

Все это обуславливает необходимость изучения приемов эффективного использования бобовых фитоценозов в структуре посевных площадей как фактора биологизации земледелия, источника биологического азота и кормового белка.

Актуальность биологизации в том, чтобы придать земледелию энергоресурсосберегающий (устойчивый) характер развития.

Сущность биологизации севооборотов состоит, в частности, в обогащении почвы органическим веществом и укреплении энергетики почвенного покрова, вовлечении в земледелие ресурсов биологического азота бобовых растений посредством симбиотической фиксации его из атмосферы, в усилении конкурентоспособности полевых культур по отношению к сорному компоненту в фитоценозах, оптимизации фитосанитарного состояния посевов.

Изучение и практическое освоение приемов биологизации севооборотов согласуется с концепцией современных адаптивно-ландшафтных систем земледелия.

Наши исследования выполнялись в соответствии с заданием Координационного Совета РАСХН по севооборотам: «Усовершенствовать систему полевых, кормовых и специализированных севооборотов» и являлись составной частью тематического плана научной работы Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии.

Цель исследований. Изучить эффективность факторов биологизации севооборотов с бобовыми фитоценозами и разработать приемы повышения их энергобелковой продуктивности.

Задачи исследований:

• выявить закономерности формирования травостоев многолетних трав в зависимости от водно-теплового режима посевов;
• оценить активность бобоворизобиального симбиоза люцерны и эспарцета и продуктивность азотфиксации в зависимости от систем удобрений;
• изучить агрофизические показатели плодородия, режим влажности почвы и водопотребление многолетних трав в севооборотах;
• изучить видовой состав и структуру сорного компонента полевых фитоценозов с многолетними травами и изменение засоренности посевов в севооборотах;
• выявить сравнительную урожайность и энергобелковую продуктивность бобовых в простых и сложных фитоценозах в зависимости от систем удобрений в ротации севооборотов;
• выявить вклад бобовых и злаковых фитоценозов на разных фонах удобрений в накопление биогенных ресурсов плодородия чернозема выщелоченного;
• дать экономическую, агро- и биоэнергетическую оценку эффективности биологизации севооборотов.

Научная новизна. Дано теоретическое обоснование продуктивности многолетних трав в зависимости от биоклиматических ресурсов региона. Изучены факторы формирования устойчиво продуктивных фитоценозов с бобовыми и злаковыми компонентами в зернотравяных севооборотах с кострецом, люцерной и эспарцетом. Оценена продуктивность симбиотической фиксации азота люцерны и эспарцета. Получены данные урожайности, питательной ценности и энергобелковой продуктивности многолетних бобовых фитоценозов в простых и сложных их сочетаниях в зависимости от систем удобрений в севооборотах. Оценены возделываемые культуры по накоплению биогенных ресурсов плодородия чернозема выщелоченного. Выявлено влияние культуры многолетних трав на показатели плодородия почвы и установлена их средообразующая роль в ротации севооборотов. Показано преимущество многолетних бобовых фитоценозов перед злаковыми и однолетними культурами по эколого-экономической, агро- и биоэнергетической эффективности биологизации севооборотов и накоплению кормовых ресурсов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Конкурентоспособность люцерны и костреца по отношению к сорному компоненту в фитоценозах. В севооборотах к концу третьего года жизни люцерны и костреца численность сорняков снижается на 94…99 %, а масса на 90…96 % от исходной засоренности.

2. Возделывание люцерны и эспарцета в севооборотах на фоне органоминеральных систем удобрений на выщелоченном черноземе обеспечивает выход 5,19…6,75 т/га к.ед., 0,88…1,15 т/га переваримого протеина и 63,5…80,4 ГДж/га обменной энергии без затрат азотных удобрений. При этом вклад костреца: 4,87…5,21 т/га к.ед., 0,59…0,6 т/га переваримого протеина и 61,8…66,2 ГДж/га обменной энергии.

3. Бобоворизобиальный потенциал симбиотического азота на выщелоченном черноземе лесостепи Поволжья составляет у люцерны 194…289 кг/га, у эспарцета 139…164 кг/га, возрастая на фоне органоминеральной системы удобрений с участием соломы.

4. Структура биогенных ресурсов бобовых и злаковых фитоценозов, воспроизводимых в ротации севооборотов, в регулировании режима органического вещества чернозема выщелоченного. При возделывании люцерны и эспарцета за счет накопления пожнивно-корневых остатков обеспечивается расширенное воспроизводство органического вещества (+ 53…+301 кг/га), прогноз гумусового баланса под кострецом складывается практически бездефицитный (–6…–169 кг/га);

5. Ресурсосберегающая функция бобовых фитоценозов на основе эколого-экономической, агро- и биоэнергетической оценки в сравнении со злаковыми многолетними и однолетними культурами.

Практическая значимость. Практическое освоение комплекса приемов биологизации севооборотов с многолетними бобовыми и злаковыми фитоценозами наряду с накоплением ресурсов растительного белка позволит оптимизировать режим органического вещества выщелоченного чернозема и фитосанитарное состояние посевов с минимальными затратами техногенной энергии.

200

Результаты исследований используются в учебном процессе Ульяновской ГСХА и учебно-опытном хозяйстве академии.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований проходят производственную проверку на площади около 200 га и внедряются в ООО «Возрождение села» Мелекесского района Ульяновской области.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались и обсуждались на внутривузовских научных конференциях Ульяновской ГСХА (2004...2005 гг.), на научно-практической конференции «Современное развитие АПК: региональный опыт, проблемы, перспективы» (Ульяновск, 2005), на II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы сельскохозяйственной науки и образования» (Самара, 2005), на международной научно-практической конференции «Молодежь и наука XXI века» (Ульяновск, 2006).

По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 139 страницах и состоит из введения, 6 глав, выводов, предложений производству, списка литературы и приложений. В работе содержится 34 таблицы, 26 рисунков и 28 приложений. Список литературы включает 271 наименование, в том числе 16 зарубежных авторов.

УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

По данным Октябрьской метеостанции 2003 – 2006 годы, в течение которых проводились опыты, по характеру увлажнения были различными. 2003 и 2004 годы были достаточно увлажненными, гидротермический коэффициент равнялся соответственно 1,41 и 1,85. Следует отметить, что в июле 2004 года выпало 138,5 мм, при среднемноголетней норме 31,3 мм. В 2005 году наблюдался засушливый период в апреле и в сентябре, однако это не отразилось на росте и развитии многолетних трав (ГТК=1,45). 2006 год по характеру вегетационного периода был близок со среднемноголетними данными, а гидротермический коэффициент составил 0,97, при среднемноголетнем значении 0,96.

Почва опытного участка – чернозем выщелоченный среднемощный среднесуглинистый по содержанию гумуса она относится к малогумусным – от 5,35 до 5,15 %. Реакция среды в пахотном слое почвы слабокислая, рН 6,2 – 6,4. Содержание подвижного фосфора и обменного калия высокое, соответственно, 30 – 35 и 20 – 25 мг на 100 г почвы. Степень насыщенности почвы основаниями составляет 96,4 – 97,9 %, сумма поглощенных оснований 25,5 – 27,8 мг-экв. на 100 г почвы.

Опыт 1: Энергобелковая продуктивность бобовых фитоценозов в зависимости от действия и последействия удобрений в севооборотах.

Изучение приемов биологизации севооборотов посредством бобовых фитоценозов, и их влияние на плодородие почвы и накопление ресурсов растительного белка проводилось в стационарных полевых опытах кафедры земледелия Ульяновской ГСХА. Опыты были основаны в 1975 году в соответствии с программами Координационного совета по севооборотам ВАСХНИЛ–РАСХН. Структура севооборотной площади была скорректирована за счет включения многолетних трав – костреца, люцерны и эспарцета и с 2001 г. продолжаются ротации севооборотов по уточненным схемам:

1 севооборот: чистый пар – озимая пшеница – яровая пшеница – горох – яровая пшеница – яровая пшеница; 2 севооборот: горох – озимая пшеница – яровая пшеница – кострец – кострец – яровая пшеница; 3 севооборот: вика на зерно – озимая пшеница – яровая пшеница – люцерна – люцерна – яровая пшеница; 4 севооборот: викоовсяная смесь на сидерат – озимая пшеница – яровая пшеница – эспарцет–эспарцет – яровая пшеница.

Размер делянок первого порядка 14х40 м, второго – 7х40 м соответственно 560 и 280 м2 посевной площади. Размещение делянок систематическое, повторность трехкратная.

В севооборотах с чистым паром, горохом и викой применялись 2 системы удобрений: 1 – навоз + NPK; 2 – солома + NPK, в сидеральном севообороте: 1 – сидерат + NPK; 2 – сидерат + солома + NPK.

Навоз вносили в первые поля севооборотов в дозе 40 т/га, солому – после ее измельчения при обмолоте зерновых культур и гороха. Дозы минеральных удобрений рассчитывались балансовым методом на запланированный урожай гороха – 25 ц/га зерна; вики 15 ц/га зерна; озимой пшеницы 30 – 35 ц/га зерна; яровой пшеницы 25 – 30 ц/га; викоовсяной смеси на сидерат 200 ц/га зеленой массы; костреца, люцерны, эспарцета 250 ц/га зеленой массы.

В работе рассматриваются особенности формирования урожайности культур, их энергобелковой продуктивности в 4 и 5 полях экспериментальных севооборотов: многолетние травы соответственно 1-го и 2-го годов пользования: кострец – кострец; люцерна – люцерна и эспарцет – эспарцет, а также горох – яровая пшеница.

Опыт 2: Энергобелковая продуктивность многолетних трав в простых и сложных агрофитоценозах.

В 2004 и 2005 годах нами был заложен опыт по изучению одновидовых и смешанных посевов при различном соотношении норм высева компонентов:

1. Кострец – 100 %
2. Люцерна – 100 %
3. Эспарцет – 100 %
4. Кострец + люцерна (50+50 %)
5. Кострец + эспарцет (50+50 %)
6. Люцерна + эспарцет (50+50 %)
7. Кострец + люцерна + эспарцет (50+25+25 %)
8. Люцерна + эспарцет + кострец (50+25+25 %)
9. Эспарцет + кострец + люцерна (50+25+25 %)

Повторность опыта четырехкратная, расположение делянок систематическое. Площадь делянок 36 м2, учетная 30 м2.

Агротехника в опытах общепринятая для зоны, за исключением изучаемых приемов. Норма высева многолетних трав для одновидовых посевов при 100 % посевной годности: люцерна посевная – 5 млн. шт. семян на 1 га; кострец безостый – 5 млн. шт. семян на 1 га; эспарцет песчаный – 5 млн. шт. семян на 1 га. В травосмесях норма высева составляется из расчета 50 % и 25 % от полной числовой нормы каждого компонента в чистом виде.

В опытах проводились: учет густоты стояния растений – по методике Госсортсети (1971); фенологические наблюдения (Методические указания…, 1997); линейный рост растений в динамике (Методические указания…, 1997); фотосинтетическая деятельность растений в посевах по методике А.А. Ничипоровича (1955, 1961); влажность почвы – термостатно-весовым методом (Роде А.А., 1969); видовой и количественный состав сорных растений – «Инструкция по определению засоренности полей…» (1986); биологическая активность почвы – по интенсивности распада целлюлозы; формирование симбиотического аппарата многолетних трав – методом монолита (Посыпанов Г.С., 1991); учет пожнивно-корневых остатков – рамочным методом по Н.З. Станкову (1963); учет урожая яровой пшеницы и гороха – методом сплошного обмолота (методика Госсортсети, 1971); учет урожая зеленой массы многолетних трав методом учетных площадок (Методические указания…, 1997). Математическую обработку данных проводили методом дисперсионного и корреляционно – регрессионного анализа по Б.А. Доспехову (1985) на ПЭВМ. Расчет экономической эффективности проводился на основании технологических карт, агро- и биоэнергетической оценки в соответствии с методиками Е.И. Базарова и др., 1983; В.В. Коринца и др., 1985 и Г.И. Рабочева и др., 2005.

Результаты исследований

ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И РЕАКЦИЯ

РАСТЕНИЙ

Теоретическое обоснование продуктивности многолетних трав. Абиотические факторы приток ФАР, тепло- и влагообеспеченность, а также условия перезимовки в первую очередь определяют интенсивность продукционного процесса многолетних трав. По среднемноголетним данным суммарный приход ФАР в регионе за период вегетации многолетних трав составляет 12,2 млрд. кДж/га. При аккумулировании ФАР 1,5 % возможная урожайность зеленой массы многолетних трав составит 49,9 т/га. Ресурсы продуктивной влаги 300…350 мм обеспечат урожайность зеленой массы соответственно 29,0 и 33,5 т/га. Возможная урожайность по совокупности факторов (БГП по Рябчикову А.М.) – 36,5 т/га зеленой массы, а по биоклиматическому потенциалу (по Шашко Д.И.) при использовании 2 % ФАР составит 35,8 т/га.

Густота посева и выживаемость растений. Важнейшим условием обеспечения продукционного процесса культуры многолетних трав, поддержания необходимого долголетия травостоя и урожайности является оптимальная густота стояния растений.

В среднем густота всходов костреца составила по фонам удобрений 189…188 шт/м2, люцерны – 244…243, эспарцета – 142…144 шт/м2. При полноте всходов соответственно – 39,0…39,6 %, люцерны – 50,6…51,4 %, эспарцета – 25,6…26 %.

По формированию травостоя преимущество имел кострец. Число стеблей на 1 кв. м. костреца на второй год жизни перед уходом в зиму в зависимости от систем удобрений составляло 428…418, на 3-ий год жизни при возобновлении вегетации весной 893…893 и осенью 624…628 шт/м2. К концу вегетации люцерны в первый год жизни насчитывалось 217…214 раст./м2 при сохранности 88,6…90,6 %, второго соответственно 162…153 и 66,1…64,8 %, третьего 119…121 раст./м2 или 48,4…50,4 %. Следует отметить снижение густоты стояния эспарцета, особенно к концу третьего года жизни.

Зависимость сроков наступления укосов многолетних трав от теплового фактора. Оптимальный срок укосной спелости по данным многочисленных исследований начало колошения для злаковых и начало цветения для бобовых трав. Нами установлено, что наступление этих фаз у изучаемых культур отмечается при сумме положительных температур костреца (первый укос) – 517…699 оС, люцерны – 676…852 оС и эспарцета – 642…817 оС, соответственно на 41…47 день, 51…56 день и – 49…53 день. Те же фазы вегетации (второй укос) наступали у костреца при сумме положительных температур 960…1082 оС, люцерны – 753…947 и эспарцета – 936…1108 оС или соответственно на 47…57 день, 37…47, эспарцета 49…58 день. Эти данные характеризуют биологическую потребность культур в тепле и определяют сроки наступления укосной спелости и начало уборки.

Нами методом корреляционно-регрессионного анализа выявлены закономерности наступления указанных фаз роста и, следовательно, срока укосов многолетних трав в зависимости от температурного фактора. Установлена обратная связь продолжительности межукосных периодов многолетних трав со среднесуточной температурой и позитивная связь с суммой положительных температур (табл. 1).

Таблица 1

Коэффициенты корреляции и уравнения связи межукосных периодов многолетних трав (у, дней) со среднесуточной температурой (х, оС) и суммой положительных температур (х1, оС)