Агроэкологические и экономико-энергетические основы оптимизации полевых севооборотов в Среднем Заволжье

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Агроэкологические и экономико-энергетические основы оптимизации полевых севооборотов в Среднем Заволжье

Специальность 06.01.01. - общее земледелие

Терентьев Олег Владимирович

КИНЕЛЬ-2007

Работа выполнена в ГНУ Самарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства им. Тулайкова в 1980-1998 гг.

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Корчагин Валентин Александрович

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Морозов Владимир Иванович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заслуженный агроном РФ Курдюков Юрий Фёдорович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Максютов Николай Алексеевич

Ведущая организация: ГНУ Ульяновский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

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 1980-1998 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, 1982-1987, 1989-1991, 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 1980-1997 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 1987-1997 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 380 (1996г.); 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 Б.А. Доспехову, 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.).

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 (1801-1905 гг.) и Самарском НИИСХ (1904-1995 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 5^й-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 17^оС. Наиболее характерный уровень урожайности находится в пределах 8-20,0 ц/га при среднесуточных температурах воздуха за теплый сезон от 14 до 21^оС. 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.

Очень сильная весенне-летняя и сильные весенне-летняя и летняя засухи приводят к сбору зерна с 1 га яровой пшеницы от 6 до 8 ц.

Средние засухи разного типа менее опасны. Урожайность при них составляет 13-16 ц/га. В среднем за весь период наблюдений засухи разного типа в условиях Самарского НИИСХ снижали урожайность яровой мягкой пшеницы на 9 ц/га или 47 %.

Таким образом, прогрессирующий рост урожайности яровой пшеницы в условиях Среднего Заволжья связан с нарастанием количества осадков, понижением среднесуточной температуры воздуха и антропогенной деятельностью. На долю прироста количества выпадающих осадков и понижения температуры приходится 70 % прироста урожайности, а на долю антропогенной деятельности - 30 %.

Глава V. Агроэкологическая и экономико-энергетическая оценка разных видов специализированных на производстве зерна севооборотов

В пятой главе приведены результаты определения влияния 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, дана энергетическая и экономическая оценка севооборотов.

Результаты исследований по динамике засоренности посевов в разных видах севооборотов показали, что на уровень засоренности оказывают влияние наличие и удельный вес чистых и занятых паров, состав культур и предшественников в звеньях севооборотов, наличие повторных посевов одновидовых зерновых культур, удаленность полей севооборота от черного пара и погодные условия периода вегетации.

Наибольшую эффективность по снижению засоренности посевов обеспечивают зернопаровые звенья севооборотов: черный пар - озимые - яровые зерновые. В этих звеньях засоренность посевов поддерживается на низком уровне, позволяющем выращивать зерновые культуры без применения гербицидов. По среднемноголетним данным, этот уровень составляет 20-25 штук сорняков на 1 м² посевов при незначительном количестве (1-2) наиболее вредоносных многолетних корнеотпрысковых сорных растений.

В четырехпольных зернопаровых звеньях севооборотов сороочищающее действие чистых паров распространяется до четвертой культуры после пара (табл. 3).

Таблица 3

Засоренность яровых зерновых культур в севооборотах (средняя за 1980-1996 гг.)

Культура	Звено севооборота с чистым паром	Звено севооборота с занятым паром
	г/м2	%	г/м2	%
Яровая пшеница (3-я культура после пара)	59,4	100	117,0	100
Ячмень (4-я культура после пара)	58,6	99	141,2	121

В звеньях севооборотов с занятым паром засоренность посевов возрастает, в том числе по общей массе более чем в 2 раза. Особенно значительно увеличивается численность многолетних сорняков (в 5-7 и более раз).

Более высокой сороочищающей способностью обладают зернотравяные звенья. Здесь засоренность посевов яровой пшеницы после многолетних трав поддерживается на более низком уровне, чем в звеньях с занятым паром. При этом повторные посевы яровой пшеницы по обороту пласта увеличивают ее засоренность на 30%.

Наиболее слабоконкурентными по отношению к сорным растениям в изучаемых севооборотах оказались пропашные звенья. В посевах кукурузы накапливается до 40-50 и более ц/га зеленой массы сорняков, которые дают большую семенную продуктивность. В результате посевы последующей в севообороте яровой пшеницы оказываются сильно засоренными. Поэтому в большинстве лет при возделывании кукурузы появляется необходимость в использовании гербицидов.

В целом наиболее низкая засоренность полей и посевов поддерживается в зернопаропропашном севообороте с 22% чистого пара, где есть два зернопаровых звена. На втором месте по конкурентной способности к сорнякам стоит зернопаротравянопропашной севооборот с одним полем чистого пара и двумя полями многолетних трав. Несколько выше по уровню засоренности находится зернопаропропашной севооборот с 11% чистого пара и наиболее засорен зернопропашной севооборот, где нет паровых полей.

При формировании оптимальных схем севооборотов в засушливых степных районах важное внимание следует уделять максимальному накоплению и рациональному расходу почвенной влаги. Наибольший интерес представляет водный баланс чистых паров. Из 14 лет наблюдений отмечено только 3 года, когда увеличивались запасы влаги в метровом слое почвы за период парования. Это годы (1984, 1989, 1990) с низкими и средними запасами влаги весной и летними осадками выше нормы. Наибольшее количество общей влаги (32 мм или 12%) было накоплено в 1984 году при крайне низких весенних запасах влаги. В такие годы потери влаги компенсируются усвоением летних осадков и внутрипочвенным передвижением из глубинных слоев. В остальные годы, когда наблюдаются значительные весенние запасы, бывают большие потери влаги за период парования на испарение.

В тоже время данные исследований подтверждают, что в глубинных слоях почвы (100-150 см) в острозасушливые годы накапливаются резервы влаги, которые могут быть использованы озимыми культурами.

Основная гидрологическая роль черных паров состоит в создании достаточных запасов влаги для получения максимальных урожаев озимых культур. Особенно велика роль чистых паров в создании запасов влаги в период посева озимых культур. По среднемноголетним данным они составили в метровом слое по черному пару - 101,2 мм, а по занятому - 46,9 мм.

Особенно резко проявляется значение чистых паров в обеспечении влагой посевного слоя для получения полноценных всходов озимых. В большинстве лет исследований, из-за недостаточных осадков, запасы влаги в посевном слое в середине августа по занятому пару были на уровне или ниже критического значения для обеспечения всходов озимых (рис. 1).

В наших исследованиях подтвердилась высокая агрогидрологическая роль чистого пара в звене севооборота: пар-озимые. На посевах яровых культур в зернопаропропашном и зернопропашном севооборотах запасы доступной влаги весной не зависят от предшественника.

В среднем за годы исследований весенние запасы влаги в зависимости от предшественников существенно не различались. Так, в зернопаропашном севообороте они составляли 114,2-125,9 мм в метровом слое почвы, а в зернопропашном -120,2-125,3 мм. Перед посевом яровой пшеницы по озимым, размещенным по черным парам, накапливалось 122,5-123,9 мм; по кукурузе - 114,2-125,3 мм; по пласту многолетних трав - 116,1 мм и по обороту пласта - 124,2 мм.

Рис. 1. Запасы продуктивной влаги в слое почвы 0-30 см перед посевом озимых

Важное значение в водном балансе имеют расход влаги и использование ее на формирование урожая. В условиях степного Заволжья влага на черных парах используется озимыми культурами, особенно в засушливые годы, продуктивнее, чем на непаровых предшественниках. По нашим данным, расход воды на единицу урожая озимых культур за их вегетацию (с учетом запасов влаги в почве и осадков) был ниже на 9-9,5% при размещении их по чистому пару в сравнении с занятым паром (табл. 4).

Таблица 4

Водный баланс в звеньях севооборотов (среднее за 1980-1991 гг.)

Культуры	Запасы влаги в метровом слое почвы, мм	Осадки, мм	Расход влаги, мм	Расход воды на 1 т зерна, м3
	начало парования, посев	конец парования, уборка
Зернопаровой
Пар чистый	128	99	117	146	-
Озимая рожь	109	40	447	516	1347
Зерновой
Горох	129	35	91	185	1504
Озимая рожь	47	36	447	458	1454

Из зерновых культур наименьший расход воды наблюдался у яровой пшеницы и ячменя, а наибольший - у озимых. Минимальное количество влаги у кормовых культур тратится на формирование урожая вико-овса на сено и кукурузы на зеленую массу и максимальное - у многолетних трав.

Правильно построенный севооборот, положительно влияющий на почвенные процессы и баланс питательных веществ, способен создавать условия для улучшения и стабилизации пищевого режима почвы. Установлено, что в период парования полей происходит значительное накопление нитратного азота. По черным парам к посеву озимых накапливается в среднем до 76-86 мг на 1 кг почвы, по занятым парам - 50-52 мг. В черных парах идет активная минерализация гумуса.

На озимых культурах после использования минерального азота растениями в период посева, осенней вегетации и весеннего возобновления, содержание нитратов в фазе трубкования-цветения по черному и занятому парам выравнивается.

Проведенные исследования показали, что способность к накоплению в почве нитратов увеличивается под посевами пропашных культур. Частая механическая обработка почвы способствует ускоренному разложению органического вещества и обогащению почвы легкодоступными элементами пищи для растений. Так, в июне под посевами кукурузы в севооборотах накапливалось в среднем до 75-86 мг NО₃ на 1 кг почвы.

По нашим данным, накопление нитратного азота перед посевом яровой пшеницы по пласту и обороту пласта трав возрастает в 1,5-1,6 раза по сравнению с посевами ее в севооборотах без многолетних бобовых трав за счет фиксации атмосферного азота симбиотическими клубеньковыми бактериями.

Накопление нитратов в почве в посевах яровой пшеницы идет одинаково после кукурузы и озимой пшеницы, что связано с применением азотных удобрений, восполняющих расходную часть баланса азота в почве в зерновых звеньях севооборотов.

В условиях постоянного применения минеральных удобрений в севооборотах не отмечено существенных различий в накоплении подвижных форм фосфора и калия под разными культурами. Параметры содержания подвижного фосфора и обменного калия более стабильны и менее подвержены сезонным колебаниям.

Установлено, что длительное систематическое применение органических и минеральных удобрений в севооборотах вызывает накопление подвижных фосфатов (регрессионное уравнение тренда У = 16,2 + 0,323х) и обменного калия (регрессионное уравнение тренда У = 18,8 + 0,208х) в пахотном слое при возможных колебаниях их уровня в зависимости от метеорологических и агробиологических условий. Содержание подвижного фосфора в севооборотах возрастает за ротацию в среднем на 20-21 %, обменного калия - на 10 %.

Таким образом, баланс азота в севооборотах с чистыми парами необходимо регулируется с помощью включения в них многолетних бобовых трав и использования органических и минеральных удобрений, а баланс фосфора и калия - с помощью систем органических и минеральных удобрений.

Поддержание баланса органического вещества в севооборотах способствует реализации максимальных возможностей интенсивных специализированных севооборотов. Наш мониторинг с момента закладки длительного стационара в течение 30 лет в разных видах изучаемых севооборотах свидетельствует, что ежегодные потери гумуса при интенсивном использовании пашни и применении минеральных удобрений не покрываются гумуфикацией пожнивно-корневых остатков. Наибольшие потери гумуса (0,831 т/га ежегодно) наблюдались в зернопаропропашном севообороте с двумя полями чистого пара, а наименьшие - в севообороте с травопольными звеньями.

Ежегодное восстановление гумуса в севооборотах составило 0,619-0,643 т/га. При этом более высокий уровень процессов гумификации наблюдался в беспаровом и зернопаротравянопропашном севообороте за счет большего накопления пожнивно-корневых остатков.

Наибольшие некомпенсированные потери органического вещества (57 %) наблюдаются в зернопаропропашном севообороте с двумя полями чистого пара, 43 % потерь здесь компенсируется пожнивно-корневыми остатками, навозом и соломой. Наименьшие потери гумуса отмечены в зернопаротравянопропашном севообороте за счет большего накопления растительных и корневых остатков

Как показали результаты исследований и расчеты, компенсируются потери гумуса в условиях района исследований за счет пожнивно-корневых остатков, соломы озимых и сидератов на 50-70 %. Складывающийся ежегодный дефицит гумуса покрывается за счет внесения навоза в дозах от 3,0 до 7,2 т/га ежегодно. Особенно большие объемы навоза требуются для севооборотов с высоким удельным весом чистых паров.

По нашим данным, наибольшее количество гуминовых кислот, оказывающих положительное влияние на структуру образования гумуса и улучшение физико-химических свойств почвы, наблюдалось в зернопропашном севообороте с большим количеством органики, поступившей с пожнивно-корневыми остатками.

Наибольшее накопление фульвокислот в пахотном слое отмечено в зернопаропропашном севообороте с 22 % чистого пара. Причем это происходило в основном за счет наиболее подвижных фракций. Поступление органических веществ в почву с навозом увеличивало образование мобильных соединений и повышало их подвижность.

Таким образом, для увеличения содержания наиболее подвижных фракций гуминовых и фульвокислот, способствующих "омолаживанию" гумуса, необходимо внесение больших доз органических удобрений.

Наибольшее влияние в севооборотах на урожай оказывает наличие и удельный вес чистых и занятых паров. В севооборотах с чистыми парами (11 и 22 %) урожайность зерновых культур и кукурузы в среднем за годы исследований была выше, чем в зернопропашном севообороте.

Наиболее продуктивны в севооборотах озимые культуры. В среднем за годы исследований урожай зерна озимых культур (рожь, пшеница) по чистому пару в экспериментальных севооборотах составил 35,7 ц/га, а по занятому пару - 29,7 ц/га, что на 6 ц/га ниже (табл. 5).

Таблица 5

Урожайность зерновых культур в разных видах полевых севооборотов в ц/га (в среднем за 1980-1997 гг.)

Вид севооборота	Зерновые в среднем	В том числе
		озимые	яровая пшеница	ячмень
Зернопаропропашной с 22% чистого пара	27,0	35,7	21,0	27,7
Зернопаропропашной с 11% чистого пара	25,5	32,7	20,4	26,6
Зернопропашной	24,1	29,7	19,8	25,8
Зернопаротравянопропашной	25,1	35,6	20,2	29,3

Наибольшие прибавки урожая зерна озимых культур по чистым парам наблюдаются в годы с острой весенней и раннелетней засухой. В такие годы урожай озимых по чистым парам увеличивается на 37,1 % по сравнению с размещением их по занятым парам за счёт накопления резервов почвенной влаги и потреблении ее растениями из глубинных слоев почвы.

Максимальный средний урожай зерновых культур (27 ц/га) получен в зернопаропропашном севообороте с двумя полями чистого пара. Здесь наблюдались наибольшие урожаи яровой пшеницы.

Влияние черного пара по снижению засорённости полей севооборотов распространялось до третьей и четвертой культуры. На яровых зерновых культурах были получены прибавки 1,2 - 1,5 ц/га в последействии по сравнению со звеньями севооборотов с занятыми парами.

По итогам многолетних исследований в севооборотах выявлено влияние разных предшественников на урожай яровой пшеницы. Наилучшим предшественником признаны озимые по черным парам, хорошими - озимые по гороху, кукуруза и пласт многолетних трав, а удовлетворительными - озимые по вико-овсу и обороту пласта многолетних трав. Основным значимым фактором, влияющим на урожай яровой пшеницы в изучаемых севооборотах, является засоренность посевов.

В среднем за годы исследований внесение навоза способствовало повышению общего сбора зерна в звеньях севооборотов с чистым паром, в тоже время сидерация не повышала урожай озимых по сравнению с занятым паром. Эффект от сидерации возможен только в длительном последействии.

Наибольший выход зерна отмечался в зернопаропропашном севообороте с 22% чистого пара (1800 ц со 100 га пашни), а наименьший - в зернопаротравянопропашном севообороте (1393 ц), где удельный вес зерновых составлял 55% (табл.6).

севооборот оптимизация плодородие урожайность

Таблица 6

Продуктивность опытных девятипольных севооборотов (средняя за 1980 - 1997 гг.)

Виды севооборотов	Выход продукции на 100 га пашни, ц
	зерна, всего	в т.ч. продовольственного	кормовых единиц
Зернопаропропашной с 22 % чистого пара	1800	1492	2796
Зернопаропропашной с 11 % чистого пара	1701	1406	2939
Зернопропашной	1680	1319	3119
Зернопаротравяно-пропашной	1398	1068	2766

По кормовой продукции максимальную продуктивность показал зернопропашной севооборот с тремя полями кормовых культур.

Анализ устойчивости, учитывающий спады, подъемы и экстремальные колебания урожайности, показал, что наиболее устойчивой из изучаемых культур оказалась озимая рожь по черному пару и яровая пшеница по озимым. Яровая пшеница по кукурузе также приближается к устойчивым стандартам, остальные культуры имеют неустойчивые показатели (коэффициент < 0,75).

В целом, наиболее устойчивыми по выходу зерна являются севообороты с чистыми парами и с удельным весом зерновых культур не ниже 66 %. В таких севооборотах есть набор зерновых культур с хорошими предшественниками, позволяющими сохранять устойчивость и стабильность урожаев. Со снижением выхода зерна в севооборотах, в которых уменьшается удельный вес чистых паров и хороших предшественников для озимой и яровой пшеницы, понижаются и показатели устойчивости (рис. 2).

Рис. 2 Зависимость коэффициента устойчивости производства зерна от видов севооборотов

Анализы линий трендов показали, что обозначилась тенденция стабилизации и даже некоторого спада урожаев озимых культур, которые в меньшей степени зависят от метеорологических условий (уравнение регрессии У = 37,9 - 0,128 х). Проявляется тенденция исчерпывания потенциала технологий и сортов озимых культур. Урожайность яровых зерновых культур имеет тенденцию к росту, связанную с освоением севооборотов, совершенствованием технологий возделывания и улучшением агрометеорологических условий (уравнение регрессии У =18,8+ 0,170 х).

По мере освоения экспериментальных севооборотов (от 1-й ко 2-й ротации) отмечался значительный рост урожаев сельскохозяйственных культур, затем (от 2-й к 3-й ротации) произошла их стабилизация. Эффективное плодородие не падает даже в севооборотах с высоким удельным весом чистых паров, что свидетельствует о больших резервах потенциального плодородия черноземных почв.

Наиболее высокие показатели качества зерна яровой пшеницы по содержанию белка и сырой клейковины отмечены при размещении ее по пласту люцерны. В тоже время качественные технологические показатели не опускаются ниже оптимальных и при выращивании её по озимым и кукурузе, что позволяет получать качественное продовольственное зерно в севооборотах с высоким удельным весом чистых паров и пропашных культур.

Таким образом, наиболее эффективными севооборотами в условиях Среднего Заволжья с набором оптимальных предшественников для выращивания качественного продовольственного зерна, являются зернопаропропашные севообороты с чистыми парами.

Энергетическая оценка эффективности показала, что наибольшее количество энергии в основной продукции накапливается в севооборотах с большим удельным весом высокоэнергетических кормовых культур. В тоже время энергия побочной продукции выше в зернопаропропашных севооборотах с чистыми парами за счет увеличения выхода энергетически ценной соломы зерновых культур.

Комплексная энергетическая оценка севооборотов показала, что наивысшая производительность агроэкосистемы на единицу совокупного энергетического ресурса была в зернопропашном севообороте - 0,101 мДж-день/гДж (табл. 7). Этот показатель уменьшался практически вдвое при насыщении севооборотов чистыми парами до 22 %, прежде всего вследствие увеличения расхода энергии гумуса на производство продукции и снижения энергопотенциала почвы.

Наименьшие энергозатраты на производство основной продукции наблюдались в зернопаротравянопропашном севообороте, а общей продукции - в зернопаропропашном севообороте с 22 % чистого пара.

Эффективность соотношения биологической энергии продукции и антропогенной энергии была близкой по всем севооборотам.

Наилучшим соотношением накопленной биологической энергии к энергии ФАР и гумуса отличался зернопропашной севооборот.

Коэффициент, показывающий отношение всей накопленной энергии к затратам антропогенной энергии, снижался при увеличении удельного веса чистых паров, из-за уменьшения прихода почвенной энергии.

Таким образом, для повышения энергетической производительности севооборотов с высоким удельным весом чистых паров, необходимо добиваться уменьшения расхода энергии гумуса за счет увеличения внесения органического энергетического материала. В тоже время повышение выхода основной (зерно) и побочной (солома) продукции в таких севооборотах и уменьшение затрат на технологии способствует оптимизации соотношения биологической энергии продукции и антропогенной энергии.

Экономико-энергетическая оценка показала, что наибольшая энергетическая производительность агроэкосистемы на единицу денежных затрат отмечалась в севооборотах с наличием чистых паров. Она составляла от 0,32 мДж-день/руб. в зернопаротравянопропашном севообороте до 0,27-0,28 МДж-день/руб. в зернопаропропашных севооборотах. В зернопропашном севообороте экономико-энергетические показатели снижались на 17-39 % из-за увеличения денежных затрат на выращивание, уборку и транспортировку кормовых культур.

Наилучшую экономическую эффективность показал зернопаропропашной севооборот с 22% чистого пара. Здесь наибольшая стоимость продукции за счет значительного повышения сборов наиболее дорогостоящего зерна товарной пшеницы при оптимизации затрат на ее производство. В результате условно-чистый доход - максимальный из изучаемых севооборотов - 3,3 тыс. руб. на 1 га площади.

Таблица 7

Экономико-энергетическая оценка севооборотов

Показатели	Ед. измерения	Севообороты
		зернопаро-пропашной с 22% чистого пара	зернопаро- пропашной с 11% чистого пара	зернопропашной	зернопаро- травяно- пропашной
К - производительность агроэкосистемы на единицу совокупного энергетического ресурса	МДж-день ГДж	0,057	0,079	0,101	0,066
П - производительность агроэкосистемы на единицу денежных затрат	МДж-день руб	0,28	0,27	0,23	0,32
Р - производительность агроэкосистемы на единицу трудовых затрат	МДж-день чел/час	90,1	86,5	74,0	102,7
J1- энергозатраты на 1 ц основной продукции	МДж ц	647,8	652,4	636,0	570,9
J2- энергозатраты на 1 ц общей продукции	МДж ц	328,0	347,4	361,6	341,8
і 1 - отношение биологической энергии основной продукции к затратам антропогенной энергии	-	2,18	2,20	2,2	2,72
і2 - отношение биологической энергии общей продукции к затратам антропогенной энергии	-	4,98	4,72	4,46	4,92
і 3 - отношение накопленной энергии к энергии ФАР	-	0,009	0,012	0,014	0,009
і4 - отношение накопленной энергии к энергии гумуса	-	0,019	0,022	,025	0,023
і5 - отношение накопленной энергии к затратам антропогенной энергии гумуса	-	4,98	5,31	5,54	6,07

Зернопропашной севооборот, несмотря на повышение общего сбора продукции в кормовых единицах, значительно уступает по экономической эффективности севооборотам с чистыми парами из-за повышения затрат на выращивание однолетних кормовых культур. Условно-чистый доход при этом снижается на 67 %, а уровень рентабельности - в 2,2 раза по сравнению с зернопаропропашным севооборотом с 22 % чистого пара.

Наименьшую себестоимость продукции при лучшем соотношении выхода продукции и затрат на ее выращивание имеет зернопаротравянопропашной севооборот из-за значительного снижения прямых затрат по сравнению с другими севооборотами.

В севооборотах с биологическими средствами воспроизводства почвенного плодородия условно-чистый доход и рентабельность значительно снижается из-за дороговизны технологий применения органики, несмотря на увеличение выхода и стоимости продукции при использовании навоза в парах.

При использовании сидерации и соломы экономическая эффективность севооборотов также снижается, несмотря на снижение затрат, так как происходит отчуждение ценной кормовой продукции.

Таким образом, наилучшие экономические показатели из изучаемых севооборотов имеет зернопаропропашной севооборот с 22 % чистого пара. Использование навоза в таких севооборотах для восполнения минерализованного гумуса требует в настоящее время значительных денежных затрат.

Глава VI. Агроэкологическая и экономико-энергетическая оценка специализированных на производстве зерна севооборотов при различных уровнях интенсификации пашни

В шестой главе приведены результаты определения влияния уровней и средств интенсификации в севооборотах на засоренность посевов, пищевой режим, агрохимические свойства почвы, показатели почвенного плодородия, урожайность сельскохозяйственных культур, продуктивность севооборотов, качество зерна, энергетическую экономическую эффективность.

Наши исследования показали, что наименьшая засоренность посевов яровой пшеницы (вторая культура после пара) наблюдалась при безотвальной обработке почвы. Здесь наиболее эффективна борьба с сорняками в пару (больше прорастает сорняков и уничтожается паровыми культивациями).

Применение гербицидов на яровой пшенице и ячмене (третья культура после пара) не привело к значительному эффекту вследствие общего низкого уровня засоренности.

Наши исследования подтвердили высокую эффективность гербицидов в пропашном звене севооборотов. Последовательное применение почвенных и послевсходовых гербицидов при возделывании кукурузы снизило засоренность ее посевов на 58-83 % по числу и на 40 % по массе сорняков. На яровых зерновых культурах после кукурузы засоренность посевов также снижалась при применении гербицидов. Использование плоскорезных обработок под яровые зерновые культуры значительно повысило уровень засоренности посевов. На посевах яровой пшеницы в фазе кущения при постоянной вспашке отмечалось 28,0 штук сорняков на 1 м^2, а без отвальной обработки - 117,7. Однако применение гербицидов на безотвальном фоне, в том числе при снижении глубины обработки, уменьшило степень засоренности посевов до приемлемых низких уровней.

Уровень засоренности полей в звене просо-яровая пшеница-ячмень оказался высоким даже на фоне постоянной разноглубинной вспашки. Применение гербицидов снижает засоренность по массе сорняков на просе - в 2,9 раза, на яровой пшенице - в 4,6 раза. на ячмене - в 1,4 раза и позволяет поддерживать относительно низкий уровень засоренности посевов в зерновом звене севооборота на фоне безотвальной обработки почвы и различных вариантов комбинированных обработок.

Таким образом, в паровом звене севооборота применение гербицидов неэффективно, а в пропашном и зерновом звеньях дает значительный эффект по снижению степени засоренности полей. Использование паровых полей и эффективных гербицидов позволяет внедрять ресурсосберегающие системы обработки почвы взамен ежегодной энергоемкой вспашки.

Наши исследования показали, что применение различных систем обработки почвы и внесение удобрений в паровом звене севооборота оказывают значительное влияние на содержание и динамику азота в почве под культурами севооборота. Применение удобрений приводило к повышению содержания нитратного азота, вследствие поступления минерального азота с удобрениями и усиления нитрифицирующей способности почвы, и выравнивало уровень содержания азота по всем вариантам обработок почвы.

Различные системы обработки практически не оказывали никакого влияния на фосфорный и калийный режимы почвы на посевах озимых и яровой пшеницы. В тоже время постоянные безотвальные и минимальные способы обработки способствовали увеличению содержания подвижного фосфора и обменного калия при возделывании ячменя. Активность минерализации микрофлорой, которая богаче при постоянном оставлении органики в верхнем слое почвы, была здесь выше. Подвижные формы фосфора и азота высвобождались из органических соединений более активно.

Применение удобрений в паровом звене позволило увеличить общее содержание подвижного фосфора и обменного калия в пахотном слое почвы. Систематическое внесение органических и минеральных удобрений повышало подвижность фосфора и калия в почве.

Комбинированные обработки почвы в пропашном севообороте позволяют в меньшей степени, чем постоянная безотвальная, снижать нитрифицирующую способность почвы, а также усиливать тенденцию оптимизации фосфорного и калийного режима почвы.

Применение органических и минеральных удобрений в пропашном звене севооборота способствовало повышению содержания нитратов и подвижных форм фосфора и калия. Весной на посевах кукурузы нитрифицирующая способность почвы увеличилась в 2,3-3,6 раза.

По наблюдениям за пищевым режимом почвы в зерновом звене севооборота: просо-яровая пшеница-ячмень установлено, что постоянные безотвальные и минимальные системы снижали нитрифицирующую способность почвы в начале вегетации растений. Весной на посевах яровой пшеницы по просу при постоянной вспашке накапливалось 25,6 мг на 1 кг почвы, а при безотвальной, комбинированной и минимальной обработкам - 12,6-14 мг; на ячмене соответственно - 20,1 и 18,3-19,8 мг на 1 кг. При этом наблюдалась тенденция улучшения фосфорного и калийного режима почвы при ресурсосберегающих системах обработки почвы, а применение удобрений значительно улучшало пищевой режим почвы.

Таким образом, постоянное применение безотвальных и минимальных способов обработки почвы в звеньях севооборотов способствует ухудшению азотного питания растений весной. Применение удобрений во всех звеньях севооборотов повышает общее содержание подвижных форм азота, фосфора и калия в пахотном слое почвы. Существует тенденция улучшения пищевого режима по накоплению подвижных форм фосфора и калия при минимализации обработки почвы, связанная с активизацией минерализации в обогащенном органикой верхнем слое почвы.